一种提升海上风电单桩过渡段灌浆材料疲劳寿命的装置的制作方法

本实用新型涉及一种提升海上风电单桩过渡段灌浆材料疲劳寿命的装置，适用于海上风力发电行业，特别是需要过渡段灌浆的单桩基础。

背景技术：

作为结构简单、荷载传递明确且施工简便快捷的一种海上风电基础结构型式，单桩基础在目前已建成的近海风电场中得到广泛应用，欧洲超过三分之二的海上风电项目都采用单桩基础，基础直径已达9.5m。

在砂性土和硬粘土地区，沉桩施工会造成桩头累积一定的疲劳损伤，多采用含过渡段的单桩基础，即上部结构（塔筒、风电机组）与钢管桩通过过渡段钢管灌浆连接（见图1、图2），上部荷载通过过渡段传递至桩基础。欧洲绝大多数的单桩基础都是含过渡段灌浆连接的单桩基础。

海上风机结构服役环境恶劣，长期承受各种海洋环境荷载的交互作用，尤其是风机运行荷载的往复作用，疲劳荷载已成为其主要控制荷载。在长期往复荷载作用下，钢管桩顶部附近的灌浆材料容易就出现疲劳碎裂，随着灌浆材料破坏的进一步发展，过渡段钢管下移，进而影响上部结构的稳定和风机的安全运行。在欧洲已运行的风电场中，有超过400台的单桩基础出现了上述破坏现象，后续维修加固成本较高。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种提升海上风电单桩过渡段灌浆材料疲劳寿命的装置，改进目前广泛应用于海上风电单桩基础的过渡段结构，旨在通过该装置较大的阻尼吸收部分上部荷载能量，减少传递至灌浆材料和桩基础上的疲劳荷载，提升过渡段灌浆材料的疲劳寿命，降低后期维护加固的成本；另外，该装置的设置也可以降低桩基础因疲劳设计所需增加的材料和工艺成本，提高风机结构的疲劳寿命。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：一种提升海上风电单桩过渡段灌浆材料疲劳寿命的装置，包括沉桩施工于海床上的钢管式单桩，所述钢管式单桩的桩顶套设过渡段结构，所述过渡段结构包括过渡段钢管、焊接于过渡段钢管内壁上的支撑牛腿以及固定在支撑牛腿下的环形橡胶垫块，所述过渡段钢管套设在所述钢管式单桩外侧，所述环形橡胶垫块支撑在所述支撑牛腿和所述钢管式单桩之间。

在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述支撑牛腿为多个，所述多个支撑牛腿沿所述过渡段钢管的内壁环向均匀布置，其端部所形成的环面内径小于钢管式单桩的内壁直径。

所述环形橡胶垫块的外径与过渡段钢管的内径相等，其内径小于钢管式单桩的内径，所述环形橡胶垫块的顶面与支撑牛腿的底面压紧受力，所述环形橡胶垫块的底面与钢管式单桩的顶面压紧受力。

所述钢管式单桩的外表面与所述过渡段钢管的内表面在套接段范围内通过灌浆连接固定，所述钢管式单桩与过渡段钢管的套接段之间设有灌浆连接区，所述灌浆连接区的下部设有灌浆封堵装置。

所述环形橡胶垫块的下表面设置溢浆槽，所述溢浆槽连通灌浆连接区与钢管式单桩内部，所述溢浆槽的分布避开支撑牛腿的受力区域。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的装置具有以下优点：1）本装置较大的阻尼吸收了部分上部荷载能量，减少了传递至灌浆材料和桩基础的疲劳荷载，提升了过渡段灌浆材料的疲劳寿命，降低了后期维护加固的成本；2）本装置的设置也可以降低桩基础因疲劳设计所需增加的材料和工艺成本，提高风机结构的疲劳寿命；3）本装置的制作在陆上加工厂中完成，既可保证加工质量，又不增加海上的现场工作量；4）本装置的设置不会对现场作业及安装上部结构等后续施工产生影响。

附图说明

图1为本实用新型安装在海上风机单桩基础结构上的立面示意图。

图2为本实用新型的典型剖面图。

图3为图2的A-A剖视图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实用新型包括沉桩施工于海床上的钢管式单桩1，钢管式单桩1的桩顶部位套设有过渡段结构，过渡段结构包括过渡段钢管4、焊接于过渡段钢管4内壁的支撑牛腿3和固定在支撑牛腿3下的环形橡胶垫块2，所有钢材材料一致。

过渡段钢管4套设在钢管式单桩1的外侧，支撑牛腿3焊接于过渡段钢管4的内壁上，且位于钢管式单桩1的上端，环形橡胶垫块2支撑于钢管式单桩1的桩顶与支撑牛腿3之间。

支撑牛腿3为多个，多个支撑牛腿3沿过渡段钢管4的内壁环向均匀布置，并且，多个支撑牛腿3的端部所形成的环面的内径，小于钢管式单桩1的内壁直径，也就是说，多个支撑牛腿3大小相同，且其端部突出于钢管式单桩1的内壁。本实施例中支撑牛腿3沿过渡段钢管4的内壁环向均匀布置6个，其径向厚度等于或略小于环形橡胶垫块2的径向厚度，但等于或略大于钢管式单桩1顶部壁厚与灌浆厚度之和；支撑牛腿3的高度略大于其径向厚度，具体宜通过有限元受力分析而定，达到最理想效果。

环形橡胶垫块2的顶面与支撑牛腿3的底面压紧受力，环形橡胶垫块2的底面与钢管式单桩1的顶面压紧受力。环形橡胶垫块3的内径依据钢管式单桩1顶部的内径确定，等于或略小于钢管式单桩1顶部的内径；环形橡胶垫块2的径向厚度依据钢管式单桩1顶部壁厚和灌浆厚度确定，等于或略大于钢管式单桩1顶部壁厚与灌浆厚度之和，环形橡胶垫块2的轴向高度依据期望消能水平和有限元受力分析而定，以达到最理想效果。

所述钢管式单桩1的外表面与所述过渡段钢管4的内表面在套接段范围内通过灌浆连接固定，所述钢管式单桩1与过渡段钢管4的套接段之间设有灌浆连接区5，灌浆连接区5的顶部与环形橡胶垫块2接触，灌浆连接区5的下部设有灌浆封堵装置6。

环形橡胶垫块2的下表面预制溢浆槽7；溢浆槽7连通灌浆连接区5与钢管式单桩1内部，所述溢浆槽7的分布避开支撑牛腿3的受力区域。

本实施例的具体施工方法如下：钢管式单桩1、环形橡胶垫块2（预制溢浆槽7）、支撑牛腿3、过渡段钢管4、灌浆材料5、灌浆封堵装置6的选材、选型、加工和装配工作在施工前预先完成，包括将支撑牛腿3焊接到过渡段钢管4内壁、将2环形橡胶垫块固定到3支撑牛腿下部。钢管式单桩1的沉桩施工与普通钢管式单桩相同，无需增加其他的辅助设备或措施。待钢管式单桩1沉桩完毕后，将预安装好环形橡胶垫块2和支撑牛腿3的过渡段结构吊装至钢管式单桩1上，对过渡段顶法兰进行调平，最后进行封堵、灌浆。其灌浆工艺与传统的过渡段单桩基础灌浆工艺相同，钢管式单桩1顶部需溢浆（本实施例通过溢浆槽7溢浆）；后续上部结构的施工安装与传统的过渡段单桩风机基础一致。

上述实施例主要应用于海上风力发电机单桩基础中，特别是需要过渡段灌浆的单桩基础，但并不以此为限，对于工程结构所涉及的其它桩基础也可运用本实用新型技术方案进行改良，提升过渡段灌浆材料的疲劳寿命，降低后期维护加固的成本以及桩基础因疲劳设计所需增加的材料和工艺成本，进而提高工程结构的疲劳寿命。无论是何种型式的工程桩基础结构，只要该桩基础结构符合“在基桩顶部过渡段处设置大阻尼材料吸收部分上部荷载能量，减少传递至灌浆材料和桩基础上的疲劳荷载，提升过渡段灌浆材料的疲劳寿命，降低桩基础因疲劳设计所需增加的材料和工艺成本”的设计原则，则均落在本实用新型的保护范围之内。