一种混凝土支撑结构的四个筒型基础组合式基础结构体系的制作方法

本发明涉及一种港口、海洋、水利和桥梁工程的基础结构领域，具体的说，是涉及一种多筒组合以优化筒型基础受力的基础结构。

背景技术：

目前，在海洋工程领域如海上风力发电工程中，基础结构通常有桩基础、重力式基础、导管架式基础、负压基础和浮式平台等形式，这些基础结构通常需要大型机具进行运输和安装，造成施工费用较高，施工周期较长。相比传统基础结构而言，筒型基础由于其造价低廉、施工便捷、使用安全可靠、可回收复用等特点被广泛应用于海洋工程中。

但是，海上风力发电基础结构所处环境十分复杂，所受荷载除了上部结构传递下来的风机塔架等结构重量的竖向力外，还有风荷载传递到基础结构的水平力和弯矩，以及波浪、海流、海冰荷载等。大弯矩荷载一般导致需要筒型基础直径较大，而大直径单筒基础的施工限制条件较多，如其运输和安装过程需要大型机具等。

因此，如何设计合理的基础形式和传力体系，将上部荷载安全有效地传递到筒型基础，并最大可能的发挥筒型基础的承载力，克服大直径单筒基础的施工限制是筒型基础设计中的一个关键环节。

技术实现要素：

本发明要解决的是现有技术中存在的上述问题，提供一种混凝土支撑结构的四个筒型基础组合式基础结构体系，通过斜向薄片式变截面混凝土结构和混凝土圆柱结构形成类似异形柱的混凝土支撑结构，有效地将上部结构传递下来的较大弯矩，在筒型基础处近似转化为拉力和压力，以发挥筒型基础最大的承载力，节省材料，并且在施工中可实现“浮运-下沉-调平”成套技术，施工周期短，降低海上风电场建设成本。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种混凝土支撑结构的四个筒型基础组合式基础结构体系，包括四个筒型基础，其特征在于，四个所述筒型基础的中心点连线构成一个正方形，每个所述筒型基础顶部连接有一个混凝土压载舱结构，所述混凝土压载舱结构的中心轴与其连接的所述筒型基础的中心轴共线；相邻两个所述混凝土压载舱结构之间连接有一个竖向混凝土连接件，所述竖向混凝土连接件与所连接的两个所述混凝土压载舱结构的中心轴共面；四个所述竖向混凝土连接件之间设置有混凝土连接底板，所述混凝土连接底板位于所述筒型基础与所述混凝土压载舱结构所连接的水平面上；所述混凝土连接底板上部设置有混凝土柱，所述混凝土柱位于四个所述筒型基础所构成正方形的中心处；所述混凝土柱顶部设置有混凝土连接顶板，所述混凝土连接顶板用于连接上部结构；所述混凝土柱与每个所述混凝土压载舱结构之间分别由1-4个斜向薄片式变截面混凝土结构连接，所述斜向薄片式变截面混凝土结构的高度与所述混凝土柱的高度一致，其截面长度由所述混凝土连接顶板至所述混凝土压载舱结构边缘呈连续变化。

其中，所述筒型基础内部设置有多个舱室。

其中，所述筒型基础为钢制圆筒形，外径为10～15m，高度为4～6m。

其中，相邻两个所述筒型基础之间的净距离为1～3倍的所述筒型基础外径。

其中，所述混凝土压载舱结构为开口向上的圆筒形，其外径为10～15m，高度为4～6m。

其中，所述筒型基础周边设置向上延伸的钢质肋板并插入所述混凝土压载舱结构，以实现所述混凝土压载舱结构与所述筒型基础的连接。

其中，所述竖向混凝土连接件的高度与所述混凝土压载舱结构的高度一致且范围为4～6m，厚度为0.5m～1.5m；所述竖向混凝土连接件的上下两边分别与所述混凝土压载舱结构的上下表面齐平。

其中，所述混凝土连接底板和所述混凝土连接顶板的厚度均为0.5m～2m。

其中，所述混凝土柱的高度为10～20m。

其中，所述斜向薄片式变截面混凝土结构的厚度为0.5m～2m。

本发明的有益效果是：

本发明的组合式基础结构体系在四个筒型基础之间采用混凝土支撑结构过渡，并将四个筒型基础连成整体，有利于增加基础结构体系抗倾覆力矩，提高运输过程中的稳定性；混凝土支撑结构可采用现浇工艺，为整体式结构，共同传递上部荷载，增加结构整体刚度。

本发明的组合式基础结构体系通过斜向薄片式变截面混凝土结构和混凝土圆柱结构形成类似异形柱的结构受力体系，有效地将上部结构传递下来的较大弯矩，在筒型基础处近似转化为拉力和压力，以发挥筒型基础最大的承载力和群体效应，结构形式简单，受力体系清晰，节省材料，降低造价。斜向薄片式变截面混凝土结构既节省材料，又能使上部传递下来的荷载更加均匀地扩散到筒型基础，有效避免应力集中。

本发明的组合式基础结构体系与单筒筒型基础相比直径较小，在施工中可实现“浮运-下沉-调平”成套技术，基础结构与塔筒及风机在海上整体安装，在施工过程中能够减少大型机具的使用，所需设备简单，海上安装时间仅需数小时，相对于传统基础结构建设周期短、效率高、安全环保，可使海上风电的建设速度大大提高，建造周期显著缩短，极大地降低海上风电场的建设成本，使海上风电更加具备标准化、模块化开发的条件。

附图说明

图1是本发明所提供的基础结构体系的主视图；

图2是本发明所提供的基础结构体系的俯视图。

图中：1、筒型基础；2、混凝土压载舱结构；3、竖向混凝土连接件；4、混凝土柱；5、斜向薄片式变截面混凝土结构；6、混凝土连接顶板；7、混凝土连接底板。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1和图2所示，本实施例公开了一种混凝土支撑结构的四个筒型基础组合式基础结构体系，包括四个相同的筒型基础1、四个相同的混凝土压载舱结构2、四个相同的竖向混凝土连接件3、一个混凝土圆柱4、四个相同的斜向薄片式变截面混凝土结构5、一个混凝土连接顶板6和一个混凝土连接底板7。

筒型基础1是顶部封闭、底部敞口的圆筒状钢结构基础，外径为15m，壁厚25mm，顶盖厚50mm，筒高5m，其内部通过设置分舱板分成多个舱室。筒型基础1的直径通常为10～15m，高度通常为4～6m；材质可以是钢筋混凝土、钢、钢-钢筋混凝土复合材料；内部可进行分舱处理，也可以不进行分舱处理。分舱板可以组成蜂窝状，包括中心的一个正六边形分舱和均匀设置于其周围的六个相同的边分舱，所有的钢制分舱板长度相等，均为钢制圆形筒型基础1结构直径的0.25倍。

四个筒型基础1在水平面上按照其中心点连线能够构成一个正方形进行排布，相邻两个筒型基础1中心点之间的距离为25m。四个筒型基础1的布置要求为在水平面上呈正方形分布，即四个筒型基础1的中心分别位于该正方形的四个顶点上。相邻两个筒型基础1之间的净距离为1～3倍的筒型基础1外径，这样能够在充分发挥混凝土支撑结构优化筒型基础1承载能力的同时，利用四个筒型基础1的群体效应来提高整体基础结构体系的承载能力。

混凝土压载舱结构2是顶部敞口、底部封闭的一种倒置圆筒状混凝土结构，其外径为15m，壁厚35mm，底部厚50mm，高5m。混凝土压载舱结构2的外径范围是10～15m，高度范围是4～6m。混凝土压载舱结构2的中心轴与其所对应连接的筒型基础1的中心轴共线，且混凝土压载舱结构2的直径与筒型基础1的直径相等。混凝土压载舱结构2结构内部也可设置分舱板，或者在舱壁内侧增加梯形肋板，以增加混凝土压载舱结构2的刚度。通过筒型基础1周边设置延伸出的环形钢质肋板并插入混凝土压载舱结构2来解决混凝土压载舱结构2与筒型基础1之间的连接问题，这种连接方式可以有效避免以往连接节点的应力集中现象，提高结构的整体刚度。

竖向混凝土连接件3呈竖向设置的长方体薄片结构，高度通常与混凝土压载舱结构2的高度一致且范围在4～6m，厚度为0.5m～1.5m，具体尺寸可以根据实际工程进行调整。每相邻两个混凝土压载舱结构2之间连接有一个竖向混凝土连接件3，该竖向混凝土连接件3与所连接的两个混凝土压载舱结构2的中心轴在同一平面上，且竖向混凝土连接件3的上下两边分别与混凝土压载舱结构2的上下表面齐平。混凝土连接底板7为板式混凝土结构，设置在四个竖向混凝土连接件3之间，位于四个筒型基础1与四个混凝土压载舱结构2所连接的水平面上，即混凝土连接底板7围在四个竖向混凝土连接件之间并位于其底端平面。混凝土连接底板7的厚度一般为0.5m～2m，具体尺寸可以根据实际工程进行调整。竖向混凝土连接件3、混凝土连接底板7内部可配置钢筋。混凝土压载舱结构2、竖向混凝土连接件3和混凝土连接底板7的设置进一步提高了四个筒型基础1的整体性，有利于提高实际施工质量，使四个筒型基础之间相互作用产生群体效应，利用四个筒型基础之间的群体效应可避免四个筒型基础1间内力差异过大，从而减小了基础结构体系整体的不均匀沉降。

混凝土柱4为圆柱形混凝土结构，外径为5m，高度为20m，内部可配置钢筋。混凝土柱4设置在四个筒型基础1所构成正方形的中心位置处，其底部连接于混凝土连接底板7上表面，其外径范围为4～6m，高度范围为10～20m。每个混凝土压载舱结构2与混凝土柱4之间分别由一个斜向薄片式变截面混凝土结构5连接，且斜向薄片式变截面混凝土结构5与所连接的混凝土压载舱结构2的中心轴和混凝土柱4的中心轴在同一平面上。每两个相邻斜向薄片式变截面混凝土结构5之间的夹角为90度，其内部可配置钢筋。斜向薄片式变截面混凝土结构5底部连接至混凝土连接底板7，其高度与混凝土柱4高度一致，高度为20m，厚度为0.5m～2m；斜向薄片式变截面混凝土结构5上部截面长度为2.5m，其截面长度由混凝土连接顶板6至混凝土压载舱结构2边缘(靠内侧)呈连续变化。混凝土柱4和四个斜向薄片式变截面混凝土结构5组合形成类似于异形柱的结构受力体系，可以有效地抵抗上部传递下来的较大弯矩，在筒型基础1处近似转化为拉力和压力，以发挥筒型基础最大的承载力和群体效应，这种结构形式节省材料，降低造价，具有很好的经济性。

混凝土连接顶板6为圆形混凝土板式结构，其直径为10m，厚度为0.5m，内部可配置钢筋。混凝土连接顶板6的直径为8～15m，厚度为0.5m～2m。混凝土连接顶板6设置在混凝土柱4和四个斜向薄片式变截面混凝土结构5顶端，用于通过法兰盘等连接结构与上部结构如海上风机塔筒、海洋平台等结构连接，并将上部结构传递下来的荷载和弯矩向下传递到混凝土支撑结构上，进而传递到四个筒型基础1上。

本发明的基础结构体系可以在陆地上整体拼装后再与上部风机进行拼装，通过海上漂浮拖航将其整体拖到施工位置，借助自重及负压实现贯入安装。使用中或使用完毕后还可借助与贯入时反向的气压将所述基础顶升进行回收利用。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。