具有下压式破冰性能的高桩承台式基础的制作方法

本发明涉及一种高桩承台式风电基础。

背景技术：

随着海上风能发电的高速发展，高纬度寒区海域以其风能密度大的特点受到了越来越多的关注。在国内海上风电基础结构设计中，高桩承台结构具有成熟而完备的工程应用经验。为了便于船舶停靠及人员上下，通常将高桩承台结构设置于水线面附近。这样一来，当高桩承台式风机基础结构应用于寒区海域时，高桩承台宽大的圆柱结构必然会遭受巨大的冰载荷作用，这将对海上风机基础结构设计和风电场安全运营产生重要影响。此外，由于风电结构通常具有较大柔度的特点，其动冰载荷特性、冰激振动以及冰致结构疲劳累积损伤分析也是海上风电场设计中重点关注的问题，这些问题往往会直接影响到上部风机能否正常运转，从而对发电效率产生影响。由此可见，在海上风机基础结构设计中降低海冰对风机基础结构的影响，直接关系到寒区海上风电场工程的安全和造价。

目前增强寒区高桩承台式风机基础的抗冰能力的方法主要是在高桩承台潮差段安装防冰型钢。防冰型钢在垂向上与高桩承台轴线相平行，横截面为梯形与矩形的组合体。防冰型钢将冰排劈裂成块，减小了与高桩承台相作用的冰块尺寸，进而达到降低冰载荷的效果。已有研究表明，防冰型钢的安装对冰载荷的缩减取得了一定的效果。然而，防冰型钢设计并未从根本上改变冰排在高桩承台前的大面积压屈或挤压的破坏模式，由于天然海冰的挤压强度远大于其弯曲强度，因此冰排发生挤压或压屈破坏所引发的冰载荷，也远大于冰排弯曲破坏的冰载荷。冰排发生大面积的压屈破坏时产生的碎冰尺寸较大，而防冰型钢之间过小的间距将不利于碎冰块的漂移和清除，从而易引发碎冰块在高桩承台下方的堵塞和堆积。因而，该增强方案没有达到预期的效果。

基于上述原因，目前现有高桩承台式风机基础结构中所采用的防冰型钢装置并没有对冰载荷起到有效的降低作用。渤海海域是我国唯一的寒区海域，其风力发电的规模化发展已被列为今后五年我国海上风电产业的重点。因此，研发应用于寒区海域具有下压式破冰性能的高桩承台式风电基础结构有着十分重要的工程意义。

技术实现要素：

在综合考虑经济性和抗冰效果的前提下，本发明提供一种应用于寒区海域具有下压式破冰性能的高桩承台式基础，这种结构既达到了降低冰载荷的目的，也可以在无冰期对波浪载荷起到一定的降低作用，且下压式破冰刃采用方便灵巧的施工工艺，便于安装拆卸。本发明的技术方案如下：

一种具有下压式破冰性能的高桩承台式基础，包括高桩承台7和排布在高桩承台7潮差段周边的多个下压式破冰刃，其中，

每个下压式破冰刃，包括长条形钢板2、两个支撑杆3和带有竖板的连接板，连接板用于将所述的下压式破冰刃和高桩承台7相连，两个支撑杆3平行固定在连接板4的竖板上，位于上部的支撑杆长于位于下部的支撑杆，上支撑杆布置于设计高水位，下支撑杆布置于设计低水位，长条形钢板的长边固定在两个支撑杆3的端部。

优选地，长条形钢板2的倾斜角取66°，其宽度取1.5倍的最大冰厚，截面呈刃状，其厚度取0.1倍的最大冰厚。长条形钢板2的长度L＝L₁+L₂+H/sinα，其中L₁为设计高水位到长条形钢板2顶端的距离，L₁取1.5倍最大冰厚，L₂为设计低水位到长条形钢板2底端的距离，L₂取6.4倍最大冰厚，α为长条形钢板2的倾斜角，H为设计高水位到设计低水位的距离。

本发明针对寒区海域高桩承台式基础的结构特点，在高桩承台潮差段除靠船构件处均匀安装一周下压式破冰刃，这些下压式破冰刃组成了一个离散的倒锥体，引导冰排发生向下的弯曲破坏，达到降低冰载荷的目的。单个下压式破冰刃由一个外伸的长条形钢板和两个支撑杆组成，下压式破冰刃经一倒“L”形连接板与高桩承台螺栓连接，长条形钢板、支撑杆与倒“L”形连接板的连接采用焊接的方式。本发明的实质性特点是：(1)本发明中，下压式的结构布置型式促使冰排发生弯曲破坏，对冰载荷与波浪载荷均形成了有效的缩减；(2)本发明中，破冰构件采用恰当的截面尺寸，致使冰排沿构件两侧发生进一步的劈裂破坏，形成了“破冰刃”切割冰排的抗冰模式；(3)本发明中，破冰构件采用恰当的延伸长度，有效引导了碎冰块的漂移，防止了碎冰在高桩承台下方的堵塞与堆积；(4)本发明采用了方便灵巧的施工工艺，便于安装拆卸。

室内试验证明，本发明应用于寒区海域后，将获得以下性能提升：

1、本发明中的下压式破冰刃对冰载荷的缩减起到了十分显著的效果，缩减比例可达80％以上；

2、本发明中的下压式破冰刃有效引导了碎冰块的漂移，防止了碎冰在高桩承台下方的堵塞与堆积；

3、本发明中下压式破冰刃的使用不仅可有效降低冰载荷，还可对高桩承台水平波浪载荷水平形成有效改善，载荷缩减水平可达15％以上。

附图说明

图1是本发明带下压式破冰刃的高桩承台的俯视图。

图2是本发明带下压式破冰刃的高桩承台的剖面图。

图中标号说明：1为靠船构件；2为长条形钢板；3为支撑杆；4为倒“L”形连接板；5为定位销；6为连接螺栓；7为高桩承台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。参见图1和图2，本发明由靠船构件1、长条形钢板2、两个支撑杆3、倒“L”形连接板4、高桩承台7组成，其中长条形钢板2与两个支撑杆3构成了下压式破冰刃。下压式布置的长条形钢板2起到了类似倒锥的作用，引导冰排发生向下的弯曲破坏。支撑杆3对长条形钢板2起到了支撑作用，倒“L”形连接板4将下压式破冰刃与高桩承台7相连接。

长条形钢板2的长度L＝L₁+L₂+H/sinα，其中L₁为设计高水位到长条形钢板2顶端的距离，经验证后L₁取1.5倍最大冰厚，L₂为设计低水位到长条形钢板2底端的距离，经验证后L₂取6.4倍最大冰厚，α为长条形钢板2的倾斜角，经试验验证后选取66°，H为设计高水位到设计低水位的距离。长条形钢板2宽度取1.5倍的最大冰厚，这样的设计既保证了下压式破冰刃对冰排有足够的下压作用，又使下压式破冰刃间有足够的间隙，防止碎冰堵塞。长条形钢板2的厚度取0.1倍的最大冰厚，这使得长条形钢板横截面类似于刀刃，对冰排起到了劈裂的作用。

两个支撑杆3截面为Φ300mm×30mm，长度分别为2076mm和1022mm。上支撑杆布置于设计高水位，下支撑杆布置于设计低水位。这样的尺寸设计既使得与支撑杆3相连接的长条形钢板2的倾斜角为66°，又使得长条形钢板2的最大外伸长度略小于靠船构件1的外伸长度，保证维护船舶的正常停靠。倒“L”形连接板4截面尺寸为600mm×40mm，两边长分别为3712mm和2000mm。长条形钢板2、支撑杆3、倒“L”形连接板4采用焊接的方式连接成一整体，倒“L”形连接板4与高桩承台7通过连接螺栓6连接，将下压式破冰刃固定在高桩承台7上。螺栓连接前先通过位于倒“L”形连接板4较短端中心的定位销5将倒“L”形连接板4与高桩承台6定位固定，便于螺栓连接。下压式破冰刃均匀布置于高桩承台7潮差段除靠船构件1以外的区域，如图1所示，下压式破冰刃间的布置夹角为18°。

室内模型试验表明，本发明中的下压式破冰刃引导了冰排发生向下的弯曲破坏，且外伸的下压式破冰刃能够有效增大冰内损伤场，使得冰排在到达高桩承台7前便已具备较大损伤，从而将高桩承台7所受冰载荷降到很低的水平。同时，本发明中的下压式破冰刃其下压姿态对波浪的势能增加起到了一定的抑制作用，使得波浪的局部势能降低，这样波浪传递到高桩承台7上的势能减小，波浪载荷降低。因此，本发明应用于寒区海域时既可以起到有效降低冰载荷的作用，又可以在无冰期降低波浪载荷，达到了很好的应用效果。