本发明涉及海上风力发电工程领域，尤其是涉及一种海上风力发电机组基础结构及其安装方法。
背景技术
目前我国海上风电场大部分建设在台风多发海域，所采用的风力发电机组功率越来越大，台风多发区大功率风力发电机组所受到的荷载量级巨大，对基础的刚度和强度要求更高，风机单机容量的增加以及深水域海床地质条件的多样性对海上风电机组的基础结构型式提出新的要求和挑战。
单桩基础是海上风力发电机组基础结构中的主要基础型式之一，但目前单桩基础设计的桩径越来越大，钢材消耗大，我国福建、广东沿海地区存在大范围浅覆盖层岩石地基海床，大直径钢管桩嵌岩施工周期长，成本高，不确定性因素大，单桩基础难以得到应用。
重力式基础是海上风力发电机组基础结构中的另一种主要基础型式，它主要依靠基础及压载物重量抵抗上部风机荷载和外部环境荷载产生的倾覆力矩和滑动力，使基础和风机塔架结构保持稳定。重力式基础结构部分通常为钢筋混凝土结构物，节省钢材，经济效果好，采用陆上预制方式建造，不需要海上打桩作业，海上现场安装工作量小，节省施工时间和费用。
目前国内陆上风电场的重力式基础采用现场浇筑混凝土施工，而海上风电场通常离岸较远、水深较深，现有陆上重力式基础无法直接应用，且重力式基础全部采用混凝土会导致整体造价较高，并且基础结构重量过大，需要大型船机设备辅助运输。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的至少在于提供一种具有适用大容量风机、施工简便、成本低等优点的海上风力发电机组重力式沉箱基础及其安装方法。
本发明的基本技术方案为：圆柱段壳体位于混凝土预制的圆形沉箱的上部；加强圈梁位于圆柱段壳体的上方；抗冰锥位于圆柱段壳体和加强圈梁相交处，且位于圆柱段壳体的外周；圆柱段壳体内设置有纵向的预应力孔道；预应力筋穿入预应力孔道，下端锚固于圆形沉箱的底板内，上端锚固于加强圈梁内。
基于上述技术特征，加强圈梁的壁厚大于圆柱段壳体的壁厚。
基于上述技术特征，底板内埋设有预应力筋的固定端锚具；加强圈梁内部埋设有预应力锚栓、环形锚垫板和预应力筋的张拉端锚具；预应力锚栓沿环形锚垫板的圆周中心线均匀布置内外两圈；预应力锚栓的上端通过螺母与风机塔筒底法兰连接，下端通过螺母与环形锚垫板连接，风机塔筒底法兰固定在加强圈梁的顶部；张拉端锚具沿环形锚垫板的圆周中心线均匀布置一圈，且位于预应力锚栓内外两圈的中间，预应力筋通过预应力锚栓锚固在环形锚垫板上。
基于上述技术特征，圆形沉箱包括外壁、肋板、隔舱和底板；肋板两端分别与延伸至圆形沉箱内的圆柱段壳体和外壁连接，在圆形沉箱内分割成数个均匀分布的隔舱；隔舱内填充有压载填料，上部覆盖有抛石防护层。
基于上述技术特征：压载填料为砂石填料。
基于上述技术特征：抗冰锥为倒锥体结构，锥体母线与水平面成45度夹角。
基于上述技术特征：重力式沉箱基础安装在铺设碎石垫层的海床面上，重力式沉箱基础周围设有抛石防护层。
本发明还提供一种海上风力发电机组重力式沉箱基础的安装方法，包括以下步骤：
1)利用混凝土浇筑圆形沉箱的底板，并在底板内预埋固定端锚具；
2)由下往上浇筑圆形沉箱、位于圆形沉箱上部的圆柱段壳体、抗冰锥和加强圈梁，并在圆柱段壳体内预留预应力孔道；
3)预应力锚栓下端通过螺母与环形锚垫板固定连接后预埋在加强圈梁内；
4)将预应力筋下端锚固于底板内的固定端锚具上，上端通过张拉端锚具锚固于加强圈梁内的环形锚垫板上，预应力筋上端通过张拉端锚具进行张拉施工；
5)张拉施工结束后对预应力孔道进行灌浆；
6)将重力式沉箱基础整体运输至海上安装位置，往圆形沉箱的隔舱内注水进行下沉，安装在铺设碎石垫层的海床面上；
7)将压载填料填充于圆形沉箱的隔舱内；
8)预应力锚栓的上端通过螺母与位于加强圈梁顶部的风机塔筒底法兰连接。
作为上述安装方法的一种优化：可通过调节预应力锚栓上端的螺母的安装位置，对风机塔筒底法兰进行调平。满足风机塔筒吊装对法兰平整度的要求。
本发明的有益效果是：
1.与现有的重力式基础结构相比，本发明采用混凝土材料，特别是采用高强度混凝土材料预制壳体结构，并且对壳体进行后张法预应力张拉，大幅提高了重力式基础的强度和刚度，同时显著降低了重力式基础结构的尺寸和重量，使得重力式基础能够应用于台风多发海域和大容量风电机组。
2.与现有大直径单桩基础相比，本发明能够适用于坚硬的砂土或岩石地基海床，具有陆上建造、无需打桩、海上作业量小、节约钢材、减少海上施工时间和费用等优点。
3.风机塔筒与基础顶部连接方式采用预应力锚栓连接技术，使得整个截面受力始终处于受压状态，有效提高了连接部位的混凝土疲劳寿命。
4.海上风力发电机组重力式沉箱基础结构便于安装与拆除，大大减少了海上施工作业量，既节约了工期，提高了施工效率，又降低了工程造价，具有良好的经济性。
附图说明
图1显示为本发明一个实施例中海上风力发电机组重力式沉箱基础的结构示意图；
图2显示为图1所示重力式沉箱基础的加强圈梁结构示意图；
图3显示为图1所示重力式沉箱基础的环形锚垫板结构示意图；
图4显示为图1所示重力式沉箱基础的a-a剖面示意图；
图5显示为图1所示重力式沉箱基础的b-b剖面示意图。
元件标号说明
100加强圈梁
200预应力锚栓
210风机塔筒底法兰
220螺母
300抗冰锥
400圆柱段壳体
500预应力筋
510预应力孔道
520环形锚垫板
530张拉端锚具
540固定端锚具
600圆形沉箱
610外壁
620肋板
630隔舱
640底板
700压载填料
800碎石垫层
810海平面
900抛石防护层
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
图1-5示出本发明海上风力发电机组重力式沉箱基础的一个实施例。
如图1所示，该重力式沉箱基础包括混凝土预制的加强圈梁100、抗冰锥300、圆柱段壳体400和圆形沉箱600。加强圈梁100内埋设有预应力锚栓200。抗冰锥300为倒锥体结构，锥体母线与水平面成45度夹角。圆柱段壳体400采用后张法进行预应力张拉，预应力筋500下端锚固于圆形沉箱600的底板640内，上端锚固于加强圈梁100内。圆形沉箱600的隔舱630内填充有压载填料700作为压载物。整个重力式沉箱基础安装在铺设碎石垫层800的海床面上，基础周围设有防止冲刷的抛石防护层900。本发明提供的上述重力式沉箱基础为混凝土预制结构，对圆柱段壳体400采用后张法预应力张拉，大幅提高了重力式基础的强度和刚度，显著降低了重力式基础预制结构的尺寸和重量，节约了材料成本，与传统的重力式基础相比，能够应用于台风多发海域和大容量海上风电机组的风电场。
如图1、图2和图3所示，加强圈梁100位于圆柱段壳体400顶部，内部埋设有预应力锚栓200、环形锚垫板520和张拉端锚具530。环形锚垫板520形状为圆环形，预应力锚栓200沿环形锚垫板520圆周中心线均匀布置内外两圈。预应力锚栓200的上端通过螺母220与风机塔筒底法兰210连接，下端通过螺母与环形锚垫板520连接。张拉端锚具530沿环形锚垫板520圆周中心线均匀布置一圈，且位于预应力锚栓200内外两圈的中间。环形锚垫板520根据预应力锚栓200和张拉端锚具530的布置情况沿圆周均匀开设相应的尺寸和数量的通孔。环形锚垫板520作为承上启下的结构，向上连接预应力锚栓200，向下连接预应力筋500。作为连接风机塔筒底法兰210与重力式沉箱基础的关键部位，加强圈梁100的壁厚优选大于混凝土预制的圆柱段壳体的厚度，并且可采用高强灌浆材料浇筑成型，以进一步保证加强圈梁100的结构可靠性。为提高预应力锚栓200的抗拉性能，优选为大六角型高强度螺栓，其数量和规格可根据上部传递过来的风机荷载计算确定。通过预应力锚栓200对风机塔筒底法兰210施加预紧力，能够保证加强圈梁100的结构始终处于受压状态，显著提高了加强圈梁100部位混凝土的疲劳寿命，通过调节螺母220的安装位置，还可对风机塔筒底法兰210进行调平，从而使本发明提供的上述重力式沉箱基础能够很好地满足风机塔筒吊装对法兰盘平整度的要求。
如图1、图4和图5所示，圆柱段壳体400为预应力混凝土结构，优选采用高强度混凝土预制而成。沿混凝土预制壳体的圆周均匀预留用于穿入预应力筋500的预应力孔道510，预应力孔道510与环形锚垫板520圆周中心线上的通孔对应。在预应力孔道510内穿入预应力筋500后，采用后张法对混凝土预制壳体进行预应力张拉，预应力筋500贯穿圆柱段壳体400上预留的预应力孔道510，下端锚固于底板640内的固定端锚具540上，上端通过张拉端锚具530锚固于加强圈梁100内的环形锚垫板520上。预应力筋500可选用高强低松弛预应力钢绞线。圆形沉箱600由外壁610、肋板620、隔舱630和底板640组成，肋板620两端分别与圆柱段壳体400和外壁610连接，隔舱630由8个均匀分布的扇形区域组成，当然也可以被均匀分割成6个或10个等它数量的区域，图中所示仅为一种示意。隔舱630内填充有压载填料700，上部覆盖有防止冲刷的抛石防护层900。底板640内部预埋有预应力筋500的固定端锚具540，底板640可直接安放在铺设有碎石垫层800的海床面上。采用上述结构形式使得风机荷载传递至基础底部的受力明确，荷载传递路径简单直接，后张法预应力混凝土结构强度和刚度大，防海水腐蚀效果好，施工方便，圆柱段壳体400截面尺寸较小，受到的波浪和海流作用较小。
压载填料700优选为砂石填料，例如海砂、碎石或海水的级配填充物，填充于所述的圆柱段壳体400和圆形沉箱600的隔舱630的空腔内。重力式基础对压载物需求量非常大，沿海地区海砂、碎石等压载物供应量充足，价格便宜，有利于降低工程成本。
本实施例的海上风力发电机组重力式沉箱基础的安装方法，包括以下步骤：
1)利用混凝土浇筑底板640，并在底板内预埋固定端锚具540；
2)浇筑圆形沉箱600、圆柱段壳体400、抗冰锥300和加强圈梁100，并在圆柱段壳体400内预留预应力孔道510；
3)预应力锚栓200下端通过螺母与环形锚垫板520固定连接后预埋在加强圈梁100内；
4)将预应力筋500下端锚固于底板640内的固定端锚具540上，上端通过张拉端锚具530锚固于加强圈梁100内的环形锚垫板520上，预应力筋500上端通过张拉端锚具530进行张拉施工；
5)张拉施工结束后对预应力孔道510进行灌浆；
6)将重力式沉箱基础整体运输至海上安装位置，往圆形沉箱600的隔舱630内注水下沉；
7)将压载填料700填充于圆形沉箱600的隔舱630内；
8)预应力锚栓200的上端通过螺母220与风机塔筒底法兰210连接；
9)通过调节预应力锚栓200上端的螺母220的安装位置，对风机塔筒底法兰210进行调平，满足风机塔筒吊装对法兰平整度的要求。
如上所述，本发明采用混凝土预制沉箱结构，对圆柱段壳体进行后张法预应力张拉，大幅提高了重力式基础的强度和刚度，显著降低了重力式基础预制结构的尺寸和重量，基础结构防海水腐蚀效果好，节省钢材，陆上预制方式建造，海上现场安装工作量小，节省施工时间和费用，重心较低，具有良好的稳定性，能够应用于大容量风电机组和浅覆盖层的近海风电场。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。