TWI771453B - 離岸結構 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種具有基礎結構的離岸結構，其中，該基礎結構至少有一第一及一第二型材，該第一型材設計成為一樁且該第二型材設計成為一樁套，該第二型材在一穿透長度上圍封該第一型材，其中，一空隙形成於該第一型材與該第二型材之間，該空隙在總穿透長度上有一澆鑄化合物填料，數個剪力元件設在該第一及/或該第二型材上，該等剪力元件伸入該空隙且實現進入該澆鑄化合物填料的軸向負載耗散，該等剪力元件只設在穿透長度的第一部份長度上，該第一部份長度在該總穿透長度的65至90%之間，且第二部份長度沒有剪力元件，其中，在處於安裝位置時，該第二部份長度形成該穿透長度的上部長度。

Description

離岸結構
本發明係有關於一種具有基礎結構的離岸結構，其中，該基礎結構至少有第一及一第二型材，該第一型材設計成為一樁且該第二型材設計成為一樁套，該第二型材在一穿透長度上圍封該第一型材，其中，一空隙形成於該第一型材與該第二型材之間，該空隙在總穿透長度上有澆鑄化合物填料，剪力元件(shear element)設在第一及/或第二型材上，而且該等剪力元件伸入該空隙且實現進入該澆鑄化合物填料的軸向負載耗散。
本發明特別有關於一種離岸結構上之鑄造連接件。此一鑄造連接件在技術術語中被稱為所謂的「灌漿接頭」。灌漿接頭為對離岸構造之結構完整性至關重要且常在基礎結構或基礎與支撐結構之間構成單一連接件的構造元件。在所謂單樁基礎的情形下，例如，此類連接件出現在單樁與過渡件(transition piece)之間。此外，例如，出現在管架式基礎(jacket foundation)的灌漿接頭包含樁與作為型材的樁套。特別是，在創建離岸風力渦輪機時，所述類型的澆鑄化合物連接件一開始就起關鍵作用。
這些連接件通常包含有不同直徑的兩個圓柱形鋼管，兩者用澆鑄砂漿(casting mortar)互相連接。有較小直徑的管通常被稱為樁，而較大的圍封管(enclosing tube)被稱為樁套或套管(sleeve)。餘留在樁與套管之間的空隙填滿澆鑄砂漿或澆鑄化合物，在技術術語中也被稱為灌漿。此類澆鑄化合物連接件或鑄造連接件主要用來使結構的軸向負載耗散到海底中。澆鑄化合物在固化後的壓縮強度對鑄造連接件的荷重特性至關重要。
先前技術實現鑄造連接件之荷重強度的大幅增加係利用剪力肋條(shear rib)，此外也允許減少必要的澆鑄長度或穿透長度。剪力肋條為緊固至型材之相向側面且突出進入型材之間的空隙，致使彼等被澆鑄化合物圍封的肋條、突出物、腹板或其類似者。利用剪力肋條意謂軸向負載經由接觸表面耗散到澆鑄砂漿中。從而增加剪力轉移接觸表面的尺寸。
在先前技術中，原則上有與沒有剪力肋條的鑄造連接件是有所區別的，已發現利用剪力肋條是有利的。鑄造連接件之荷重能力的調查(例如，參考論文「Betontechnologische Einflüsse auf das Tragverhalten von Grouted Joints」 [「Concrete technology influences on the load-bearing behaviour of grouted joints」] ISBN 978-3-936634-05-1)導致發現，澆鑄砂漿的壓縮強度及勁度，鋼管及鑄造空隙的幾何，鋼管的表面準確度，特別是，剪力肋條的高度及間距，以及型材或鋼管的澆鑄長度對於鑄造連接件的荷重能力有作用。
實務上，已經證明，儘管優化澆鑄長度、剪力肋條的幾何以及其他度量，鑄造連接件的失效還是會發生。
基於本發明的目標因此是要提供一種有改良之荷重及失效特性的離岸結構或離岸結構上之鑄造連接件。
該目標用申請專利範圍請求項1所述的特徵達成。本發明的有利改良可在附屬項中找到。
本發明的一方面有關於一種具有基礎結構的離岸結構，其中，該基礎結構至少有一第一及一第二型材，該第一型材設計成為一樁且該第二型材設計成為一樁套，該第二型材在一穿透長度上圍封該第一型材，其中，一空隙形成於該第一型材與該第二型材之間，該空隙在總穿透長度上有澆鑄化合物填料，例如形式為剪力肋條或其類似者的數個剪力元件設在該第一及/或該第二型材上，該等剪力元件伸入該空隙且實現進入該澆鑄化合物填料的軸向負載耗散，其中，該等剪力元件只設在該穿透長度的第一部份長度上，其中，該第一部份長度在該總穿透長度的65至90%之間，且第二部份長度沒有剪力元件，其中，在處於安裝位置時，該第二部份長度形成該穿透長度的上部長度。
本發明申請人在測試時觀察到，鑄造連接件失效或疲勞的關鍵原因在於沿著澆鑄化合物對角線形成的壓縮線，該等線導致澆鑄化合物中形成裂縫，特別是，在澆鑄長度或穿透長度的上半部，造成澆鑄化合物從型材之外殼的區域逸出。澆鑄化合物從外殼的首次損失導致荷重能力大幅降低，最終可能造成鑄造連接件失效。
這些對角地形成的壓縮線在剪力元件的底面上產生對應反作用力為較佳，結果是，出人意外地發現，提供只在穿透長度的部份長度上提供剪力元件特別有利，特別是，在型材處於安裝位置時，讓穿透長度或澆鑄長度中位於頂端的區域沒有剪力元件。這有利地防止損失澆鑄化合物或澆鑄化合物從型材外殼滲出或推出，結果是，可大幅改善鑄造連接件的荷重強度。
已證明鑄造連接件或離岸結構有以下組態特別有利：第二部份長度有空隙寬度之一至兩倍的長度。型材之間的空隙例如可大約為500毫米寬。第二型材的直徑例如可大約為2.5至3米。
提供的澆鑄化合物例如為水硬性(hydraulically setting)澆鑄化合物，例如高強度混凝土。
該等型材的形式最好為圓柱形鋼管，其中，一鋼管設計成樁而另一鋼管設計成套管。該等型材可為離岸結構之單樁與過渡件的連接件之一部份。
替換地，該等型材可為有管架之離岸結構的基礎之一部份。
在本發明離岸結構的一有利變體中，規定第一型材及/或第二型材在面向空隙的側面上有第二部份長度的降黏性塗層。因此可確保，只在該穿透長度之第一部份長度上或只在該澆鑄長度之第一部份長度上引入由型材與對方之相對運動產生的剪應力於澆鑄化合物中。以此方式確保，澆鑄化合物插塞留在鑄造連接件的上部區域中，該插塞的完整性不受到引入澆鑄化合物之剪應力的不利影響。
由本發明申請人進行的測試已顯示，如果這些裂縫只出現在該穿透長度的第一部份長度或該澆鑄長度的第一部份長度，則澆鑄化合物中的裂縫對於鑄造連接件的荷重能力幾乎不起作用。該插塞隨後可靠地防止該澆鑄化合物從型材的圍封區域或從在型材之間的空隙逸出。
取決於該型材暴露於軸向的壓縮及拉伸負載，可提供該降黏性塗層於該第二型材面向空隙的內側上或者是該第一型材面向空隙的外側上為較佳。在管架的情形下，例如，這可取決於該管架用前打樁(pre-piling)還是用後打樁(post-piling)緊固。
例如，可規定，在該第一型材及/或該第二型材與澆鑄化合物填料之間提供有該穿透長度或該澆鑄長度之第二部份長度的一層彈性材料，膨脹熱塑性材料為較佳。
該澆鑄化合物填料可包含有該穿透長度之第一部份長度的第一澆鑄化合物與有該穿透長度之第二部份長度的第二澆鑄化合物，其中，該第二澆鑄化合物有高於該第一澆鑄化合物的拉伸及/或壓縮強度。例如，該第二澆鑄化合物可經纖維強化或加強。例如，該第二澆鑄化合物可採用纖維混凝土的形式。
便於規定，該第二澆鑄化合物有高於該第一澆鑄化合物的延展性。
原則上，可規定，該澆鑄化合物填料收容有該第二部份長度的一插入件，其選自由包含下列各物之插入件組成的群組：預製混凝土元件、鋼型材及聚合物建築材料，其中，該插入件有高於該澆鑄化合物的拉伸及/或壓縮強度。
已發現，離岸結構上的鑄造連接件有以下組態特別有利：在處於安裝位置時，該空隙至少部份封閉上端側。為此目的，可規定，該樁套有向內突出的上部軸環，在處於安裝位置時，其係部份覆蓋該空隙的上端側，從而防止例如脆性澆鑄化合物逸出或滲出。
替換地，可規定，該樁在端側封閉該空隙的軸環或凸緣。
替換地或另外，可規定，該第一型材或該第二型材有緊固於它的加強件，其係在該穿透長度之第二部份長度上延伸。該加強件便於設在不會暴露於交替性拉伸、壓縮負載的型材上。
本發明係有關於離岸結構1，特別是有關於離岸結構1上之鑄造連接件。以下參考有管架式基礎的離岸結構1來描述本發明。如在一開始提到的，本發明鑄造連接件的原理可應用於離岸結構上的不同類型之連接件。
離岸結構1例如包含塔結構2，過渡件3，所謂的管架4，以及形式為樁6及樁套7之管架4在海底5的錨定。
圖1的離岸結構1已用所謂的前打樁打基礎，亦即，已使用模板及對應工具將樁6打入海底5。緊固至管架4的樁套7已放在被打入的樁6上，後者係穿透樁套7。可固化澆鑄化合物11，例如纖維混凝土或其類似者，已澆入在樁6、樁套7之間的空隙8或環形空間。
樁基礎的另一變體圖示於圖2。此基礎變體一般被稱為後打樁。在此，樁套7首先被打入海底5。管架中各自設計成為樁6的腳插入該等套管。樁6、樁套7之間的空隙同樣填滿可固化澆鑄化合物。
經由管架4被引入海底的軸向力經由澆鑄化合物耗散到樁6中(圖1)或耗散到樁套7中(圖2)。
圖3a及圖3b圖示澆鑄化合物11例如經由樁6引入拉伸或壓縮力於基礎中的典型負載，如圖2所示。負載方向在圖3a及圖3b中用箭頭9表示。
在圖3a中，內部型材為圓柱形樁6，然而圍封內部型材的外部型材形成樁套7。空隙8填滿澆鑄砂漿或水硬性澆鑄化合物11。在引入壓縮力為剪應力的情形下，如圖3a所示，在樁6與樁套7之間出現對角壓縮線10，在某些情況下，這有把澆鑄化合物11從空隙8向上壓出的效果。澆鑄化合物11的運動傾向用箭頭13表示。
本發明申請人已觀察到，特別是，壓縮線10與剪力肋條12底面或有一些其他設計之剪力元件的相互作用產生相反的對角延伸反作用力，導致澆鑄化合物11變脆且被向上驅出空隙8，如箭頭13所示。特別是，澆鑄化合物11從型材之外殼逸出的損失最終造成鑄造連接件失效。圖3a圖示引入軸向壓縮力的負載型材，然而圖3b圖示引入軸向拉伸力的負載型材。
圖4圖示穿過本發明鑄造連接件的部份縱向剖面圖。鑄造連接件(灌漿接頭)以形式為互相穿透之樁6與樁套7之兩個圓柱形鋼型材的形成對應至圖3a及圖3b的組態。樁6及樁套7在穿透長度L合計 上互相穿透，其對應至位於空隙8中之澆鑄化合物11的澆鑄長度或高度。穿透長度L合計 分成第一部份長度L1與第二部份長度L2，其中第二部份長度L2為在樁套7之安裝位置的上部部份長度，且第一部份長度L1形成下部部份長度。
例如形式為剪力肋條12或其他幾何、突出進入空隙8且被澆鑄化合物11圍封的剪力元件在樁套7面向空隙8之側面上以及在樁6面向空隙8之外側上延續穿透長度的第一部份長度L1。根據本發明，穿透長度的部份長度L2沒有剪力元件。剪力肋條12只裝設在穿透長度之第一部份長度L1的區域。第二部份長度L2的高度大約對應至空隙8之寬度的一到兩倍(0.5x(樁套的內徑減去樁的外徑))。
1‧‧‧離岸結構2‧‧‧塔結構3‧‧‧過渡件4‧‧‧管架5‧‧‧海底6‧‧‧樁7‧‧‧樁套8‧‧‧空隙9‧‧‧箭頭10‧‧‧壓縮線11‧‧‧澆鑄化合物12‧‧‧剪力肋條13‧‧‧箭頭L1‧‧‧第一部份長度L2‧‧‧第二部份長L合計‧‧‧穿透長度(L1+L2)
以下參考圖示於附圖的示範具體實施例來描述本發明，其中： 圖1示意圖示離岸風力渦輪機的一部份，其具有已根據後打樁之原理建立的鑄造連接件， 圖2示意圖示一離岸風力渦輪機，其具有已根據前打樁之原理建立的鑄造連接件， 圖3a的部份剖面圖圖示穿過圖2離岸風力渦輪機之基礎的鑄造連接件，其示意圖示作為鑄造連接件之壓縮應力的剪應力， 圖3b為穿過圖2離岸風力渦輪機之基礎鑄造連接件的部份剖面圖，其示意圖示為鑄造連接件之拉伸應力的剪應力，且 圖4圖示穿過本發明鑄造連接件的剖面圖，其圖示剪力元件的配置。
6‧‧‧樁
7‧‧‧樁套
8‧‧‧空隙
11‧‧‧澆鑄化合物
12‧‧‧剪力肋條
L1‧‧‧第一部份長度
L2‧‧‧第二部份長度

Claims (11)

  1. 一種離岸結構，其包含：一基礎結構，其中該基礎結構至少具有一第一及一第二型材，其中該第一型材係組配成為一樁且該第二型材係組配成為一樁套，以及該第二型材在一穿透長度上圍封該第一型材，其中，一空隙係形成於該第一型材與該第二型材之間，該空隙在該穿透長度上有一澆鑄化合物填料，其中，數個剪力元件係設在該第一型材及/或該第二型材上，該等剪力元件延伸至該空隙且使一軸向負載耗散至該澆鑄化合物填料中，該等剪力元件只設在該穿透長度的一第一部份長度上，該第一部份長度是該穿透長度的65%至90%之間，且一第二部份長度沒有剪力元件，其中，在處於一安裝位置時，該第二部份長度形成該穿透長度的一上部長度，其中：(a)該第一型材及/或該第二型材在面向該空隙之一側面具有在該第二部份長度上的一降黏性塗層；及/或(b)在該第一型材及/或該第二型材與該澆鑄化合物填料之間，提供在該穿透長度之該第二部份長度上的一層彈性材料。
  2. 如請求項1之離岸結構，其中該第二部份長度具有至少等於該空隙之一寬度的一長度。
  3. 如請求項1之離岸結構，其中該澆鑄化 合物填料包含在該穿透長度之該第一部份長度上的一第一澆鑄化合物與在該穿透長度之該第二部份長度上的一第二澆鑄化合物，且其中：該第二澆鑄化合物具有高於該第一澆鑄化合物的一拉伸及/或一壓縮強度。
  4. 如請求項3之離岸結構，其中該第二澆鑄化合物具有高於該第一澆鑄化合物的一延展性。
  5. 如請求項1之離岸結構，其中在該穿透長度之該第二部份長度上的該澆鑄化合物填料係經纖維強化及/或加強。
  6. 如請求項1之離岸結構，其中該澆鑄化合物填料收容在該第二部份長度上的一插入件，其中該插入件具有高於該澆鑄化合物的一拉伸及/或一壓縮強度。
  7. 如請求項6之離岸結構，其中該插入件係選自包含下列各者的一插入件群組：預製混凝土元件、鋼型材及聚合物建築材料。
  8. 如請求項1之離岸結構，其中在處於安裝位置時，該空隙的一上端側至少部份封閉。
  9. 如請求項1之離岸結構，其中該樁套具有一向內突出之上部軸環，在處於安裝位置時，其部份覆蓋該空隙的上端側。
  10. 如請求項1之離岸結構，其中，該第一型材或該第二型材具有緊固於它的一加強件，該加強件在該穿透長度之該第二部份長度上延伸。
  11. 如請求項1之離岸結構，其中該等剪力 元件係選自包含下列各者的一群組：剪力肋條及/或剪力腹板。
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