一种可拖航的桁架‑重力式组合的海上风机基础结构及施工方法与流程

本发明涉及一种可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础结构及其施工方法，属于海上风电工程技术领域。

背景技术：

重力式基础作为海上风机的一种基础型式，依靠自身的自重使风机垂直立于海面上，对地基要求较高，适用于坚硬的砂土或岩石地基。但传统的重力式基础型式的适用水深范围有限，一般仅为浅水区域；且由于传统重力式基础的尺寸庞大，波浪对基础结构的作用力更大，制约了重力式基础型式的应用。

随着我国海上风电不断发展，海上风电逐步向更深海域发展，风浪条件更为恶劣；风机单机容量也不断增大，引起更大的水平荷载和倾覆力矩。针对我国海上风电逐步向20~50m中等水深海域发展及单机容量大型化的趋势，桁架式基础型式更具优势。一般地，桁架式基础通过钢管桩与海底地基相连，为了满足设计寿命内的抗倾覆力矩等要求，桩径、桩长、桩间距等结构参数较大，钢材耗费大，成本高，且打桩过程中会产生噪音，影响海洋生物；并且，对坚硬的砂土及岩石地基，如我国福建沿海地区，难以打桩，桩基础型式难以应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述存在的问题，提供一种可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础结构，通过将空腔重力式基础与桁架式风机支撑结构结合，形成可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础结构，该组合的基础型式兼具两种结构的优点，能够应用于20~50m水深，且地基为坚硬的砂土或岩石的海上风电场，具有适用更深水深、支撑更大容量风机、所受波浪力减小、无需打桩、无打桩噪声、节约钢材、安装及运输简便、降低施工成本等优点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础结构，包括具有空腔可拖航的重力式基础与桁架式风机支撑结构，所述重力式基础包括预埋有对接钢管的混凝土墩台和混凝土空腔体，所述桁架式风机支撑结构与所述预埋对接钢管通过灌浆材料连接，将重力式基础与桁架式风机结构连接为一个整体，作为海上风机基础，支撑上部风机结构。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述预埋对接钢管为等直径钢管，其直径比桁架式风机支撑结构的主腿直径大，对接钢管1的数量与桁架式风机支撑结构主腿对应，对接钢管沿竖向均匀布置若干加强环板，加强环板与混凝土墩台钢筋笼连接成整体，并预埋到混凝土墩台中。所述混凝土墩台为钢筋混凝土结构，呈圆柱或圆锥形状，其中预埋对接钢管，混凝土墩台外侧与混凝土空腔体加固连接；混凝土墩台的直径大于桁架式风机支撑结构截面的最大尺寸。

所述混凝土空腔体为钢筋混凝土结构，包括底板和围成环状的外侧挡板，所述底板布置在海床面上，其底部通过碎石垫层整平，所述外侧挡板的周边设有抛石保护所述混凝土空腔体与混凝土墩台的外壁围成一个环状腔体，该环状腔体内沿周向均布有多个中间挡板，相邻两个中间挡板之间形成局部空腔体多个局部空腔体呈辐射状均匀分布在混凝土墩台周围，使得重力式基础具有自浮及可拖航的特点。

所述桁架式风机支撑钢结构包括平台、主筒体、斜撑、主腿、撑杆、插腿（或套筒），主腿及撑杆均采用截面为圆环的钢管，撑杆倾斜交叉地焊接在主腿之间，平台布置在主腿顶部，主筒体通过斜撑固定在平台上，插腿（或套筒）一体式连接在主腿下端，桁架式风机支撑钢结构通过插腿（或套筒）插入预埋对接钢管，并用灌浆材料将桁架式风机支撑结构与混凝土墩台连接形成为一种可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础结构。

相邻两根主腿之间设有多组两两相交的撑杆，多组两两相交的撑杆分别位于主腿的不同高程上，所述海上风机基础的极端高潮位处于最上面的一组撑杆的交叉点上方，所述海上风机基础的平均海平面处于最上面的一组撑杆的交叉点附近，所述海上风机基础的设计低潮位处于第二组撑杆与主腿的连接处附近。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种上述可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础的分体施工方法，该方法的步骤如下：

a、分别制作上述的重力式基础和桁架式风机支撑结构；

b、通过拖船将预制好的空腔重力式基础拖运至风机机位；再通过向重力式基础的空腔体内缓慢注水将重力式混凝土下沉至设计位置，全过程注意注水时的重力式基础整体平衡和稳定；然后通过抛石或填砂土将重力式基础的空腔填满。

c、将桁架式风机支撑结构运输至安装机位，将桁架式风机支撑结构的插腿（或套筒）插入混凝土墩台的预埋对接钢管中，并进行灌浆，使桁架式风机支撑结构与空腔重力式基础连成整体以支撑上部风机。

本发明还提供一种上述可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础的整体施工方法，该方法的步骤如下：

a、分别制作上述的重力式基础和桁架式风机支撑结构；

b、陆地上分别制作桁架式风机支撑结构和重力式基础，在码头上将制作好的桁架式风机支撑结构插入混凝土墩台的预埋对接钢管中，通过灌浆使桁架式风机支撑结构与空腔重力式基础组成整体以支撑上部风机。

c、通过拖船将组装完毕的桁架-重力式组合的海上风机基础整体拖运至风机机位；再向重力式基础的空腔体内缓慢注水使基础下沉至设计位置，全过程注意注水时的风机基础整体平衡和稳定；然后通过抛石或填砂土将重力式基础的空腔填满。

本发明的有益效果是：

1、采用可拖航的重力式基础与桁架式风机支撑结构组合成一种可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础结构，兼具两种结构的优点，适用于20~50m中等水深，并适用于坚硬地基条件的海域。

2、与传统重力式基础型式相比，可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础运输方便，节约施工成本；该基础型式的上部结构刚度大、尺寸小、所受波浪力小，能支撑更大容量的风机、适用更深的海域。

3、与传统桩基桁架基础型式相比，可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础能够适用地基为坚硬的砂土或岩石等无法打桩的地质条件，具有无需打桩、无打桩噪音、安装简便、节约钢材等优点。

4、将空腔重力式混凝土基础与桁架式风机支撑结构4分开运输再组装的分体施工方法，可以有效地减少对码头吊装能力的要求和对重力式混凝土基础的自浮力需求，并降低了重力式混凝土基础的重心，有效地避免拖航运输过程中因重心偏高易于倾覆的风险。

5、将空腔重力式混凝土基础与桁架式风机支撑结构4在陆地上组装后再整体运输安装的整体施工方法，可以有效地减少海上施工、提高施工效率，极大地减少对运输船舶设备的需求，降低施工成本。

附图说明

图1是本发明的可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础的剖视图。

图2是本发明的可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础的局部视图。

图3是本发明的可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础的俯视图。

具体实施方式

实施例1，如图所示，一种可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础结构。

本实施例为应用于海上风电的可拖航桁架-重力式组合的海上风机基础结构，包括：具有空腔可拖航的重力式基础与桁架式风机支撑结构，所述重力式基础包括预埋有对接钢管1的混凝土墩台2和混凝土空腔体3，所述桁架式风机支撑结构4与所述预埋对接钢管1通过灌浆材料5连接，将重力式基础与桁架式风机结构连接为一个整体，作为海上风机基础，支撑上部风机结构。

所述对接钢管（1）为等直径钢管，其直径比桁架式风机支撑结构（4）的主腿直径大，所述对接钢管（1）的数量与桁架式风机支撑结构（4）的主腿对应，所述对接钢管（1）沿竖向均匀布置有多个加强环板（6），所述加强环板（6）与混凝土墩台（2）的钢筋笼连接成整体，并预埋到混凝土墩台（2）中。

所述混凝土墩台（2）为钢筋混凝土结构，呈圆柱或圆锥形状，其中预埋对接钢管（1），混凝土墩台（2）的外侧与混凝土空腔体（3）加固连接；混凝土墩台（2）的直径大于桁架式风机支撑结构（4）的截面的最大尺寸。

所述混凝土空腔体（3）为钢筋混凝土结构，包括底板（3-3）和围成环状的外侧挡板（3-1），所述底板（3-3）布置在海床面（7）上，其底部通过碎石垫层（8）整平，所述外侧挡板（3-1）的周边设有抛石保护（9）；所述混凝土空腔体（3）与混凝土墩台（2）的外壁围成一个环状腔体，该环状腔体内沿周向均布有多个中间挡板（3-2），相邻两个中间挡板（3-2）之间形成局部空腔体（3-4）多个局部空腔体（3-4）呈辐射状均匀分布在混凝土墩台（2）周围，使得重力式基础具有自浮及可拖航的特点。

所述桁架式风机支撑钢结构（4）包括平台（4-1）、主筒体（4-2）、斜撑（4-3）、主腿（4-4）、撑杆（4-5）、插腿（或套筒）（4-6），主腿（4-4）及撑杆（4-5）均采用截面为圆环的钢管，撑杆（4-5）倾斜交叉地焊接在主腿（4-4）之间，平台（4-1）布置在主腿（4-4）顶部，主筒体（4-2）通过斜撑（4-3）固定在平台（4-1）上，插腿（或套筒）（4-6）一体式连接在主腿（4-4）下端，桁架式风机支撑钢结构（4）通过插腿（或套筒）（4-6）插入预埋对接钢管（1），并用灌浆材料（5）将桁架式风机支撑结构（4）与混凝土墩台（2）连接形成为一种可拖航的桁架-重力式组合的海上风机基础结构。

相邻两根主腿（4-4）之间设有多组两两相交的撑杆（4-5），多组两两相交的撑杆（4-5）分别位于主腿（4-4）的不同高程上，所述海上风机基础的极端高潮位处于最上面的一组撑杆（4-5）的交叉点上方，所述海上风机基础的平均海平面处于最上面的一组撑杆（4-5）的交叉点附近，所述海上风机基础的设计低潮位处于第二组撑杆（4-5）与主腿（4-4）的连接处附近。

平台4-1、主筒体4-2、斜撑4-3、主腿4-4、撑杆4-5、插腿（或套筒）4-6在工厂内加工制作，将制作好的钢构件通过焊接连接成一个整体的桁架式风机支撑结构4。在工厂内加工制作对接钢管1构件，通过在对接钢管构件竖向焊接若干均匀分布的加强环板组成对接钢管1。

根据重力式基础的尺寸布置，在陆地上轧制混凝土墩台2、空腔体中间挡板3-2、外挡板3-1及底部3-3的钢筋，将加工好的加强对接钢管1放入混凝土墩台2相应的位置，并接与轧制好的钢筋笼焊接连接，然后浇筑混凝土，形成可拖航的空腔重力式混凝土基础并进行养护。

本实施例在施工过程中，可根据工程场区及施工设备等情况，选择将空腔重力式混凝土基础与桁架式风机支撑结构4分开运输至海上风电场区，再分别安装的分体施工方法，或先在陆地上将空腔重力式混凝土基础与桁架式风机支撑结构4组装成整体，然后再将基础整体运输至场区安装的整体施工方法。

实施例2，分体式施工方法。

本实施例是针对实施例1中第一种情况下的施工方法，其具体的施工步骤如下：

a、分别在陆地上制作重力式基础和桁架式风机支撑结构。

b、对风机机位的海床进行整理，包括海床平整、地基铺设碎石垫层操作。

c、根据码头的设备条件，可用吊机或气囊滚运下水方式先将养护好的重力式混凝土基础吊入海里，依靠空腔体的浮力将整个重力式混凝土基础自浮于海面上；然后用拖船将重力式混凝土基础拖航至风电场相应机位，通过向空腔内缓慢注水使重力式基础沉至海床；然后对重力式混凝土基础的空腔进行抛石操作，将空腔体填满石块。

d、再将桁架式风机支撑钢结构4运输至风机机位，通过吊机将桁架式风机支撑钢结构4放入海里，吊装过程中桁架支撑结构4的插腿（或套筒）4-6与预埋的对接钢管1进行对接；最后对插腿（或套筒）4-6与预埋的对接钢管1之间的空隙进行灌浆操作，通过灌浆材料5将桁架式风机支撑结构4与重力式基础进行连接形成整体；最后吊装塔筒及风机。

实施例3，整体式施工方法。

本实施例是针对实施例1中第二种情况下的施工方法，其具体的施工步骤如下：

a、分别在陆地上制作重力式基础和桁架式风机支撑结构。

b、对风机机位的海床进行整理，包括海床平整、地基铺设碎石垫层操作。

c、在陆地上分别制作桁架式风机支撑结构4和预制空腔重力式混凝土基础，然后在码头上将制作好的桁架式风机支撑结构4插入混凝土墩台2的预埋对接钢管1中，通过灌浆使桁架式风机支撑结构4与空腔重力式基础组成整体以支撑上部风机。

d、根据码头的设备条件，可用吊机或气囊滚运下水方式将桁架-重力式组合的海上风机基础整体吊入海里，依靠空腔体的浮力将整个基础自浮于海面上；然后用拖船将该基础整体拖航至风电场相应机位，通过向空腔内缓慢注水使基础沉至海床；然后对该基础的空腔内进行抛石操作，将空腔体填满石块；最后吊装塔筒及风机。