一种海上风电单桩复合带翼新型筒形基础及其施工方法

技术领域

本发明涉及海上风电基础结构领域，具体来说涉及一种海上风电单桩复合带翼新型筒形基础及其施工方法。

背景技术

能源问题是制约人类社会发展，经济进步的重大问题。风能作为一种可再生生清洁能源，引起了世界各国的重视。海上风资源与路上风资源相比，具有噪声小、风速较高、对环境影响小且湍流强度小等有点，故风电产业的发展逐渐趋于上海风电场。海上风电建设过程中，风机基础的建设尤为重要。

海上风电基础的结构形式多样，目前海上风机基础的形式通常为单桩基础，高桩承台基础、三脚架基础、导管架基础、重力式基础、浮式基础、筒型基础等基础型式。

目前采用较为广泛的为单桩基础和筒形基础，单桩基础通常由单根大直径钢管构成，下部插入土中，能够提供较大的竖向承载力。由于其结构简单，承载机理研究相对成熟，因此得到了广泛的应用。对于单桩基础来说，在承受波浪流等较大的横向荷载和弯矩作用时，其抵抗横向荷载的能力及抗倾覆能力相对较弱，泥面处容易发生较大变形，导致桩头即机组处位移过大，发生失稳破坏。若在更加复杂的海洋环境中依旧采用单桩基础时，需增大桩的直径和壁厚，由此会大幅度增加桩的成本和施工难度。

筒形基础属于短粗的钢性桩，是开口形的圆筒，靠自重及负压下沉，能够有效抵抗波浪、海流等产生的水平荷载，同时具有较好的抗倾覆能力，施工费用较小。如果在复杂的海洋环境条件下，筒形基础需承受较大的竖向、水平及倾覆荷载作用时，通常需要增大筒形基础的直径或筒体深度，由此引发了两个方面的问题，第一个方面：筒形基础尺寸的增大会产生高昂的基础建造成本和施工成本；第二个方面：筒形基础在海洋中承受由非共面荷载产生的扭矩时，其尺寸越大，结构发生扭转破坏的可能性越大。对于因风电基础承受由非共面荷载过大发生的扭转破坏，在基础设计方面尚未得到合理的解决方案。

因此，为解决海上风电基础竖向、水平和弯矩承载力问题及克服现有基础的抗扭转不足，本发明提出一种四周带有翼板的新型筒形基础和单桩基础组合的结构形式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海上风电单桩复合带翼新型筒形基础及其施工方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种海上风电单桩复合带翼新型筒形基础，包括带有翼板的筒型基础和单桩；

所述带有翼板的筒型基础包括筒裙、顶盖、护筒和翼板，所述筒裙上端连接顶盖，顶盖中心处形成一圆孔，圆孔上部设置与顶盖连接的护筒，所述筒裙外壁辐呈射状等间距设置翼板；

所述单桩于所述顶盖的圆孔处贯穿设置于所述带有翼板的筒型基础的中心处，所述单桩与所述护筒之间通过高强灌浆材料连接固定。

在上述技术方案中，所述单桩的上端通过法兰盘与风力机塔筒的底部连接。

在上述技术方案中，所述单桩的直径为3～10m，长度为40～80m，壁厚为60～80mm。

在上述技术方案中，所述翼板的顶部与筒型基础的顶板下表面平行，下部与筒裙底面齐平。

在上述技术方案中，所述翼板的数量为3～12个。

在上述技术方案中，所述翼板的宽度为1-3米，厚度为10-30mm。

一种海上风电单桩复合带翼新型筒形基础的施工方法，按照下述步骤进行：

首先预置单桩与带有翼板的新型筒型基础；然后将筒型基础负压沉放入海床中；再在筒型基础中间打入单桩；接着在筒型基础和钢管桩间浇灌高强混凝土材料；最后于单桩的顶部安装风机塔筒。

本发明的优点和有益效果为：

1.本发明通过高强混凝土灌浆材料将单桩和带有翼板的筒型基础连接，能够充分发挥海床浅层土的抗力，增强风电基础整体抵抗横向荷载、弯矩和倾覆荷载及由非共面荷载产生的扭矩的能力。翼板和筒体能够有效减小泥面处的桩身位移，从而达到减小桩的直径和厚度的目的，进而在增强基础整体稳定性的同时减少了针对大直径钢管桩的打桩成本。竖向荷载主要由单桩承担，带有翼板的筒型基础能够分担部分荷载；风浪流等产生的水平荷载和弯矩荷载主要由带有翼板的筒型基础承担，单桩也起到了一定的作用。

2.本发明筒型基础周围的翼板随筒型基础一起沉入到海床面，增大了基础与土的接触面积，在一定程度上提高了基础整体的竖向和水平的承载能力，同时加强了整个基础的抗扭转能力，限制了基础在循环荷载作用下桩身位移。

3.本发明安装步骤简单，施工难度小，首先将带翼新型筒形基础预先沉放到指定位置，随后进行打桩施工，在二者之间的空隙浇灌混凝土，筒形基础的沉放也能有效改善桩基的定位问题，方便整体施工。

附图说明

图1为本发明一种海上风电单桩复合带翼新型筒形基础的平面结构示意图。

图2为本发明中带有翼板的筒型基础的立体结构示意图。

其中：1、单桩；2、带有翼板的筒型基础；3、翼板；4、护筒；5、高强灌浆材料；6、法兰盘；7、风力机塔筒；8、筒裙；9、顶盖；10、非共面荷载；11、由非共面荷载产生的扭矩。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如附图1和2所示，一种由单桩、带有翼板的新型筒型基础的海上风电基础结构，包括单桩、灌浆材料、新型筒型基础、法兰盘和风力机塔筒。

所述实例的单桩为钢管桩，直径为4.5m，桩长50m。筒型基础为顶板开口的钢制筒，开口直径为4.66m，其开口大小与钢管桩直径相关，筒型基础顶板的开口直径比钢管桩的外径大0.16m，用于浇灌高强度混凝土材料将二者进行连接。筒型基础直径为12m，翼板与筒型基础采用焊接形式进行连接，翼板高度与筒型基础顶板下部齐平，即在安装后恰好与海床面齐平；翼板宽度2米，厚度为20mm，共设4个，以辐射状均匀分布在以单桩为圆心的圆周上。

所述筒型基础设置在海床之中，其顶板下边缘与海床面齐平，筒型基础的外径选择10m，高度选择4m，壁厚选择30mm，筒型基础外围翼板的数量为4个，单桩直径选择6m，长度选择60m。筒形基础中部开口尺寸与单桩外径间的关系，即灌浆材料区域的厚度可根据实际工程受力进行计算取值。

具体施工过程中：首先预置单桩与带有翼板的新型筒型基础；然后将筒型基础负压沉放入海床中；再在筒型基础中间打入单桩；接着在筒型基础和单桩间浇灌高强混凝土材料；最后安装风机塔筒。

实施例2

在上述实施例的基础上，所述筒型基础外围翼板的数量还可选择设置为3～12个任一数量，具体根据实际受力情况确定。所述翼板是海上风电单桩复合带翼新型筒形基础的关键，翼板在实际使用过程中插入到海床中，能够利用浅层土的抗力，有效抵抗海洋中因非共面荷载产生的扭矩和风浪流等水平荷载作用，限制筒型基础的位移，进而起到限制桩身泥面处位移的效果，使风电基础不致产生过大的水平位移，提高结构整体的复合承载能力。在一定程度上弥补了现有基础难以抵抗因非共面荷载产生的扭矩的问题，保证了风电基础在风浪流等复杂荷载作用下的稳定性，进而增大了基础在复杂海洋条件下的适用性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。