一种海上风电工程的品字形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技术领域，尤其涉及一种海上风电工程的品字形钢桩基础及其施工方法。

背景技术：
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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，而水平荷载与弯矩由多个桩基础组合在一起共同承担，则可以大大减少单个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：
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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的品字形钢桩基础及其施工方法，其竖向荷载由海床土体直接承担，而水平荷载由品字形分布的三根钢桩与海床共同承担，单个构件重量小、施工方便，为海上风电工程的桩基础提供一种新构型。

本发明的技术方案如下：

海上风电工程的品字形钢桩基础，其特征在于，包括三根打入指定海域的、呈品字形分布的钢桩，三根钢桩上套入固定架并沉入海底，每根钢桩上依次套入托板、桩外套筒，托板沉入海中压在固定架上，桩外套筒由一个套筒底部节、多个套筒标准节、一个套筒顶部节依次连接构成，桩外套筒的套筒底部节压在托板上，桩外套筒的套筒顶部节上端连接有风机塔筒。

所述的海上风电工程的品字形钢桩基础，其特征在于，所述的固定架包括分布在钢板上与三根钢桩位置相对应的三个限位套筒一，限位套筒一上端面与三角形钢板上端面平齐，相邻两个限位套筒一外壁与钢板下端面之间设有肋板。

所述的海上风电工程的品字形钢桩基础，其特征在于，所述的套筒底部节由钢管外均匀、对称的焊接六个条形板构成，整体呈轴对称状态，钢管顶部焊接有法兰盘，法兰盘上均匀设有螺栓孔，钢管底部焊接有扩展盘，任意两个相邻条形板中部相对应位置留设一对条形螺栓孔。

所述的海上风电工程的品字形钢桩基础，其特征在于，所述的套筒标准节由钢管外均匀、对称的焊接六个条形板构成，整体呈轴对称状态，套筒标准节的两端焊接有法兰盘，法兰盘上均匀设有螺栓孔，任意两个相邻条形板中部相对应位置留设一对条形螺栓孔。

所述的海上风电工程的品字形钢桩基础，其特征在于，所述的三根钢桩上等高度处相邻套筒底部节外壁条形板之间、相邻套筒标准节外壁条形板之间连接有连接板。

所述的海上风电工程的品字形钢桩基础，其特征在于，所述的套筒顶部节包括与三根钢桩位置相对应的三个限位套筒二，相邻两个限位套筒二外壁对应位置焊接钢板连接，整体呈轴对称状态，每个限位套筒二底部焊接有法兰盘，法兰盘上均匀设有螺栓孔，三个限位套筒二之间的钢板顶部焊接有连接风机塔筒的基础环。

所述的海上风电工程的品字形钢桩基础，其特征在于，所述的套筒底部节、套筒标准节上的钢管与套筒顶部节上限位套筒二的横截面尺寸完全相同，其中空内径大于钢桩的外径1~2cm；套筒底部节、套筒标准节、套筒顶部节可基于法兰盘上的螺栓孔用螺栓进行相互固定与连接。

所述的海上风电工程的品字形钢桩基础，其特征在于，所述的固定架上的限位套筒一与套筒顶部节上限位套筒二的横截面尺寸相同，两者仅长度不同。

一种海上风电工程的品字形钢桩基础的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、设计与制作品字形钢桩基础：

根据海水深度、海床地质条件、风机荷载组合等参数，设计相应钢桩、套筒底部节、套筒标准节、套筒顶部节、固定架、连接板的规格与尺寸，并焊接与制作相应构件。

2）、打入钢桩：

在设计指定的海域打入品字形分布的三根钢桩，并使各钢桩的铅垂度、入土深度等满足要求；

3）、套入固定架：

使固定架平整的一面朝上，基于固定架上的三个限位套筒一套住三根钢桩，使固定架沿着钢桩滑入海中并接触海床；

4）、套入托板：

基于托板中部的孔洞套住钢桩，使托板沿着钢桩滑入海中并压在固定架上；

5）、套入桩外套筒：

根据设计方案，用连接板与螺栓基于条形螺栓孔把三个套筒底部节两两相连组装成品字形对称结构，同理把三个套筒标准节两两相连组装成品字形对称结构，再基于法兰盘上的螺栓孔用螺栓把各品字形构件相互固定与连接，形成套筒底部节在底部、套筒顶部节在顶部、中间连接多个套筒标准节的桩外套筒；起吊桩外套筒，把套筒的三个钢管套住相应的三根钢桩，使桩外套筒沿着钢桩滑入海中压在托板上；

6）、连接风机塔筒：

起吊风机塔筒，通过螺栓使其与套筒顶部节的基础环相互固定与连接，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直接传递给海床土体，钢桩不承担上部结构的竖向荷载，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、本发明固定架及托板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；由于桩外套筒与钢桩两者是分离的，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，则工后沉降对钢桩无影响，对风机的正常运行也无影响；

4、本发明三根钢桩呈品字形分布，通过固定架与桩外套筒组装后的整体抗弯刚度大，能承受较大的水平荷载与弯矩，能满足与适应复杂海况条件下风机水平荷载较大的工作环境。

附图说明：

图1本发明的套筒标准节结构示意图。

图2本发明的套筒标准节横截面剖面图。

图3本发明的套筒底部节结构示意图。

图4本发明的连接板结构示意图。

图5本发明的固定架俯视图。

图6本发明的固定架仰视图。

图7本发明的套筒顶部节俯视图。

图8本发明的套筒顶部节仰视图。

图9本发明的套筒之间三角形连接示意图。

图10本发明的套筒底部节与标准节连接示意图。

图11本发明的套筒标准节与顶部节连接示意图。

图12本发明的套筒顶部节与风机塔筒连接示意图。

图13本发明的施工品字形钢桩示意图。

图14本发明的固定架套入钢桩示意图。

图15本发明的托板套入钢桩示意图。

图16本发明的套筒套入钢桩示意图。

图17本发明的连接风机塔筒示意图。

图18本发明的钢桩基础主视图。

图19本发明钢桩外的套筒发生工后沉降示意图。

附图标记说明：1、套筒标准节；2、条形板；3、法兰盘；4、螺栓孔；5、条形螺栓孔；6、套筒底部节；7、扩展盘；8、连接板；9、固定架；10、限位套筒一；11、肋板；12、套筒顶部节；13、基础环；14、限位套筒二；15、风机塔筒；16、钢桩；17、托板；a、海平面；b、海床面；c、工后沉降。

具体实施方式：

参见附图：

一种海上风电工程的品字形钢桩基础，包括三根品字形分布的钢桩16与桩外套筒，桩外套筒由一个套筒底部节6、多个套筒标准节1、一个套筒顶部节12基于连接板8与螺栓相互连接而成，组装后品字形的桩外套筒套住三根钢桩16沉入海底压在托板17与固定架9上，托板17为圆形钢板，圆形钢板内孔与钢桩16外壁相匹配，风机塔筒15连接在套筒顶部节12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与弯矩由三根钢桩16与海床土体共同承担，由此构成风电工程的品字形钢桩基础。

套筒底部节6由钢管外均匀、对称的焊接六个条形板2而成，整体呈轴对称状态，套筒底部节6的顶部焊接有法兰盘3，法兰盘3上均匀设有螺栓孔4，套筒底部节6的底部焊接有扩展盘7，任意两个相邻条形板2的中部留设一对条形螺栓孔5，如图3所示。套筒底部节6上的扩展盘7可以把上部荷载扩散至更大的面积上去，故扩展盘7的面积较大。

套筒标准节1由钢管外均匀、对称的焊接六个条形板2而成，整体呈轴对称状态，套筒标准节1的两端焊接有法兰盘3，法兰盘3上均匀设有螺栓孔4，任意两个相邻条形板2的中部留设一对条形螺栓孔5，如图1与图2所示：套筒标准节1整体呈轴对称状态，也呈上下对称状态，两侧的法兰盘3无方向性区别。

套筒底部节6与套筒标准节1上的六个条形板2呈对称分布，即相邻两个条形板2之间的夹角为60º。套筒底部节6与套筒标准节1的横截面剖面图均为图2；套筒底部节6与套筒标准节1的区别仅在于：套筒底部节6的一端为扩展盘7，而不是法兰盘3。

套筒底部节6与套筒标准节1上六个条形板2中任选相邻的两个条形板2，在其中部开设一对条形螺栓孔5，供安装连接板8使用；连接板8为一条形钢板，其两端设有耳板，耳板上开设一对条形螺栓孔5；套筒底部节6与套筒标准节1上的条形螺栓孔5与连接板8的条形螺栓孔5完全相同，两者通过螺栓实现相互固定与连接。即三个套筒底部节6或三个套筒标准节1可通过连接板8相互组装形成品字形结构，如图9与图10所示。

套筒顶部节12由三个品字形分布的限位套筒二14上均匀、对称的焊接桁架状条形钢板而成，整体呈轴对称状态，套筒顶部节12的底部焊接有法兰盘3，法兰盘3上均匀设有螺栓孔4，套筒顶部节12的顶部焊接有基础环13，供连接风机塔筒15使用，如图7与图8所示。

套筒底部节6、套筒标准节1上的钢管与套筒顶部节12上限位套筒二14的横截面尺寸完全相同，其中空内径大于钢桩16的外径1~2cm。各套筒可基于法兰盘3上的螺栓孔4用螺栓进行相互固定与连接，如图9~图11所示。

套筒底部节6、套筒标准节1、套筒顶部节12三者的长度可以相同，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套筒标准节1进行续接，其可进行标准化、规格化制作。各套筒钢管的内径大于钢桩16的外径1~2cm，是为了使桩外套筒能够套在钢桩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钢桩16的外壁上涂抹润滑剂。

固定架9由三个品字形分布的限位套筒一10上均匀、对称的焊接钢板而成，限位套筒一10基于肋板11与钢板底部焊接连接，固定架9的顶部呈平面状，如图5与图6所示。固定架9上的限位套筒一10与套筒顶部节12上限位套筒二14的横截面尺寸完全相同，两者仅长度不相同。

固定架9上三个限位套筒一10之间的中心距与三根钢桩16之间的中心距完全相同，故只要三根钢桩16施工定位精确，固定架9能套住三根钢桩16滑入海床。当然，三个套筒底部节6或三个套筒标准节1通过连接板8组装形成品字形结构后，各套筒上钢管之间的中心距与三根钢桩16之间的中心距也完全相同，故桩外套筒能套住三根钢桩16滑入海床。

固定架9与桩外套筒套入三根钢桩16后，相互形成整体，抗弯刚度大，抗倾覆能力强，能抵抗较大的水平荷载与弯矩，能承担复杂海况条件下海上风机的受力情况。

托板17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。固定架9基于限位套筒一10套住钢桩16后，固定架9的顶面呈水平状态，故压在固定架9上的托板17也呈水平状态，且固定架9与托板17只能沿着钢桩16发生向下的竖向沉降。固定架9与三个托板17共同占据的轮廓面积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托板17的尺寸。当托板17的尺寸足够大时，风机竖向荷载作用在托板17与固定架9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19所示。

当然，设计托板17时，应确保三个托板17不能相互交叠、冲突。为了需要，也可把托板17设计成不规则形状，使其不相互交叠，又具有足够大的面积。

钢桩16对固定架9与托板17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。故钢桩16应有足够的强度与刚度，能维持桩外套筒的铅垂特性。

套筒底部节6、套筒标准节1、套筒顶部节12、固定架9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。

一种海上风电工程的品字形钢桩基础的施工方法，详细描述如下：

1）、设计与制作品字形钢桩基础：

根据海水深度、海床地质条件、风机荷载组合等参数，设计相应钢桩16、套筒底部节6、套筒标准节1、套筒顶部节12、固定架9、连接板8的规格与尺寸，并焊接与制作相应构件。

所设计托板17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，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）、打入钢桩16：

在设计指定的海域打入品字形分布的三根钢桩16，并使各钢桩的铅垂度、入土深度等满足要求，如图13所示。

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，钢桩16的姿态决定了上部风机的姿态。故钢桩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）、套入固定架9：

使固定架9平整的一面朝上，基于固定架9上的三个限位套筒一10套住三根钢桩16，使固定架9沿着钢桩16滑入海中并接触海床，如图14所示。

由于钢桩16对固定架9的定位与限制作用，使得固定架9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。固定架9只能沿着钢桩16发生竖向沉降。

4）、套入托板17：

基于托板17中部的孔洞套住钢桩16，使托板17沿着钢桩16滑入海中并压在固定架9上，如图15所示。

5）、套入桩外套筒：

根据设计方案，用连接板8与螺栓基于条形螺栓孔5把三个套筒底部节6两两相连组装成品字形对称结构，同理把三个套筒标准节1两两相连组装成品字形对称结构，再基于法兰盘3上的螺栓孔4用螺栓把各品字形构件相互固定与连接，形成套筒底部节6在底部、套筒顶部节12在顶部、中间连接多个套筒标准节1的桩外套筒。起吊桩外套筒，把套筒的三个钢管套住相应的三根钢桩16，使桩外套筒沿着钢桩16滑入海中压在托板17上，如图16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钢桩16，再在水中实现多个分段套筒之间的组装与连接。

由于桩外套筒的钢管内径略大于钢桩16的外径，故桩外套筒在自重的作用下沿着钢桩16呈铅垂状态的下沉，最终压在托板17与固定架9上。

6）、连接风机塔筒15：

起吊风机塔筒15，通过螺栓使其与套筒顶部节12的基础环13相互固定与连接，进而完成上部风机的其它安装工作，如图17所示。

在风机重力作用下，桩外套筒沿着钢桩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新型钢桩基础，上部风机结构的竖向荷载通过桩外套筒直接传递给海床土体，钢桩不承担上部结构的竖向荷载，三个品字形钢桩与海床土体共同承担水平荷载与弯矩等，能承受较大的水平荷载与弯矩，能满足与适应复杂海况条件下风机水平荷载较大的工作环境。竖向荷载与水平荷载的分离，使得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。