一种海上风电工程钢桩基础及其施工方法与流程

技术领域：

本发明涉及海上风电工程领域，尤其涉及一种海上风电工程钢桩基础及其施工方法。

背景技术：
：

海上风电作为一种绿色清洁能源，由于其资源丰富、风速稳定、对环境的负面影响较少、视觉干扰小、可大规模开发等优势，一直受到各国的青睐。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，其中单桩基础是应用最多的基础形式。欧洲海上风电工程的近2000台基础中，有70%为单桩基础。

海上风电单桩基础具有制造简单、不需整理海床的特点，该类基础由焊接钢管组成，桩和塔架之间可以是法兰连接，也可以是通过转换平台调平后再连接，通过塔筒和钢桩传递风机荷载。桩的直径根据负荷的大小而定，一般为3~5m，壁厚约为桩直径的1%。在我国江苏的如东潮间带风电场工程的海上桩基础采用了质量285t、直径5m、高度42m的单桩钢管桩基础，完成钢管桩加工后，将其运至码头上用600t起重船装上2000t驳船，运至风电场场址，根据潮间带的水文情况，需要在高潮位时赶潮运至风场。

可见，传统的单桩基础具有直径大、长度大、重量大的特点，需要大型起重与运输设备，施工难度大。而海上大型起重与运输设备资源非常有限，且潮间带水位无法供大型施工船进入，使得单桩基础的施工受到诸多因素的限制，施工效率较低。

一般地，上部风机的竖向荷载由单桩基础与土体之间的摩擦力承担，故单桩基础需要足够的长度；风机的水平荷载由单桩基础与海床土体共同提供的强度与刚度控制，故单桩基础需要足够的截面积与直径。较大的竖向荷载、水平荷载、弯矩的组合作用下，传统单桩基础的直径、长度取值需较大才能满足要求。

若能改变单桩基础的受力途径，使上部结构的竖向荷载由海床土体直接承担，而单桩基础仅承担水平荷载与弯矩，则可以大大减少单桩基础的直径与长度尺寸，进而降低其总重量，方便海上施工。

可见，有必要探讨海上风电工程中简单、实用的新型钢桩基础及其施工方法，促进现有技术的革新与进步。

技术实现要素：
：

为了弥补现有技术问题的不足，本发明的目的是提供一种海上风电工程钢桩基础及其施工方法，其竖向荷载由海床土体直接承担，而水平荷载由钢桩与海床共同承担，单个构件重量小、施工方便，为海上风电工程单桩基础提供一种新构型。

本发明的技术方案如下：

海上风电工程钢桩基础，其特征在于，包括打入指定海域的中心钢桩，中心钢桩上依次套装有底托、桩外套筒，底托沿着中心钢桩下滑并接触海床，桩外套筒下端压住底托，桩外套筒上端连接有风机塔筒。

所述的海上风电工程钢桩基础，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筒，限位套筒与圆环盘上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钢桩基础，其特征在于，所述桩外套筒包括底部套筒、多个中部套筒、顶部套筒，底部套筒、多个中部套筒、顶部套筒依次连接固定，底部套筒工作时压住底托，顶部套筒与风机塔筒相连接。

所述的海上风电工程钢桩基础，其特征在于，所述底部套筒由钢管外均匀、对称的焊接多个条形板构成，整体呈轴对称状态，底部套筒顶部焊接有与中部套筒相连接的法兰盘，法兰盘上均匀设有螺栓孔，法兰盘与钢管外壁之间均匀设有多个小三角形加筋肋，底部套筒的底部焊接有压在底托上的圆盘，圆盘与钢管外壁之间均匀设有多个大三角形加筋肋，圆盘上端面还设有多个径向设置与大三角形加筋肋间隔分布的矩形加筋肋；大三角形加筋肋与小三角形加筋肋位置相互对应且与条形板间隔布置，条形板下端位于在两个矩形加筋肋之间。

所述的海上风电工程钢桩基础，其特征在于，所述的中部套筒由钢管外均匀、对称的焊接多个条形板而成，整体呈轴对称状态，钢管的两端焊接有法兰盘，法兰盘上均匀设有螺栓孔，法兰盘与钢管之间均匀设有多个小三角形加筋肋。

所述的海上风电工程钢桩基础，其特征在于，所述的顶部套筒与底部套筒的外形构造基本相同，区别仅在于顶部套筒的圆盘上均匀、对称的设有多个螺栓孔，供连接风机塔筒使用。

所述的海上风电工程钢桩基础，其特征在于，所述的底部套筒、中部套筒、顶部套筒三者的钢管尺寸相同，钢管内径大于中心钢桩外径1~2cm，各套筒可基于法兰盘上螺栓孔用螺栓进行相互固定与连接，个套筒外壁上的条形板、小三角形加筋肋、大三角形加筋肋位置相互对应。

一种海上风电工程钢桩基础的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、设计与制作钢桩基础：

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、底部套筒、中部套筒、顶部套筒、圆环盘的规格与尺寸，并焊接与制作相应钢桩基础；

2）、打入中心钢桩：

在设计指定的海域打入中心钢桩，并使其铅垂度、入土深度等满足要求；

3）、套入底托：

使圆环盘平整的一面朝上，基于圆环盘中部的限位套筒套住中心钢桩，使圆环盘沿着中心钢桩滑入海中接触海床；

4）、套入桩外套筒：

根据设计方案，把一个底部套筒、多个中部套筒、一个顶部套筒基于法兰盘上的螺栓孔用螺栓进行相互固定与连接构成桩外套筒；起吊桩外套筒，把桩外套筒的钢管套住中心钢桩，底部套筒在最下面，顶部套筒在最上面，使桩外套筒沿着中心钢桩滑入海中压在圆环盘上；

5）、连接风机塔筒：

起吊风机塔筒，通过螺栓使其与顶部套筒的圆盘相互固定与连接，进而完成上部风机的其它安装工作。

本发明的有益效果是：

1、本发明上部风机结构的竖向荷载通过桩外套筒作用在圆环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、本发明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；

3、本发明底托的圆环盘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，由于桩外套筒与中心钢桩两者是分离的，即使桩外套筒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套筒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为本发明的底托俯视图。

图2为本发明的底托仰视图。

图3为本发明的底部套筒俯视图。

图4为本发明的底部套筒仰视图。

图5为本发明的中部套筒结构示意图。

图6为本发明的顶部套筒结构示意图。

图7为本发明的各套筒连接示意图。

图8为本发明施工中心钢桩示意图。

图9为本发明底托套入中心钢桩示意图。

图10为本发明各套筒套入中心钢桩示意图。

图11为本发明连接风机塔筒示意图。

图12为本发明的剖面图。

图13本发明中心钢桩外的套筒发生工后沉降示意图。

附图标记说明：1、圆环盘；2、肋条；3、限位套筒；4、裙板；5、底部套筒；6、条形板；7、法兰盘；8、小三角形加筋肋；9、螺栓孔；10、圆盘；11、大三角形加筋肋；12、矩形加筋肋；13、中部套筒；14、顶部套筒；15、螺栓；16、中心钢桩；17、风机塔筒；a、海平面；b、海床面；c、工后沉降。

具体实施方式：

参见附图：

一种海上风电工程钢桩基础，包括打入指定海域的中心钢桩16，中心钢桩16上依次套装有底托、桩外套筒，底托沿着中心钢桩16下滑并接触海床，桩外套筒下端压住底托，桩外套筒上端连接有风机塔筒17。

桩外套筒由一个底部套筒5、多个中部套筒13、一个顶部套筒14基于螺栓15连接而成，组装后的桩外套筒套住中心钢桩16沉入海底压在底托的圆环盘1上，风机塔筒17连接在顶部套筒14上，风机的重力基于桩外套筒直接传递给海床，风机受到的水平荷载由中心钢桩16与海床土体共同承担，由此构成风电工程新型钢桩基础。

底部套筒5由中空的钢管外均匀、对称的焊接多个条形板6而成，整体呈轴对称状态，底部套筒5的顶部焊接有法兰盘7，法兰盘7上均匀设有螺栓孔9，法兰盘7与钢管之间均匀设有多个小三角形加筋肋8，底部套筒5的底部焊接有圆盘10，圆盘10与钢管之间均匀设有多个大三角形加筋肋11与矩形加筋肋12，如图3与图4所示。

底部套筒5上的圆盘10可以把上部荷载扩散至更大的面积上去，故圆盘10的面积较大。通过多个大三角形加筋肋11与矩形加筋肋12的加固，使圆盘10与上部的中空套筒及条形板6之间的连接紧密、牢固，满足复杂工况下荷载的传递要求。

中部套筒13由中空的钢管外均匀、对称的焊接多个条形板6而成，钢管的两端焊接有法兰盘7，法兰盘7上均匀设有螺栓孔9，法兰盘7与钢管之间均匀设有多个小三角形加筋肋8，如图5所示。中部套筒13整体呈轴对称状态，也呈上下对称状态，两侧的法兰盘7无方向性区别。

顶部套筒14与底部套筒5的外形构造基本相同，区别仅在于顶部套筒14的圆盘10上均匀、对称的设有多个螺栓孔9，供连接风机塔筒17使用，如图6所示。风机塔筒17底部法兰上的螺栓孔与顶部套筒14上圆盘10的螺栓孔完全相对应，两者通过螺栓可实现相互的连接与固定。

底部套筒5、中部套筒13、顶部套筒14三者的中空钢管尺寸完全相同，该中空钢管的内径大于中心钢桩16的外径1~2cm，各套筒可基于法兰盘7上的螺栓孔9用螺栓15进行相互固定与连接，如图7所示。

底部套筒5、中部套筒13、顶部套筒14三者的长度可以相同，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，如取80cm、100cm、120cm等都可以。通常风机工程中根据海水深度需要多个中部套筒13进行续接，其可进行标准化、规格化制作。

在连接底部套筒5、中部套筒13、顶部套筒14的过程中，应使各套筒上的条形板6上、下位置相同，这样可以减小应力集中，使竖向荷载能够有效相互传递。中空钢管的内径大于中心钢桩16的外径1~2cm，是为了使桩外套筒能够套在中心钢桩16上顺利的滑入海床。为了减少相互摩擦，甚至可以在桩外套筒的内壁及中心钢桩16的外壁上涂抹润滑剂。

圆环盘1的中部为限位套筒3，限位套筒3基于多根肋条2均匀的与圆环形钢板上部焊接连接，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，且其顶部呈平面状，如图1与图2所示。底部套筒5上圆盘10的直径略大于圆环盘1上内部空心环的直径。圆环盘1上中部限位套筒3的中空内径大于中心钢桩16的外径1~2cm。

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，从而维护桩周土体的整体性，对提高钢桩基础的稳定性有利。

圆环盘1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3套住中心钢桩16后，圆环盘1整体呈水平状态，且圆环盘1只能沿着中心钢桩16发生向下的竖向沉降。由于底部套筒5上圆盘10的直径略大于圆环盘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。

可根据荷载组合及海床地质条件设计相应圆环盘1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，通过设计相应桩外套筒的长度使其满足、适应沉降需要，即桩外套筒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12与图13所示。

中心钢桩16对圆环盘1及桩外套筒具有定位、水平约束的作用，确保桩外套筒处于铅垂状态，从而维护上部风机的正常姿态。中心钢桩16应有足够的强度与刚度，能维持桩外套筒的铅垂特性。

底部套筒5、中部套筒13、顶部套筒14与圆环盘1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。

一种海上风电工程钢桩基础的施工方法，详细描述如下：

1）、设计与制作钢桩基础：

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16、底部套筒5、中部套筒13、顶部套筒14、圆环盘1的规格与尺寸，并焊接与制作相应钢桩基础。

所设计圆环盘1的直径应满足应力扩散的需要，桩外套筒的长度应能适应工后沉降的需要，中心钢桩16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16：

在设计指定的海域打入中心钢桩16，并使其铅垂度、入土深度等满足要求，如图8所示。

中心钢桩16虽然不承担竖向荷载，但桩外套筒的稳定性靠其维持，中心钢桩16的姿态决定了上部风机的姿态；故中心钢桩16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）、套入底托：

使圆环盘1平整的一面朝上，基于圆环盘1中部的限位套筒3套住中心钢桩16，使圆环盘1沿着中心钢桩16滑入海中接触海床，如图9所示。

由于中心钢桩16对限位套筒3的定位与限制作用，使得圆环盘1与海床面呈水平状接触，在后续桩外套筒竖向荷载的作用下其将与海床土体进一步紧密接触。圆环盘1只能沿着中心钢桩16发生竖向沉降。

4）、套入桩外套筒：

根据设计方案，把一个底部套筒5、多个中部套筒13、一个顶部套筒14基于法兰盘7上的螺栓孔9用螺栓15进行相互固定与连接，形成桩外套筒，起吊桩外套筒，把套筒的中空钢管套住中心钢桩16，底部套筒5在最下面，顶部套筒14在最上面，使桩外套筒沿着中心钢桩16滑入海中压在圆环盘1上，如图10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，可把多个套筒在船上用螺栓连接后形成的分段套筒起吊套入中心钢桩16，再在水中实现多个分段套筒的组装与连接。

由于桩外套筒的中空钢管内径略大于中心钢桩16的外径，故桩外套筒在自重的作用下沿着中心钢桩16呈铅垂状态的下沉，最终压在圆环盘1上。

5）、连接风机塔筒17：

起吊风机塔筒17，通过螺栓使其与顶部套筒14的圆盘10相互固定与连接，进而完成上部风机的其它安装工作，如图11所示。

在风机重力作用下，桩外套筒沿着中心钢桩16发生竖向沉降，只要桩外套筒的长度足够大，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。

本发明所提的海上风电工程钢桩基础，上部风机结构的竖向荷载通过桩外套筒作用在圆环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。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，特别是方便在潮间带进行风电工程施工作业。只要设计得当，桩外套筒的工后沉降对中心钢桩无影响，对风机的正常运行也无影响。

本发明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，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。