专利名称：一种海上单桩基础结构及其安装方法
技术领域：
本发明涉及一种海上桩基式基础结构及其安装方法，特别是关于一种适用于浅水 区域的各种海洋工程结构物，尤其是海上风机的单桩基础结构及其安装方法。
背景技术：
浅水区域的海洋工程尤其是海上风机基础结构的设计要考虑海床的地质构造、离 岸距离、海上风、浪荷载以及海流、冰等的影响，从结构形式上分为重力式、桩基式和筒型基 础式等，其中以桩基式基础结构应用最为广泛。桩基式分为导管架式和混凝土承台式，混凝 土承台式一般应用于桥墩结构中，尽管造价低，但是因其海上工程量大，周期长，无法克服 海上恶劣天气的影响，因此没有被其他海洋工程结构采纳。导管架式被广泛应用于海洋工 程结构中，分为独腿三桩、三腿、四腿等几种型式，是钢结构预制式，在陆地工厂进行钢结构 的焊接预制，通过驳船运输到安装位置，一般采用浮吊吊装或者滑移下水，使用液压打桩锤 将钢桩打入到泥面以下设计深度，最后灌浆连接导管架与钢桩。导管架式承载能力较高，水 深适用范围较广，但是成本很高，且桩腿多，海上施工周期仍然有点长，对于海上恶劣气候 的适应性也有一定的问题。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种成本低、施工周期短的适合海洋工 程尤其是海上风机安装的海上单桩基础结构及其安装方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种海上单桩基础结构，其特征在 于它包括一根带法兰构件的钢管桩和一个环形平台；所述钢管桩的上端管口处焊接所述 法兰构件，且两者在陆地完成整体预制，所述钢管桩的外壁上还设置一环形构件，与环形平 台通过螺栓连接。所述钢管桩采取必要的防腐措施，如泥面以上整体涂漆，或者局部采用安 装牺牲阳极的方法。所述法兰构件是一个带凸台和法兰颈的法兰盘，凸台、法兰颈和法兰盘 三者可以整体浇铸成形，按照设计尺寸进行机加工。所述法兰盘作为上部结构的连接件，可 以是内法兰或者外法兰；所述法兰盘的盘面与所述管桩的轴线垂直；所述法兰颈是法兰构 件与钢管桩端口对接焊接的过渡部分，一般要求外径与钢管桩内径一致，所述法兰颈上套 设法兰盘；所述凸台在法兰盘内侧(当为外法兰时)或者外侧(当为内法兰时)，一般由法 兰颈高出法兰盘的那部分直接充当，台面是打桩时桩锤与法兰构件的接触面，同时也是向 钢管桩传递锤击能量的传递面。所述环形平台包括操作平台、登船爬梯、靠船件和电缆护管 等钢结构部件，且各部件在陆地逐件完成预制及涂装，并组装为一个整体，组装时可以采用 焊接连接或者螺栓连接到环形构件上。一种对上述单桩基础结构进行安装的方法，其具体步骤如下1)装船运输将所述钢管桩及环形平台在陆地预先制作好，运输到码头前沿，浮 吊船上主辅勾配合将钢管桩及环形平台吊装上船，两个部件均躺倒放在预先设计好的运输 固定支架上，一船次可多装几套。所述浮吊船为带桩腿自升式或者坐底作业式船舶，且配备有液压卡桩器；2)船舶就位船到达目的地后，停船放下桩腿，使船体露出海平面，对于浅水滩涂区域宜采用坐底式船舶，操纵船舶坐底并适当固定即可；3)起桩在钢管桩身上布设垂直度检测标志，用浮吊主钩吊住钢管桩法兰盘的一 端吊点，浮吊辅钩吊住钢管桩另外一端，两钩抬吊到一定高度后，主钩提升，辅钩下放，直到 全部负载全部加在主钩上为止，使钢管桩竖直后摘除辅钩吊钩，打开浮吊船上的卡桩器，操 纵浮吊主钩将钢管桩插入卡桩器，主钩下放使钢管桩靠自重插入泥里，操纵卡桩器抱紧桩 身后，摘除主钩吊具；4)沉桩用水准仪监控垂直度标志，并操纵液压卡桩器调整钢管桩，直至桩身完 全竖直，操纵浮吊主钩吊起液压打桩锤，从上方将锤套入钢管桩法兰面并开始击打钢管桩 法兰构件上的凸台，施打过程中不断检测垂直度，发现偏移后及时使用卡桩器加以调整，直 到沉桩到设计位置后，停锤起吊；5)环形平台安装依据重心配好吊具，且吊索应当具有可调节长短的功能，比如 采用手拉导链等，利用浮吊主辅钩配合完成环形平台起吊及竖立，操纵浮吊使环形平台靠 近钢管桩，操纵吊索调平环形平台并与预装的连接点螺栓连接。6)纠偏采用此种方法一般可以使钢管桩法兰面水平，如果出现意外，可以按照 机械调平的方法实现纠偏，所述的机械调平方法是在安装上部设备时采用的一种加钢垫片 的调平方法，利用硬度较高的薄钢板提前制作一批不同厚度、不同大小的标准的扇形钢垫 片，按照偏差大小确定垫入的垫片数量、规格及垫入位置，垫入钢管桩法兰面与上部设备法 兰面之间，完成上部设备安装后采用硅胶对法兰面间隙进行密封处理，达到防腐的目的。本发明由于采取了以上技术方案，其具有以下优点1、本发明相比常规的基础结 构来说，主体采用单桩结构，将大大节省了材料；在桩身的上端管口处焊接一法兰构件，法 兰构件上有一个凸台，打桩时凸台是受力件，避免了法兰盘受损。2、取消了过渡结构及灌浆 连接工作，节约材料，节省了海上安装时间。3、在桩上设置一环形平台，且为整体预制安装， 节省了海上安装时间。4、本发明单桩基础结构适于浅水及中等水深区域，施工简单、快捷， 费用较低，适应性强。
图1是本发明桩体的结构剖视2是法兰构件的结构剖视3是环形钢平台安装示意4是利用浮吊打桩的示意5是利用履带吊打桩的示意6是卡桩器张开示意7是卡桩器合拢示意8是图7卡桩器侧面示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示，本发明单桩基础结构主体为一根大直径的(3m 6m)钢管桩1，在海 上打桩时，将钢管桩1竖立，下端打入到泥面下，上端露出水面。在钢管桩1的上端管口处 焊接一法兰构件2。如图2所示，法兰构件2由一法兰盘21、一法兰颈22和一凸台23组成， 其中凸台2可以由法兰颈22自身形成。在工厂将法兰颈22固结在法兰盘21的环形内壁 上，法兰颈22上部凸出法兰盘21就形成凸台23 ；或者将法兰颈22和法兰盘21两者按如 上形式整体锻造成一体也可。法兰构件2通过法兰颈22焊接于钢管桩1上，法兰颈22可以焊接在钢管桩内壁 上，形成内法兰；法兰颈22也可以焊接在钢管桩外壁上，形成外法兰。当为外法兰时，法兰 颈22的内径略大于钢管桩1的外径，法兰盘21的径向伸出尺寸根据实际需要确定。当为内 法兰时，法兰颈22的外径略小于钢管桩1的内径，法兰盘21的外径大于钢管桩1的外径， 当将法兰颈22焊接到钢管桩1的内壁上时，法兰盘21的底面与钢管桩1的管口平齐或略 高于管口，使得法兰盘21的盘体部分沿钢管桩1的管口径向伸出管桩外。法兰盘21保持 盘面与管桩轴线垂直。法兰盘21上具有螺栓孔，用于与其它构件连接。在钢管桩1露出水面的部分上，还环绕钢管桩1径向设置一环形构件3。环形构件 3可以是焊接到钢管桩1外壁上，也可以与钢管桩1 一体制作，环形构件3用于放置线缆及 设备。如图3所示，一独立的环形平台4，包括操作平台、登船爬梯、靠船件和电缆护管等 钢结构部件，且各部件在陆地逐件完成预制及涂装，并组装为一个整体。然后环形平台4采 用焊接连接或者螺栓连接到环形构件3上。本发明将钢管桩1和法兰构件2连接成一个整体，在结构上大大节省了钢材用量； 同时因为施工时要保证法兰盘21表面的平整度，所以将法兰颈22制作为高于法兰盘21的 盘面，使得打桩机直接与凸台23接触，从而避免了法兰盘21受到破坏。在法兰盘21的上 面安装风机塔筒(图中未示出)。为保证打桩时法兰盘保持水平，本发明提供了如下的打桩方法深水区采用浮吊打桩，如图4所示，具体步骤如下1)驳船定位将本发明提供的单桩基础结构预先制作好，运输到浮吊船上，浮吊 船具备自升功能并带有桩腿，船到达目的地后，停船放下桩腿，使船体露出海平面；2)下桩在钢管桩身上布设垂直度检测标志，用浮吊主钩吊住钢管桩法兰盘的一 端吊点，浮吊辅钩吊住钢管桩另外一端，两钩抬吊到一定高度后，主钩提升，辅钩下放，直到 全部负载全部加在主钩上为止，使钢管桩竖直后摘除辅钩吊钩，打开浮吊船上的卡桩器5， 操纵浮吊主钩将钢管桩插入卡桩器，主钩下放使钢管桩靠自重插入泥里，操纵卡桩器抱紧 桩身后，摘除主钩吊具，使桩在下落的过程中平稳并保持竖直状态；如图6 8所示，卡桩器5包括两个半圆形箍51，两个半圆形箍51的一端共同枢接在转轴52上，可以张开或闭合。在两个半圆形箍51的另一端分别具有结合部，在结合部 上对应开设有螺栓孔，当两个半圆形箍51闭合时，通过螺栓53可以将两个半圆形箍51锁 紧。卡桩器5通过杆件6与船体的伸缩驱动装置连接。3)沉桩用水准仪监控垂直度标志，并操纵液压卡桩器调整钢管桩，直至桩身完 全竖直，操纵浮吊主钩吊起液压打桩锤，利用打桩锤从桩的顶部打击凸台23，使凸台23的 顶部与锤直接接触，打击过程中保证桩、锤、卡桩器三者的中心线在同一轴线上，施打过程中不断检测垂直度，发现偏移后及时使用卡桩器加以调整；4)停锤当桩打入到泥面下设计好的深度后，停锤起吊。滩涂区使用履带吊打桩，如图5所示，具体步骤如下1)首先对驳船进行结构改造和载荷试验将满足吊装能力的履带吊固定在驳船甲板上，在履带吊与驳船甲板之间设置钢或木结构垫层；在至少0. 5米水深的海况下进行 最大吊装荷载试验，使得加载时船体结构强度良好，卸载后具有足够的起浮能力；2)驳船定位浅吃水驳船在涨潮时进入施工区域，为了保证打桩质量，通过调整 仓格里面的水位使驳船适当坐底，保证其自身稳定性，驳船抛锚后通过绞车将驳船定位；3)下桩在钢管桩身上布设垂直度检测标志；退潮后，用浮吊主钩吊住钢管桩法 兰盘的一端吊点，浮吊辅钩吊住钢管桩另外一端，两钩抬吊到一定高度后，主钩提升，辅钩 下放，直到全部负载全部加在主钩上为止，使钢管桩竖直后摘除辅钩吊钩；打开浮吊船上的 卡桩器4，操纵浮吊主钩将钢管桩插入卡桩器，主钩下放使钢管桩靠自重插入泥里，操纵卡 桩器抱紧桩身后，摘除主钩吊具，使桩在下落的过程中平稳并保持竖直状态；4)沉桩桩下落到泥面处时，利用打桩锤从桩的顶部打击凸台23，使凸台23的顶 部与锤直接接触，沉桩过程中，保证桩、锤、卡桩器三者的中心线在同一轴线上；5)停锤当桩打入到泥面下设计好的深度后，停锤起吊；6)等待再次涨潮时，利用拖轮机将驳船拖拉到下一打桩处，重复进行2) 5)步。上述过程中，如果驳船坐底后仍不能保证足够稳定，则需要在船舷两侧设置液压 式或机械式稳性桩，在驳船就位后，稳性桩插入海底浅层提供稳定支撑。
权利要求
一种海上单桩基础结构，其特征在于它包括一管桩、一法兰构件和一环形平台，所述法兰构件包括一法兰盘和一法兰颈，所述法兰颈设置在所述法兰盘的内壁上，并且所述法兰颈焊接到所述管桩的上端，所述法兰颈上部露出所述管桩及法兰盘；所述管桩上环壁设置一环形构件，所述环形平台与环形构件螺栓连接。
2.如权利要求1所述的一种海上单桩基础结构，其特征在于所述管桩为钢管桩，并在 表面整体涂漆或局部采用牺牲阳极法予以保护。
3.如权利要求1所述的一种海上单桩基础结构，其特征在于所述法兰颈与法兰盘为 整体浇铸成型。
4.如权利要求1或2或3所述的一种海上单桩基础结构，其特征在于所述法兰颈焊 接到所述管桩的内壁或外壁上均可。
5.如权利要求1或2或3所述的一种海上单桩基础结构，其特征在于所述环形平台 包括操作平台、登船爬梯、靠船件和电缆护管等钢结构部件，且各部件在陆地逐件完成预制 及涂装，并组装为一个整体。
6.如权利要求4所述的一种海上单桩基础结构，其特征在于所述环形平台包括操作 平台、登船爬梯、靠船件和电缆护管等钢结构部件，且各部件在陆地逐件完成预制及涂装， 并组装为一个整体。
7.—种对如权利要求1 6之一所述的海上单桩基础结构进行安装的方法，其包括如 下步骤1)驳船定位将单桩基础结构预先制作好，运输到浮吊船上，浮吊船具备自升功能并 带有桩腿，船到达目的地后，停船放下桩腿，使船体露出海平面；2)下桩在管桩身上布设垂直度检测标志，用浮吊主钩吊住管桩法兰盘的一端吊点， 浮吊辅钩吊住钢管桩另外一端，两钩抬吊到一定高度后，主钩提升，辅钩下放，直到全部负 载全部加在主钩上为止，使管桩竖直后摘除辅钩吊钩；打开浮吊船上的液压卡桩器，操纵浮 吊主钩将管桩插入卡桩器，主钩下放使管桩靠自重插入泥里，操纵卡桩器抱紧桩身后，摘除 主钩吊具，使桩在下落的过程中平稳并保持竖直状态；3)沉桩桩下落到水下泥面处时，利用打桩锤从上方打击所述法兰颈的顶部，打击过 程中保证桩、锤、卡桩器三者的中心线在同一轴线上；4)停锤当桩打入到泥面下预先计算好的深度后，停锤起吊。
8.如权利要求7所述的一种海上单桩基础结构的安装方法，其特征在于当在深水区 打桩时，其具体步骤如下1)驳船定位将所述单桩基础结构预先制作好，运输到浮吊船上，浮吊船具备自升功 能并带有桩腿，船到达目的地后，停船放下桩腿，使船体露出海平面；2)下桩用浮吊主钩吊住桩法兰盘的一端，竖直入水，同时从船上伸出一卡桩器活动 地抱住桩身，使桩在下落的过程中保持竖直状态；3)沉桩桩下落到水下泥面处时，利用打桩锤从上方打击所述法兰颈顶部，打击过程 中保证桩、锤、卡桩器三者的中心线在同一轴线上；4)停锤当桩打入到泥面下设计好的深度后，停锤起吊。
9.如权利要求7所述的一种海上单桩基础结构的安装方法，其特征在于当在滩涂区 打桩时，其具体步骤如下1)对驳船进行结构改造和载荷试验将满足吊装能力的履带吊固定在驳船甲板上，在 履带吊与驳船甲板之间设置钢或木结构垫层；在至少0. 5米水深的海况下进行最大吊装荷 载试验，使得加载时船体结构强度良好，卸载后具有足够的起浮能力；2)驳船定位驳船在涨潮时进入施工区域，通过调整仓格里面的水位使驳船适当坐 底，驳船抛锚后通过绞车将驳船定位；3)下桩在管桩身上布设垂直度检测标志，退潮后，用浮吊主钩吊住管桩法兰盘的一 端吊点，浮吊辅钩吊住管桩另外一端，两钩抬吊到一定高度后，主钩提升，辅钩下放，直到全 部负载全部加在主钩上为止，使管桩竖直后摘除辅钩吊钩；打开浮吊船上的液压卡桩器，操 纵浮吊主钩将管桩插入卡桩器，主钩下放使管桩靠自重插入泥里，操纵卡桩器抱紧桩身后， 摘除主钩吊具，使桩在下落的过程中平稳并保持竖直状态；4)沉桩桩下落到泥面处时，利用打桩锤打击法兰颈的顶部，沉桩过程中，保证桩、锤、 卡桩器三者的中心线在同一轴线上；5)停锤当桩打入到泥面下预先计算好的深度后，停锤起吊；6)等待再次涨潮时，利用拖轮机将驳船拖拉到下一打桩处，重复进行2) 5)步。
10.如权利要求9所述的一种海上单桩基础结构的安装方法，其特征在于当在滩涂区 打桩时，如果驳船坐底后仍不能保证足够稳定，则在船舷两侧设置稳性桩，在驳船就位后， 稳性桩插入到海底浅层提供稳定支撑。
全文摘要
本发明涉及一种海上单桩基础结构及其安装方法，结构包括一管桩、一法兰构件和一环形平台，所述法兰构件包括一法兰盘和一法兰颈，兰颈设置在法兰盘的内壁上，并且法兰颈焊接到管桩的上端，法兰颈上部露出管桩及法兰盘的部分作为打击凸台；管桩上还环壁设置一环形构件，环形平台与环形构件螺栓连接。安装的方法包括如下步骤驳船定位、下桩、沉桩、起吊停锤，其核心是打桩时下端用卡桩器夹持，上端用打击锤打击法兰颈顶部的凸台上，使得法兰和管桩不受破坏。本发明适于浅水及中等水深区域，施工简单、快捷，费用较低，适应性强。
文档编号E02D7/08GK101812849SQ20101014224
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者尚景宏, 朱鹏, 林伟明, 罗锐 申请人:中国海洋石油总公司;中海油新能源投资有限责任公司