海上风机铰接支撑连接的桩桶复合式基础及其安装方法与流程

本发明涉及一种海上风机铰接支撑连接的桩桶复合式基础及其安装方法，适用于海上风力发电机的技术领域。

背景技术：

近几年我国海上风电发展迅速,根据国家规划,至2020年全国的海上风机装机容量将达到5000mw。风电基础作为海上风机的重要组成部分,其成本约占工程总成本的30％,因此成为海上风电场成本之中起控制性作用的因素之一。

根据统计,截至目前单桩基础在全球海上风电基础形式中超过65％,是运用最多的风电基础形式。随着海上风机功率向着大型化的方向发展，以及所处场区地质条件较差、波浪力较大,单桩基础的桩径、桩长和桩重将进一步增加,但与之匹配的海上施工装备较少，施工费用昂贵，将制约海上风能资源的开发和利用。

吸力桶形基础由于刚度大、抗变形能力强、安装方便、综合承载性能高而广泛应用于近海和远海工程，但其贯入深度相对桩基础较浅，对浅层土体的承载能力要求高，单独利用吸力桶形基础作为海上风电基础存在较大的风险。

若能采用桩与吸力桶相结合的复合基础结构形式,充分发挥桩和吸力桶各自优势，通过外部吸力桶结构的巨大刚度，减少中心大直径单桩在极端荷载下的变形，增加风机基础的整体刚度和自振频率，进而减少桩径或桩长；同时利用大直径桩和吸力桶协同安装的特点，快速完成基础海上施工(安装周期与单桩接近)，解决了大直径单桩施工中的稳桩、调平等一系列问题。

随着水深增加，单桩结构水中段的悬臂长度对应增加，在上部风、浪、流荷载作用下，悬臂段桩体的变形非常显著，导致高耸达200米的风电机组产生非常大的水平晃动，严重影响工程安全。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、施工便捷、安全可靠的海上风机铰接支撑连接的桩桶复合式基础及其安装方法。

本发明所采用的技术方案是：一种海上风机铰接支撑连接的桩桶复合式基础，其特征在于：包括大直径单桩、吸力桶基础和铰接支撑结构；

所述吸力桶基础中心具有竖向贯通的插装孔，插装孔内壁上制有若干圈加强键；

所述吸力桶基础上方设有与所述插装孔同心共轴布置的套管，套管内壁上制有若干圈加强键，该套管经能收放升起的铰接支撑结构连接吸力桶基础；

所述大直径单桩依次同轴插装于所述套管和吸力桶基础中心插装孔内，并且该大直径单桩与套管和插装孔内的加强键接触，大直径单桩上开设有若干注浆孔，注浆孔对应套管和插装孔上相邻两加强键之间位置布置；

所述套管与大直径单桩之间通过由注浆孔注入的浆液相连；所述吸力桶基础的插装孔大直径单桩之间通过由注浆孔注入的浆液相连。

所述铰接支撑结构具有若干主支撑杆，主支撑杆一端经铰链一连接所述套管，主支撑杆另一端经铰链二连接滑块，滑块可沿所述吸力桶基础径向移动的置于吸力桶基础顶部；

对应所述滑块在吸力桶基础顶部设置沿吸力桶基础径向布置的滑槽，滑槽的远离吸力桶基础中心位置为一段与滑块相适配的导轨；

所述滑块上制有固定插销，所述滑槽中部制有与固定插销相适配的固定槽。

所述主支撑杆中部经铰链三连接加强支撑杆的一端，加强支撑杆的另一端经铰链四连接所述吸力桶基础。

所述吸力桶基础顶面中心制有与所述套管相适配的容置槽。

所述吸力桶基础上部边缘制有一圈防冲板，防冲板与吸力桶基础外侧壁之间经若干均匀分布的支撑肋板相连。

所述吸力桶基础内经若干分舱板分隔成若干舱体，分舱板间设置加强板。

所述吸力桶基础顶面设有若干吊环。

一种所述海上风机铰接支撑连接的桩桶复合式基础的安装方法，其特征在于：

将吸力桶基础吊运至指定施工位置；

使吸力桶基础在自重下贯入海床，待自重贯入稳定后，进入负压抽真空，将吸力桶基础中海水抽出，完成负压沉贯；

缓慢牵引大直径单桩穿过套管和插装孔至吸力桶基础底端接触海床，准备进行单桩打入；

进行打桩过程，将大直径单桩打入到指定深度；

通过注浆孔对套管与大直径单桩之间和插装孔与大直径单桩之间进行灌浆，胶结整个结构，完成桩桶式基础的安装。

运输时，所述铰接支撑结构和套管收缩于所述吸力桶基础内；

运至指定施工位置后，铰接支撑结构展开，使套管经铰接支撑结构固定于吸力桶基础上方相应位置。

本发明的有益效果是：

本发明将大直径单桩与吸力桶基础结合，充分发挥两种基础的优势，且施工过程互不干扰，同时上下两部分设置加强键协同作用，有效提高桩体的侧向支撑，显著减小桩体的水平向变形。

本发明在吸力桶基础边缘设置防冲板与支撑肋板，扩大桶体与土体的接触面积，增大了桶身的侧摩阻力，提高了结构的承载力，并能够有效防止海水的冲刷影响，节省了单桩基础防冲刷专项设施及费用。

本发明通过铰接支撑结构配合套管，能提供入水段桩体强大的支撑，铰接设计使得支撑结构能够自由收放升起，减少了基础的安装工序及所需的空间，同时能够有效减小单桩安装过程的侧向位移，提高结构稳定性，安全性可靠。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图2为实施例的俯视图。

图3为实施例的剖视图。

图4为实施例中固定槽的示意图。

图5为实施例的安装过程示意图。

具体实施方式

如图1～图3所示，本实施例为一种海上风机铰接支撑连接的桩桶复合式基础，包括大直径单桩1、吸力桶基础3和铰接支撑结构。

本例中吸力桶基础3中心具有竖向贯通的且尺寸略大于大直径单桩1直径的插装孔，插装孔内壁上制有3圈加强键4，加强键4厚度根据插装孔孔径与大直径单桩1直径的差值确定。

吸力桶基础3内经3块分舱板22分隔成3个同等大小的舱体，分舱板22间设置加强板8，增大吸力桶基础3的刚度，减小基础安装过程中的变形。每个舱体顶设置负压抽水孔5，可通过负压抽水孔5抽水使得用吸力桶形基础内外形成负压，进而完成负压沉贯，并可通过调节各舱体间的抽水压力实现基础调平，保证安装质量。

本实施例中在吸力桶基础3上方设有与插装孔同心共轴布置的套管，套管内径与插装孔孔径相当，内壁上制有3圈加强键4。

本例中套管经能收放升起的铰接支撑结构连接下方的吸力桶基础3，铰接支撑结构具有均匀分布于套管周围的三根主支撑杆9，主支撑杆9一端经铰链一15连接套管，主支撑杆9另一端经铰链二16连接置于吸力桶基础3顶部的滑块11，主支撑杆9中部经铰链三17连接加强支撑杆10的一端，加强支撑杆10的另一端经铰链四18连接吸力桶基础3。

本实施例中在吸力桶基础3顶部对应滑块11设有沿其径向布置的滑槽14，滑槽14的远离吸力桶基础3中心位置为一段沿滑槽14布置的导轨13。滑块11安装于导轨13内，可沿导轨13来回移动。

本例中在导轨13的靠近吸力桶基础3中心端设有垂直滑槽14的固定槽12，滑块11上制有与固定槽12相适配的固定插销20(见图4)。当滑块11移动到固定槽12位置，并将固定插销20插装于固定槽12后，滑块11位置锁定，无法继续沿导轨13移动。

本实施例中在吸力桶基础3顶面中心、插装孔上端制有与套管相适配的容置槽。

本实施例中吸力桶基础3在运输时，套管和铰接支撑结构收缩于吸力桶基础3内，大大减小结构所占空间，方便运输。套管置于吸力桶基础3内上的容置槽内，加强支撑杆10与主支撑杆9之间不相连，加强支撑杆10绕铰链四18转动后置于滑槽14内，滑块11位于导轨13的远离吸力桶基础3中心端，主支撑杆9置于滑槽14内。

吸力桶基础3在运输到指定位置后，铰接支撑结构展开，滑块11向吸力桶基础3中心移动并经固定插销20固定于固定槽12内，套管上升，加强支撑杆10绕铰链四18转动并经铰链三17连接主支撑杆9。

本例中吸力桶形基础上表面设置吊环19，以方便基础的运输及吊装。吸力桶形基础上部外边缘设置有一拳防冲板6，以减轻海水冲刷，防冲板6与吸力桶基础3侧壁之间设置支撑肋板7，扩大可桶体与土体的接触面积，提高了基础结构承载力。

本实施例中铰接支撑结构展开状态下，大直径单桩1依次同轴插装于套管和吸力桶基础3中心插装孔内，并且该大直径单桩与套管和插装孔内的加强键4接触，大直径单桩1上开设有若干注浆孔21，注浆孔21对应套管和插装孔上相邻两加强键4之间位置布置。套管与大直径单桩1之间通过由注浆孔21注入的浆液相连成一体；吸力桶基础3的插装孔与大直径单桩1之间通过由注浆孔21注入的浆液相连成一体。

图5为实施例的安装过程示意图，安装过程包括吸力桶基础3的吊装就位、吸力桶沉贯、单桩就位、单桩打入、桩桶基础安装完成五个过程，具体过程如下：

1)将大直径单桩1和吸力桶基础3吊运至指定施工位置，展开铰接支撑结构后将固定插销20插入固定槽12，在固定槽12内注浆，使得滑块11、固定插销20与固定槽12形成强连接，此后准备进行吸力桶基础3的沉贯。

2)使吸力桶基础3在自重下贯入海床，待自重贯入稳定后，进入负压抽真空，将三个舱室中海水抽出，完成负压沉贯，封闭负压抽水孔5，保证吸力桶基础3的稳定性。

3)缓慢牵引大直径单桩1穿过套管和插装孔至吸力桶基础3底端接触海床，准备进行单桩打入。

4)进行打桩过程，将单桩打入到指定深度。

5)通过注浆孔21对套管与大直径单桩1之间和插装孔与大直径单桩1之间进行灌浆，胶结整个结构，完成桩桶式基础的安装。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。