CN206971250U - 一种海上风电工程导管架基础 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海上风电工程导管架基础，包括打入指定海域的中心钢桩，中心钢桩外依次套入限位板、底托、桩外导管架组装节，限位板沿着中心钢桩下滑并接触海床；桩外导管架组装节由导管架底部节、多个导管架中间节、导管架顶部节依次连接构成，导管架底部节下端压住底托，导管架顶部节上端连接有风机塔筒。本实用新型中心钢桩不承担竖向荷载，竖向荷载与水平荷载的分离，使得中心钢桩的直径与长度可大大减小，无需大型起吊与运输设备，导管架的铅垂度在中心钢桩的约束下自动满足，不需反复进行水平度调平，大大减少施工流程与施工难度。

Description

一种海上风电工程导管架基础

技术领域：

本实用新型涉及海上风电工程领域，尤其涉及一种海上风电工程导管架基础。

背景技术：

海上风电场的基础类型主要有重力式基础、单桩基础、三脚架式基础、导管架式基础、多桩式基础等。其中导管架基础是由若干竖向立柱(圆钢管)和横向、斜向联接钢管焊接成的空间框架结构，其优点在于杆径小、强度高、质量轻、承载力大、受波浪流作用小等，可应用于大型风机及深海领域，顺应着海上风电发展逐渐走向深海的趋势。导管架基础在陆上制作完毕后用桩基从导管打入海床，然后安装上部结构，避免了海上混凝土浇筑等复杂的高风险作业，有效的解决水下连接问题。

导管架基础是深海海域风电场未来发展的主要基础选型之一。德国的AlphaVentus(2010)海上风电场6台Repower机组和英国的Beatrice(2006)示范海上风电场中两台5 MW风机、Ormonde(2012)均采用导管架式基础；中国渤海油田海上风电示范项目、珠海桂山200MW海上示范风场等采用的也是导管架式基础。

目前常用桩基固定式导管架的安装流程主要包括：在导管架下水就位且进行水平度测量后，先插入较低点的钢桩，再次测量水平度，用调平器或浮吊调节导管架的水平度，直至导管架的水平度达到设计要求后再重新打桩，钢桩全部打入后，桩与腿柱或裙装套筒之间的间隙用水泥浆灌注。可见，导管架基础施工过程中，基础水平度的测量与校正是重要内容之一，也是导管架基础施工的关键技术之一。

若能改变导管架的设计构型，使施工过程中导管架的水平度能自动满足而不需要反复调平，则可大大简化导管架基础的施工过程，提高施工效率与精度，进而降低施工成本。

可见，有必要探讨海上风电工程中简单、实用的新型导管架基础形式，促进现有技术的革新与进步。

实用新型内容：

为了弥补现有技术问题的不足，本实用新型的目的是提供一种海上风电工程导管架基础，其套住中部的竖直钢桩而直接滑入海床，水平度能自动满足要求而不需要调平，单个构件重量小、施工方便。

本实用新型的技术方案如下：

海上风电工程导管架基础，其特征在于，包括打入指定海域的中心钢桩，中心钢桩外依次套入限位板、底托、桩外导管架组装节，限位板沿着中心钢桩下滑并接触海床；

所述桩外导管架组装节由导管架底部节、多个导管架中间节、导管架顶部节依次连接构成，导管架底部节下端压住底托，导管架顶部节上端连接有风机塔筒。

所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的限位板为钢板加工成的圆盘，其中部开孔并与限位套筒外壁焊接相连，圆盘的上端面呈平面状态。

所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述底托包括钢板加工成型的圆环盘，圆环盘环壁上焊接有裙板，圆环盘上端面为平面，圆环盘中部设有限位套环，限位套环与圆环盘下端面均匀分布的多根肋条靠近中心端焊接固定。

所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的导管架底部节是由四个竖向圆钢管和横向、斜向联接钢管焊接成对称性空间框架结构；

对称性空间框架结构为四个竖向圆钢管分布于四个拐点，相邻两个圆钢管外壁上下端连接横向联接钢管构成矩形框，矩形框对角线处连接斜向联接钢管；四个竖向圆钢管中部设有与中心钢桩外壁相配合的中心套筒，中心套筒外壁与四个竖向圆钢管也通过斜向联接钢管焊接；

四个竖向圆钢管上部设有螺栓孔，下部通过三角形加筋肋与扩展盘焊接相连。

所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的导管架中间节与导管架底部节空间结构相同，也是由四个竖向圆钢管和横向、斜向联接钢管焊接成的对称性空间框架结构，导管架中间节中部通过斜向联接钢管焊接有与中心钢桩外壁相配合的中心套筒；四个竖向圆钢管上部设有螺栓孔；下部设有带条形螺栓孔的凸榫。

所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的导管架顶部节由四个倾斜的圆钢管和横向、斜向联接钢管焊接成的锥台型对称性空间框架结构；

锥台型对称性空间框架结构为四个倾斜的圆钢管分布于四个拐点，相邻两个圆钢管外壁上下端连接横向联接钢管构成锥形框，锥形框对角线处连接斜向联接钢管；四个倾斜的圆钢管中部设有与中心钢桩外壁相配合的中心套筒，中心套筒外壁与四个倾斜圆钢管也通过斜向联接钢管焊接；

四个倾斜的圆钢管上端与基础环焊接相连，基础环上均匀的设有多个供连接风机塔筒使用的螺栓孔，四个倾斜的圆钢管下部设有带条形螺栓孔的凸榫。

所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的导管架底部节、导管架中间节与导管架顶部节底部的横截面相同，各构件可通过凸榫插入对应的圆钢管上部并用螺栓固定实现相互连接。

所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的底托上的限位套环与限位板上的限位套筒的内孔直径大于中心钢桩的外径1~2cm。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型上部风机结构的竖向荷载通过桩外导管架组装节作用在圆环盘与圆盘上而直接传递给海床土体，中心钢桩不承担上部结构的竖向荷载，中心钢桩与海床土体共同承担水平荷载与弯矩等。竖向荷载与水平荷载的分离，使得中心钢桩的直径与长度可大大减小，桩体重量大大减小，进而降低了施工难度。

2、本实用新型导管架套在竖直的中心钢桩下沉接触海床，导管架的铅垂度由中心钢桩直接定位与控制，故在确保中心钢桩施工质量的前提下，导管架的铅垂度能自动满足，不需要反复进行水平度调平，大大减少施工流程与施工难度。

3、本实用新型各构件通过螺栓连接形成整体，各单个构件重量相对较小，无需大型起吊与运输设备，降低施工成本，并方便潮间带风电工程的施工作业。

4、本实用新型限位板和底托的作用是把上部结构的竖向荷载传递、扩散至更大的海床面积上去，进而减小海床土体的沉降。由于桩外导管架组装节与中心钢桩两者是分离的，即使桩外导管架组装节发生一定数值的工后沉降，只要对工后沉降有足够的预估且桩外导管架组装节有足够的长度适应下沉需要，则工后沉降对中心钢桩无影响，对风机的正常运行也无影响。

附图说明：

图1为本实用新型的底托俯视图。

图2为本实用新型的底托仰视图。

图3为本实用新型的限位板俯视图。

图4为本实用新型的限位板仰视图。

图5为本实用新型的导管架底部节俯视图。

图6为本实用新型的导管架底部节仰视图。

图7为本实用新型的导管架中间节结构示意图。

图8为本实用新型的导管架顶部节结构示意图。

图9为本实用新型的导管架底部节与中间节连接示意图。

图10本实用新型的导管架中间节与顶部节连接示意图。

图11为本实用新型的导管架顶部节与风机塔筒连接示意图。

图12为本实用新型施工钢桩示意图。

图13为本实用新型限位板套入钢桩示意图。

图14为本实用新型底托套入钢桩示意图。

图15为本实用新型各导管架构件套入钢桩示意图。

图16为本实用新型连接风机塔筒示意图。

图17为本实用新型的导管架基础主视图。

图18为本实用新型钢桩外的导管架发生工后沉降示意图。

附图标记说明：1、圆环盘；2、肋条；3、限位套环；4、裙板；5、圆盘；6、限位套筒；7、导管架底部节；8、中心套筒；9、扩展盘；10、三角形加筋肋；11、螺栓孔；12、导管架中间节；13、凸榫；14、条形螺栓孔；15、导管架顶部节；16、基础环；17、螺栓；18、风机塔筒；19、中心钢桩；A、海平面；B、海床面；C、工后沉降。

具体实施方式：

参见附图：

一种海上风电工程导管架基础，包括中心钢桩19与桩外导管架组装节，桩外导管架组装节由一个导管架底部节7、多个导管架中间节12、一个导管架顶部节15连接而成，组装后的桩外导管架组装节套住竖直的中心钢桩19沉入海底压在底托与限位板上，风机塔筒18连接在导管架顶部节15上，风机的重力基于桩外导管架组装节直接传递给海床，风机受到的水平荷载与弯矩由中心钢桩19与海床土体共同承担，由此构成风电工程新型导管架基础。

导管架底部节7是由四个竖向圆钢管和横向、斜向 联接钢管焊接成的对称性空间框架结构，导管架底部节7的中部通过钢管焊接有中心套筒8，导管架底部节7的四个竖向圆钢管上部设有螺栓孔11、下部通过三角形加筋肋10与扩展盘9焊接相连，如图5与图6所示。

导管架底部节7上的扩展盘9可以把上部荷载扩散至更大的面积上去，有效减小应力集中程度；通过多个三角形加筋肋10与竖向圆钢管的焊接相连，使扩展盘9与导管架之间的连接紧密、牢固，满足复杂工况下荷载的传递要求。

导管架中间节12是由四个竖向圆钢管和横向、斜向 联接钢管焊接成的对称性空间框架结构，导管架中间节12的中部通过钢管焊接有中心套筒8，导管架中间节12的四个竖向圆钢管上部设有螺栓孔11、下部设有带条形螺栓孔14的凸榫13，如图7所示。

导管架顶部节15由四个倾斜的圆钢管和横向、斜向联接钢管焊接成的锥台型对称性空间框架结构，导管架顶部节15的中部通过钢管焊接有中心套筒8，导管架顶部节15上部各钢管与基础环16焊接相连，基础环16上均匀的设有多个螺栓孔供连接风机塔筒18使用，导管架顶部节15的四个圆钢管下部设有带条形螺栓孔14的凸榫13，如图8所示。

导管架底部节7、导管架中间节12与导管架顶部节15底部的横截面完全相同，各构件可通过凸榫13插入对应的圆钢管上部并用螺栓17固定实现相互连接。凸榫13的直径小于导管架四角圆钢管的中空内径，凸榫13应有足够的长度使上下导管架之间的连接牢固与紧密；凸榫13上条形螺栓孔14的宽度大于螺栓孔11的直径，凸榫13上条形螺栓孔14的长度大于螺栓孔11直径的三倍以上。导管架四角圆钢管上部螺栓孔11的方位与下部凸榫13的方位应完全对应，确保各导管架之间的凸榫13与螺栓孔11位置相互匹配，相互通过螺栓17实现固定与连接。

导管架底部节7与中间节12的连接如图9所示，导管架中间节12与顶部节15的连接如图10所示，导管架顶部节15与风机塔筒18的连接如图11所示。各构件的相互连接形成桩外导管架组装节，共同承担风机的竖向荷载。

由于各导管架承受较大的风机竖向荷载，导管架的空间构型使四角圆钢管受到的上拔力较小，故凸榫13处的螺栓17一般不会受到较大的荷载，其作用主要是实现各构件的准确定位与连接，维持导管架的整体性。条形螺栓孔14的尺寸大于螺栓孔11，是为了方便螺栓17的连接与固定。

导管架底部节7、导管架中间节12与导管架顶部节15三者的中心套筒8尺寸完全相同，中心套筒8的内径大于中心钢桩19的外径1~2cm，使导管架基于中心套筒8能够套在中心钢桩19上顺利的滑入海床。为了减少相互摩擦，甚至可以在中心套筒8的内壁及中心钢桩19的外壁上涂抹润滑剂。

导管架底部节7、导管架中间节12与导管架顶部节15三者的长度可以相同，也可以不相同，三者的长度可根据构件的合理重量进行设计，各构件的长度可取标准模数。通常风机工程中根据海水深度需要多个导管架中间节12进行续接，其可进行标准化、规格化制作。

底托包括钢板加工成型的圆环盘1，圆环盘的中部为限位套环3，限位套环3基于多根肋条2均匀的与圆环形钢板下部焊接连接，圆环形钢板的四周焊接有裙板4，圆环盘1整体呈轴对称状态，如图1与图2所示。

圆环盘1的四周焊接有一定高度的裙板4，其作用是保护圆环盘1正下方的海床土体免受海流的冲刷，对土体具有约束与固定作用，从而维护基础周边土体的整体性，对提高导管架基础的稳定性有利。

限位板为钢板加工成的圆盘5，其中部开孔并与限位套筒6焊接相连，圆盘5的上部呈平面状态，如图3与图4所示。圆盘5的外径略大于圆环盘1上内部空心环的直径，圆环盘1上内部空心环的直径小于导管架底部节7上四个扩展盘9中心组成的圆的直径。圆环盘1上的限位套环3与圆盘5上的限位套筒6的中空内径大于中心钢桩19的外径1~2cm。

圆环盘1与圆盘5的作用是把上部风机的竖向荷载传递、扩散至更大的海床土体中去。限位套筒6套住中心钢桩19后，圆盘5整体呈水平状态，且圆盘5只能沿着中心钢桩19发生向下的竖向沉降。由于圆盘5的外径略大于圆环盘1上内部空心环的直径，故圆环盘1外径范围内的海床土体均受到上部竖向荷载的直接作用。

之所以设计圆环盘1与圆盘5，是为了减少单个构件的重量，方便海上施工。通过化整为零的办法，圆环盘1与圆盘5组合后使得圆环盘1外径范围内的海床土体均直接承担竖向荷载，扩大了受力面积。

可根据荷载组合及海床地质条件设计相应圆环盘1与圆盘5的尺寸。当圆环盘1的尺寸足够大时，风机竖向荷载作用在圆环盘1上使海床产生的沉降在可接受范围内，通过设计相应桩外导管架组装节的长度使其满足、适应沉降需要，即桩外导管架组装节发生足够的工后沉降后，其基础高度仍能满足风机的正常运行需要，如图17与图18所示。

中心钢桩19对圆环盘1、圆盘5及桩外导管架组装节具有定位、水平约束的作用，确保桩外导管架组装节处于铅垂状态，从而维护上部风机的正常姿态。中心钢桩19应有足够的强度与刚度，能维持桩外导管架组装节的铅垂特性。

导管架底部节7、导管架中间节12、导管架顶部节15、圆环盘1、圆盘5均由钢材焊接而成，各构件、焊缝及整体结构的强度应满足复杂工况下组合荷载的作用需求而不发生屈服，各构件应满足应力集中需要而不发生超过规范允许的过大变形。

本实用新型施工过程详细描述如下：

1）、设计与制作导管架基础：

根据海水深度、海床地质条件、风机荷载组合等参数，设计相应中心钢桩19、导管架底部节7、导管架中间节12、导管架顶部节15、圆环盘1、圆盘5的规格与尺寸，并焊接与制作相应导管架基础。

所设计圆环盘1的直径应满足应力扩散的需要，桩外导管架组装节的长度应能适应工后沉降的需要，中心钢桩19应能抵抗水平荷载与弯矩而不发生侧移与倾斜，各构件的强度应能承受复杂工况下组合荷载的作用而不发生屈曲与变形。

2）、打入中心钢桩19：

在设计指定的海域打入中心钢桩19，并使其铅垂度、入土深度等满足要求，如图12所示。

中心钢桩19虽然不承担竖向荷载，但桩外导管架组装节的稳定性靠其维持，中心钢桩19的姿态决定了上部风机的姿态。故中心钢桩19应有足够的入土深度、强度与刚度，在荷载组合作用下其仍能保持铅垂状态。

3）、套入圆盘5：

使圆盘5平整的一面朝上，基于圆盘5中部的限位套筒6套住中心钢桩19，使圆盘5沿着中心钢桩19竖直滑入海中接触海床，如图13所示。

由于中心钢桩19对限位套筒6的定位与限制作用，使得圆盘5与海床面呈水平状接触，在后续竖向荷载的作用下其将与海床土体进一步紧密接触。圆盘5只能沿着中心钢桩19发生竖向沉降。

4）、套入圆环盘1：

使圆环盘1的圆平面朝上、肋条2朝下，基于圆环盘1中部的限位套环3套住中心钢桩19，使圆环盘1沿着中心钢桩19竖直滑入海中压在圆盘5上，如图14所示。

由于中心钢桩19对限位套环3的定位与限制作用，使得圆环盘1与圆盘5呈水平状接触，且只能发生竖向沉降。圆环盘1外径范围内的土体都将直接承担上部结构传递过来的竖向荷载。

5）、套入桩外导管架组装节：

根据设计方案，依次起吊一个导管架底部节7、多个导管架中间节12、一个导管架顶部节15，使各构件的中心套筒8套住中心钢桩19滑入海中压在圆环盘1上，并使上部导管架的凸榫13插入对应下部导管架的圆钢管并用螺栓17固定与相连，由此形成导管架底部节7在最下面、导管架顶部节15在最上面的桩外导管架组装节，如图15所示。

施工过程中，可根据起吊设备的参数灵活进行各构件的组装。可把多个导管架构件在船上用螺栓连接后形成的局部组装结构起吊套入中心钢桩19，再在水中实现多个分组构件的组装与连接。

由于各导管架的中心套筒8内径略大于中心钢桩19的外径，故各导管架在自重的作用下沿着中心钢桩19呈铅垂状态的下沉，最终压在圆环盘1上。

6）、连接风机塔筒18：

起吊风机塔筒18，通过螺栓使其与导管架顶部节15上的基础环16相互固定与连接，进而完成上部风机的其它安装工作，如图16所示。

在风机重力作用下，桩外导管架组装节沿着中心钢桩19发生竖向沉降，只要桩外导管架组装节的长度足够大，能满足、适应海床土体工后沉降的需要，就能维持风机塔筒的足够高度，确保风机的正常运行。

本实用新型不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海上风电工程导管架基础，其特征在于，包括打入指定海域的中心钢桩，中心钢桩外依次套入限位板、底托、桩外导管架组装节，限位板沿着中心钢桩下滑并接触海床；

所述桩外导管架组装节由导管架底部节、多个导管架中间节、导管架顶部节依次连接构成，导管架底部节下端压住底托，导管架顶部节上端连接有风机塔筒。

2.根据权利要求1所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的限位板为钢板加工成的圆盘，其中部开孔并与限位套筒外壁焊接相连，圆盘的上端面呈平面状态。

3.根据权利要求1所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述底托包括钢板加工成型的圆环盘，圆环盘环壁上焊接有裙板，圆环盘上端面为平面，圆环盘中部设有限位套环，限位套环与圆环盘下端面均匀分布的多根肋条靠近中心端焊接固定。

4.根据权利要求1所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的导管架底部节是由四个竖向圆钢管和横向、斜向联接钢管焊接成对称性空间框架结构；

对称性空间框架结构为四个竖向圆钢管分布于四个拐点，相邻两个圆钢管外壁上下端连接横向联接钢管构成矩形框，矩形框对角线处连接斜向联接钢管；四个竖向圆钢管中部设有与中心钢桩外壁相配合的中心套筒，中心套筒外壁与四个竖向圆钢管也通过斜向联接钢管焊接；

四个竖向圆钢管上部设有螺栓孔，下部通过三角形加筋肋与扩展盘焊接相连。

5.根据权利要求1或4所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的导管架中间节与导管架底部节空间结构相同，也是由四个竖向圆钢管和横向、斜向联接钢管焊接成的对称性空间框架结构，导管架中间节中部通过斜向联接钢管焊接有与中心钢桩外壁相配合的中心套筒；四个竖向圆钢管上部设有螺栓孔；下部设有带条形螺栓孔的凸榫。

6.根据权利要求1所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的导管架顶部节由四个倾斜的圆钢管和横向、斜向联接钢管焊接成的锥台型对称性空间框架结构；

锥台型对称性空间框架结构为四个倾斜的圆钢管分布于四个拐点，相邻两个圆钢管外壁上下端连接横向联接钢管构成锥形框，锥形框对角线处连接斜向联接钢管；四个倾斜的圆钢管中部设有与中心钢桩外壁相配合的中心套筒，中心套筒外壁与四个倾斜圆钢管也通过斜向联接钢管焊接；

四个倾斜的圆钢管上端与基础环焊接相连，基础环上均匀的设有多个供连接风机塔筒使用的螺栓孔，四个倾斜的圆钢管下部设有带条形螺栓孔的凸榫。

7.根据权利要求1所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的导管架底部节、导管架中间节与导管架顶部节底部的横截面相同，各构件可通过凸榫插入对应的圆钢管上部并用螺栓固定实现相互连接。

8.根据权利要求1所述的海上风电工程导管架基础，其特征在于，所述的底托上的限位套环与限位板上的限位套筒的内孔直径大于中心钢桩的外径1~2cm。