一种四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机施工方法与流程

本发明涉及一种港口、海洋、水利和桥梁工程的基础结构领域，具体的说，是涉及一种多筒组合以优化筒型基础受力的风电整机施工方法。

背景技术：

目前，在海洋工程领域如海上风力发电工程中，基础结构通常有桩基础、重力式基础、导管架式基础、负压基础和浮式平台等形式，这些基础结构通常需要大型机具进行运输和安装，造成施工费用较高，施工周期较长。相比传统基础结构而言，筒型基础由于其造价低廉、施工便捷、使用安全可靠、可回收复用等特点被广泛应用于海洋工程中。

但是，海上风力发电基础结构所处环境十分复杂，所受荷载除了上部结构传递下来的风机塔架等结构重量的竖向力外，还有风荷载传递到基础结构的水平力和弯矩，以及波浪、海流、海冰荷载等。大弯矩荷载一般导致需要筒型基础直径较大，而大直径单筒基础的施工限制条件较多，如其运输和安装过程需要大型机具等，造成在海域施工时费用很高。

技术实现要素：

本发明要解决的是现有技术中存在的上述问题，提供一种四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机施工方法，可自浮拖航和负压沉放，能够明显降低基础的施工成本。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机施工方法，按照如下步骤进行：

(1)陆上预制四个筒型基础，所述筒型基础内部设置有分舱室，所述筒型基础顶盖设置有用于安装管道接头的预留孔；

(2)所述筒型基础预制完成且检查气密性符合设计要求后，将四个所述筒型基础按照其中心点连线构成一个正方形进行布置，并在四个所述筒型基础之间支模、绑扎钢筋和浇筑混凝土，进行所述混凝土连接底板的施工；

所述混凝土连接底板的底面与所述筒型基础的顶面在同一平面上，其设置在四个所述筒型基础之间并以四个筒型基础的中心点连线为轮廓；

(3)所述混凝土连接底板养护完成并达到设计的强度要求后，在每个所述筒型基础上部以其顶板作为底面模板进行混凝土压载舱结构的施工，并在每相邻两个混凝土压载舱结构之间进行竖向混凝土连接件的施工，四个所述混凝土压载舱结构和四个所述竖向混凝土连接件同时支模、绑扎钢筋和浇筑混凝土；浇筑所述混凝土压载舱结构的混凝土之前在所述筒型基础顶盖的预留孔中安装管道接头，所述管道接头顶端伸出于所述混凝土压载舱结构底面、底端伸出于所述筒型基础顶面；

所述混凝土压载舱结构为开口向上的筒状结构，每个所述混凝土压载舱结构的中心轴与其连接的所述筒型基础的中心轴共线；

所述竖向混凝土连接件连接在每两个所述混凝土压载舱结构之间，所述竖向混凝土连接件与所连接的两个所述混凝土压载舱结构的中心轴共面；

(4)所述混凝土压载舱结构和所述竖向混凝土连接件养护完成并达到设计的强度要求后，在所述混凝土连接底板上部支模、绑扎钢筋和浇筑混凝土，进行混凝土柱和斜向薄片式变截面混凝土结构的施工；

所述混凝土柱位于四个所述筒型基础所构成正方形的中心位置处；

所述斜向薄片式变截面混凝土结构连接于所述混凝土柱与每个所述混凝土压载舱结构之间，底部延伸至所述混凝土连接底板、顶部延伸至混凝土连接顶板，其截面长度由所述混凝土连接顶板至所述混凝土压载舱结构边缘呈连续变化；

(5)所述混凝土柱和斜向薄片式变截面混凝土结构养护完成并达到设计的强度要求后，在所述混凝土柱和斜向薄片式变截面混凝土结构顶部支模、绑扎钢筋和浇筑混凝土，进行混凝土连接顶板的施工；

(6)所述混凝土连接顶板养护完成并达到设计强度要求后，在所述混凝土连接顶板上部组装好塔筒和风机，形成四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机；

(7)利用吊机或滑道将所述四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机移入水中，通过所述筒型基础中空部分的空气提供浮力或者由所述管道接头连接吹气管向所述筒型基础中空部分注入高压气体而提供浮力，使所述四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机漂浮在水面上；

(8)利用拖轮将所述四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机拖至指定施工地点；

(9)通过所述管道接头抽掉所述筒型基础中空部分的空气或放掉所述筒型基础中空部分的高压气体，使所述筒型基础逐渐下沉至泥面，然后通过所述管道接头连接抽水管抽出所述筒型基础中的水体，实现负压下沉使其就位；下沉过程中当所述筒型基础出现倾斜时，通过泵系统对各分舱室施加不同的舱内正压力进行调平；

(10)所述筒型基础下沉就位后，对所述混凝土压载舱结构内投放压载物，施工完毕。

2.根据权利要求1所述的一种四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机施工方法，其特征在于，所述筒型基础为圆形，其外径为10～15m，高度为4～6m。

其中，相邻两个所述筒型基础之间的净距离为1～3倍的所述筒型基础外径。

其中，所述混凝土压载舱结构为圆形，其外径为10～15m，高度为4～6m。

其中，所述筒型基础周边设置向上延伸的钢质肋板并插入所述混凝土压载舱结构。

其中，所述管道接头在所述混凝土压载舱结构底面均匀布置，其直径为5～200mm，数量为10～100个。

其中，所述竖向混凝土连接件的高度与所述混凝土压载舱结构的高度一致且范围为4～6m，厚度为0.5m～1.5m；所述竖向混凝土连接件的上下两边分别与所述混凝土压载舱结构的上下表面齐平。

其中，所述混凝土连接底板和所述混凝土连接顶板的厚度均为0.5m～2m。

其中，所述混凝土柱的高度为10～20m。

其中，所述斜向薄片式变截面混凝土结构包括4～16个，所述混凝土柱与每个所述混凝土压载舱结构之间连接有1～4个所述斜向薄片式变截面混凝土结构；所述斜向薄片式变截面混凝土结构的厚度为0.5m～2m。

本发明的有益效果是：

本发明的四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机施工方法，可自浮拖航和沉放，整个沉放过程不需要大型设备，施工简单、快速，所需施工设备很少，避免了昂贵的大型水上现场施工设备，施工成本低、综合造价低。

附图说明

图1是本发明的施工方法中所涉及四个筒型基础与混凝土支撑结构体系的主视图；

图2是本发明的施工方法中所涉及四个筒型基础与混凝土支撑结构体系的俯视图；

图3是本发明的施工方法中所涉及四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机的主视图；

图4是分舱结构的平面示意图。

图中：1、筒型基础；2、混凝土压载舱结构；3、竖向混凝土连接件；4、混凝土柱；5、斜向薄片式变截面混凝土结构；6、混凝土连接顶板；7、混凝土连接底板；8、分舱板。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图4所示，本实施例公开了一种四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机施工方法，该方法具体按照如下步骤进行：

(一)陆上预制四个钢制的筒型基础1，每个筒型基础1完全相同，均为顶部封闭、底部敞口的圆筒状钢结构基础，外径为15m，壁厚25mm，顶盖厚50mm，筒高5m，其内部通过设置分舱板分成多个分舱室。筒型基础1的直径通常为10～15m，高度通常为4～6m；材质可以是钢筋混凝土、钢、钢-钢筋混凝土复合材料；内部可进行分舱处理，也可以不进行分舱处理。分舱室可以组成蜂窝状，包括中心的一个正六边形分舱和均匀设置于其周围的六个相同的边分舱，所有的钢制分舱板长度相等，均为钢制圆形筒型基础1结构直径的0.25倍，如图4所示。

筒型基础1顶盖设置有用于安装管道接头的预留孔，这些预留孔在筒型基础1的顶盖上呈径向均匀地布置，数量为10～100个。

预制完成后，将筒型基础1吊入陆地边的水中检查其气密性。

(二)筒型基础1的气密性符合设计要求后，将四个筒型基础1在水平面上按照其中心点连线能够构成一个正方形进行排布，每相邻两个筒型基础1中心点之间的距离为25m。四个筒型基础1的布置要求为在水平面上呈正方形分布，即四个筒型基础1的中心分别位于该正方形的四个顶点上。每相邻两个筒型基础1之间的净距离为1～3倍的筒型基础1外径，这样能够在充分发挥混凝土支撑结构优化筒型基础1承载能力的同时，利用四个筒型基础1的群体效应来提高整体基础结构体系的承载能力。

然后在四个筒型基础1之间支模、绑扎钢筋和浇筑混凝土，进行混凝土连接底板7的施工。混凝土连接底板7为板式混凝土结构，设置在筒型基础1之间并以四个筒型基础1的中心点连线为轮廓，混凝土连接底板7的底面位于四个筒型基础1顶面所在的平面上。混凝土连接底板7的厚度一般为0.5m～2m，具体尺寸可以根据实际工程进行调整。

(三)混凝土连接底板7养护完成并达到设计的强度要求后，在每个筒型基础1上部以其顶板作为底面模板进行混凝土压载舱结构2的施工，并在每相邻两个混凝土压载舱结构2之间进行竖向混凝土连接件3的施工，四个混凝土压载舱结构2和四个竖向混凝土连接件3同时支模、绑扎钢筋和浇筑混凝土。

需要注意，在浇筑混凝土压载舱结构2的混凝土之前应在筒型基础1顶盖的预留孔中安装用于传输高压气或水的管道接头，管道接头的顶端伸出于混凝土压载舱结构2底面、底端伸出于筒型基础1顶面，管道接头的内直径为5～200mm。

混凝土压载舱结构2是顶部敞口、底部封闭的一种倒置圆筒状混凝土结构，其外径为15m，壁厚35mm，底部厚50mm，高5m。混凝土压载舱结构2的外径范围是10～15m，高度范围是4～6m。混凝土压载舱结构2的中心轴与其所对应连接的筒型基础1的中心轴共线，且混凝土压载舱结构2的直径与筒型基础1的直径相等。混凝土压载舱结构2结构内部也可设置分舱板，或者在舱壁内侧增加梯形肋板，以增加混凝土压载舱结构2的刚度。还可以通过筒型基础1周边设置延伸出的环形钢质肋板并插入混凝土压载舱结构2来解决混凝土压载舱结构2与筒型基础1之间的连接问题，这种连接方式可以有效避免以往连接节点的应力集中现象，提高结构的整体刚度。

竖向混凝土连接件3呈竖向设置的长方体薄片结构，高度通常与混凝土压载舱结构2的高度一致且范围在4～6m，厚度为0.5m～1.5m，具体尺寸可以根据实际工程进行调整。每相邻两个混凝土压载舱结构2之间连接有一个竖向混凝土连接件3，该竖向混凝土连接件3与所连接的两个混凝土压载舱结构2的中心轴在同一平面上，且竖向混凝土连接件3的上下两边分别与混凝土压载舱结构2的上下表面齐平。

混凝土压载舱结构2、竖向混凝土连接件3和混凝土连接底板7的设置进一步提高了四个筒型基础1的整体性，有利于提高实际施工质量，使四个筒型基础之间相互作用产生群体效应，利用四个筒型基础之间的群体效应可避免四个筒型基础1间内力差异过大，从而减小了基础结构体系整体的不均匀沉降。

(四)混凝土压载舱结构2和竖向混凝土连接件3养护完成并达到设计的强度要求后，在混凝土连接底板7上部支模、绑扎钢筋和浇筑混凝土，进行混凝土柱4和斜向薄片式变截面混凝土结构5的施工。

混凝土柱4为圆柱形混凝土结构，外径为5m，高度为20m，内部可配置钢筋。混凝土柱4设置在四个筒型基础1所构成正方形的内心位置处，其底部连接于混凝土连接底板7上表面，其外径范围为4～6m，高度范围为10～20m。

四个斜向薄片式变截面混凝土结构5分别连接在每个混凝土压载舱结构2与混凝土柱4之间，且每个斜向薄片式变截面混凝土结构5与所连接的混凝土压载舱结构2的中心轴和混凝土柱4的中心轴在同一平面上。每两个相邻斜向薄片式变截面混凝土结构5之间的夹角为90度。斜向薄片式变截面混凝土结构5底部连接至混凝土连接底板7，其高度与混凝土柱4高度一致，高度为20m，厚度为0.5m～2m；斜向薄片式变截面混凝土结构5上部截面长度为2.5m，其截面长度由混凝土连接顶板6至混凝土压载舱结构2边缘(靠内侧)呈连续变化。

混凝土柱4和四个斜向薄片式变截面混凝土结构5组合形成类似于异形柱的结构受力体系，可以有效地抵抗上部传递下来的较大弯矩，在筒型基础1处近似转化为拉力和压力，以发挥筒型基础最大的承载力和群体效应，这种结构形式节省材料，降低造价，具有很好的经济性。

(五)混凝土柱4和斜向薄片式变截面混凝土结构5养护完成并达到设计的强度要求后，在混凝土柱4和斜向薄片式变截面混凝土结构5顶部支模、绑扎钢筋和浇筑混凝土，进行混凝土连接顶板6的施工，完成后如图1和图2所示。

混凝土连接顶板6为圆形混凝土板式结构，其直径为10m，厚度为0.5m。混凝土连接顶板6的直径为8～15m，厚度为0.5m～2m。混凝土连接顶板6设置在混凝土柱4和四个斜向薄片式变截面混凝土结构5顶端，用于通过法兰盘等连接结构与上部结构如海上风机塔筒、海洋平台等结构连接，并将上部结构传递下来的荷载和弯矩向下传递到混凝土支撑结构上，进而传递到四个筒型基础1上。

(六)混凝土连接顶板6养护完成并达到设计强度要求后，在混凝土连接顶板6上部组装好塔筒和风机，形成四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机，如图3所示。

(七)利用吊机或滑道将四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机移入水中，通过筒型基础1中空部分的空气，或者由管道接头连接吹气管向筒型基础1的中空部分注入高压气体而提供浮力，使四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机漂浮在水面上。

(八)利用拖轮将四个筒型基础与混凝土支撑结构的风电整机拖至指定施工地点，在拖航前在每个混凝土压载舱结构2上加临时盖板，防止水溅入而影响拖航稳性。

(九)通过管道接头抽掉筒型基础1中空部分的空气或放掉筒型基础1中空部分的高压气体，即放气下沉过程，使筒型基础1慢慢地逐渐下沉至泥面，然后通过管道接头连接抽水管抽出筒型基础1中的水体，借助水体的抽出实现筒内产生负压即负压下沉过程，使其下沉就位。

下沉过程中当筒型基础1出现倾斜时，通过泵系统对各分舱室施加不同的舱内正压力进行调平。

(十)筒型基础1下沉就位后，对混凝土压载舱结构2内投放压载物，施工完毕。

压载物可以是细砂、碎石或水泥砂浆。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。