一种用于海上风电的高强注浆管节点导管架基础及其施工方法与流程

1.本发明专利涉及海上风电开发领域，具体涉及一种用于海上风电的高强注浆管节点导管架基础及其施工方法。


背景技术：

2.随着我国工业的快速发展，对能源的需求日益增大。目前，我国正处于能源转型的关键阶段，海上风电开发成为了我国缓解能源供需矛盾、减轻环境污染的重要解决途径，是我国能源开发的新增长点。
3.我国是海上风资源蕴藏量最为丰富的国家之一，我国的近海风资源可开发总量约为7.5亿千瓦，深远海风资源可开发总量约为16亿千瓦。海上风能作为目前最具大规模开发前景及产业化最好的可再生能源之一，已成为我国深入推进能源生产、消费革命和促进大气污染防治的重要手段。自2018年起，我国的年新增海上风电装机容量一直处于世界第一，截止至2019年底，我国的海上风电并网总量已成为仅次于英国和德国的世界第三大国家，按此发展，我国海上风电并网总量将在2025年跃居世界第一。
4.目前，我国近海浅水风电资源的开发已经基本饱和，海上风电资源的开发正在从30m以下的浅水走进30m
‑
50m的中等过渡水深。过渡水深下，传统的桩式基础的建造成本增大明显，漂浮式基础造价更加昂贵，相对而言，桁架式的导管架基础不仅结构安全稳定，且造价经济，更具竞争力。
5.风电导管架基础结构是目前海上风电应用较为广泛的一种基础形式，可适用于大型风机和各种水深乃至深海领域，其早期应用于动力响应并不显著的海洋油气平台。海上风电结构在运行期间基础不仅承受水动力载荷，还会受到气动载荷的长期作用，结构基础中的管节点在服役过程中一直存在着复杂的交变应力。因此，管节点的极限强度和疲劳强度是导管架基础结构设计中的主要控制准则。
6.钢管混凝土结构通过在钢管内充填混凝土形成，已在超高层建筑、地铁车站和桥梁等大型基础设施中得到应用。钢管混凝土结构可以有效改善传统钢结构的承载力性能与其对抗循环往复荷载的疲劳性能，但目前尚无钢管混凝土结构在海上风电基础的应用。
7.发明专利内容
8.针对现有技术中存在的不足，本发明专利的目的在于提供一种用于海上风电的高强注浆管节点导管架基础及其施工方法。本发明专利将充分发挥钢制管节点填充灌浆料后的高耐久性、抗疲劳、强承载力特点，为中等水深乃至深海水域的海上风电资源开发提供一种新颖的可靠技术手段。
9.一方面，本发明提供一种高强注浆管节点的海上导管架风电基础，包括由上至下依次固定连接的风机底节塔架、平台过渡段、导管架主体以及钢管桩，所述导管架主体的高度方向上间隔布置有多个支撑结构，且所述每个支撑结构包括通过若干管节点固定连接的导管架主腿、导管架斜撑与导管架横撑。
10.所述导管架主腿为钢制结构，是导管架风电基础的主要支撑结构。所述导管架主腿与海床处钢管桩顶部进行灌浆连接，将导管架风电基础固定在海床上。
11.所述导管架斜撑为钢制结构，是导管架风电基础的次要支撑结构。所述导管架斜撑将导管架主腿连接在一起，增加了结构基础的抗侧能力，提高了整个基础的侧向刚度和整体性，是整个基础的主要传力构件，保证了整个基础在对抗环境荷载时的应力分布均匀性。
12.所述导管架横撑为钢制结构，是导管架风电基础的次要支撑结构。所述导管架横撑将导管架主腿连接在一起，所述导管架横撑将整个导管架基础分割成了若干个平台段，避免主腿过长发生受压失稳。
13.所述平台过渡段为钢制结构，用于导管架基础与风机底节塔架之间的连接过渡，该过渡段处的平台可以用于布置风电机组结构的辅助设备，亦可以作为后期运维中维修人员的登陆和操作平台，维修人员可以从该平台过渡段直接进入风机的塔架内部，省去了风机外平台的设置。
14.本发明所述每个支撑结构内的每两根导管架主腿、两根导管架斜撑与两根导管架横撑的相交处通过一个k
‑
k型管节点相连。所述k
‑
k型管节点是所述两根导管架主腿与两根导管架斜撑、两根导管架横撑的相交处，呈k
‑
k型式。所述k
‑
k型管节点是整个结构基础中应力集中最为明显的区域，是结构强度设计中需要重点校核的位置，是结构基础中的主要承力构件。本发明所述k
‑
k型管节点外部是薄壁钢管，内部将填充高强浆，且填充边界覆盖有封隔片。
15.本发明所述封隔片为钢制片状构件，一方面作为灌浆料在管节点内部的填充边界，将灌浆料密实封装于管节点中；另一方面，封隔片提高了结构的抗冲剪能力，降低了节点处所需的厚壁段厚度与长度，降低了管节点处的应力集中。
16.本发明所述每个支撑结构内的每两根导管架主腿与两根导管架斜撑的相交处通过一个y
‑
y型管节点相连。类似于上述k
‑
k型管节点，所述y
‑
y型管节点外部是薄壁钢管，内部将填充高强浆，且填充边界覆盖有封隔片。
17.所述k
‑
k型管节点与y
‑
y型管节点中所布置的封隔片位于管节点各支管与主管的厚壁段末端，因此，钢管混凝土管节点的灌浆料填充范围是管节点厚壁段内部。需要注意的是，本发明虽在管节点处添加了封隔片的焊缝，但焊缝所在位置本身即为管节点与横撑、斜撑、主腿相连的焊接位置，因此并没有增加额外的焊缝。
18.另一方面，本发明还提供一种高强注浆管节点的海上导管架风电基础的施工方法，包含：
19.所述一种高强注浆管节点的海上导管架风电基础施工方法为建造基地内预制钢结构，现场沉桩后安装导管架结构，最后填充注浆料增强导管架风电基础结构节点强度。即具体施工步骤分成三大部分，1、陆地建造，2、海上沉桩与安装，3、填充注浆料增强节点。
20.1、陆地建造采用分段建造后总装组对的方式，充分利用建造场地内的空余工作面，按照下料、卷圆、焊接、回圆、组对的顺序分别建造所述平台过渡段、导管架斜撑、导管架主腿、导管架横撑、导管架k
‑
k型管节点、x型管节点、y
‑
y型管节点、钢管桩。总装时在建造基地的两条滑道上采用导管架卧式总装的方式开展建造施工。具体施工步骤为：
21.(1)将两组所述导管架主腿、导管架k
‑
k型管节点、y
‑
y型管节点分别吊装至建造基
地两条滑道上，然后进行组对焊接。
22.(2)将一组导管架斜撑、导管架横撑、x型管节点进行两条滑道间导管架底面结构总装组对焊接。
23.(3)用履带吊起重机分别起重2组导管架斜撑、导管架横撑、x型管节点进行导管架立面结构总装组对焊接。
24.(4)将其余两组所述导管架主腿、导管架k
‑
k型管节点、y
‑
y型管节点分别吊装至导管架立面结构上完成组对焊接。
25.(5)将剩余一组导管架斜撑、导管架横撑、x型管节点进行导管架顶面结构总装组对焊接。
26.(6)将平台过渡段与总装完成的导管架结构焊接成整体，完成陆地建造步骤。
27.2、海上的下水安装可以根据实际工作水深采用吊装或是滑移下水，沉桩使用先桩法；当海上导管架风电基础装船方式采用卧式滑移装船，利用驳船干拖的方式将海上导管架风电基础和4根钢管桩运输至机位点，具体步骤如下：
28.(1)进行4根钢管桩的沉桩，沉桩完成后测量实际沉桩精度，满足导管架基础精度要求后可进行导管架基础安装施工作业。
29.(2)进行导管架基础的吊装与插桩作业。所述海上导管架风电基础安装方式可根据海上风电场海洋环境条件和导管架风电基础尺寸重量等因素选择两种安装方式。当海上风电场水深较浅，所述导管架风电基础尺寸、重量能够满足浮式起重船起重极限的情况下可采用吊装的方式进行安装。主浮式起重船起吊导管架风电基础顶侧，辅助浮式起重船进行溜尾起重配合，主浮式起重船逐渐增大起重力将导管架风电基础顶侧抬升，辅助起重船逐渐减小起重力，使得导管架风电基础逐渐形成在位状态下姿态直至完全直立状态。导管架风电基础四个主腿安装就位时先进行一根的插尖安装，之后以这根主腿为定位点完成另外三根主腿的插尖安装。当海上风电场水深较深，所述导管架风电基础尺寸、重量超出浮式起重船起重极限的情况下可采用滑移下水，水下扶正的方式进行安装。驳船进驻机位点后，逐渐将导管架风电基础往船尾滑移，此过程中逐渐调节驳船的压载使得船尾吃水大于船艏吃水。待导管架风电基础完成下水后利用浮式起重船在水中将导管架扶正，并进行所述导管架风电基础四个主腿的安装就位。
30.3、注浆作业，进行导管架管节点的注浆作业以及导管架基础与钢管桩的灌浆作业。注浆时首先使用主注浆线路，若发现堵管则启用备用注浆线路。高强注浆料首先沿注浆管路填充导管架插尖与钢管桩之间的空隙。之后随着注浆的进行，注浆料由底层至顶层依次填充y
‑
y型管节点，k
‑
k型管节点，直至将所有y
‑
y型管节点和k
‑
k型管节点全部填充满注浆料。注浆需一次性泵送完毕直至溢浆方可结束泵送注浆料施工。
31.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
32.1)将注浆技术与导管架管节点结合起来，k
‑
k型管节点与y
‑
y型钢制管节点的高强注浆设计有益放大了灌浆料抗压特性与钢管结构的抗拉能力，增强管节点的抗侧能力和承载力性能，提高了结构的极限强度。
33.2)k
‑
k型管节点与y
‑
y型管节点的高强注浆设计增强管节点的抵抗循环荷载的能力，明显提高了管节点的疲劳性能，解决当前工程中管节点的疲劳设计难点。
34.3)k
‑
k型管节点与y
‑
y型管节点的注浆设计可以有效降低设计要求的节点厚壁段
长度与厚度，降低了用钢量，提高了经济效益。
35.4)k
‑
k型管节点与y
‑
y型管节点中的封隔片设计，可以加强注浆料与钢管的连接强度，且起到了类似于抗冲剪环的作用，可以有效地提高结构的抗冲剪能力，减小了管节点的应力集中，减少管节点处的用钢量。
36.5)管节点注浆在海上作业完成，为导管架的拖运与吊装没有额外增加重量。
37.6)管节点注浆可与插桩灌浆使用同一套设备与管线，不需要额外配备混凝土搅拌船，没有额外增加成本。
附图说明
38.图1是本发明一种实施例的正视图；
39.图2是本发明的管节点注浆管与插桩灌浆管的示意图。
40.附图标记：1
‑
风机底节塔架；2
‑
平台过渡段；3
‑
导管架斜撑；4
‑
导管架主腿；5
‑
导管架横撑；6
‑
k
‑
k型管节点；7
‑
x型管节点；8
‑
y
‑
y型管节点；9
‑
钢管桩。
具体实施方式
41.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
42.如图1所示，本实施例提供一种用于海上风电的高强注浆管节点导管架基础，主要包含由上至下依次设置的风机底节塔架1、平台过渡段2、导管架主体、钢管桩9，其中，所述导管架主体的高度方向上间隔布置有多个支撑结构，所述每个支撑结构包括通过若干管节点固定连接的导管架主腿4、导管架斜撑3与导管架横撑5；其中，所述管节点包括k
‑
k型管节点6、x型管节点7与y
‑
y型管节点8。
43.其中，本发明的风机底节塔架1、平台过渡段2、导管架斜撑3、导管架主腿4、导管架横撑5、管节点、钢管桩9均为钢制结构。
44.如图1所示，导管架主腿4的底端将与钢管桩9灌浆相连，进而将导管架基础固定在海床上，为基础结构提供承载力与抗侧能力。其中，钢管桩9位于泥面以下，其长度视风机机位处的具体环境因素而定。
45.如图1所示，k
‑
k型管节点6、x型管节点7、y
‑
y型管节点8均为多根钢管的相交节点，为确保它们在应力集中下的结构极限强度和疲劳强度，这些管节点处均设有厚壁段。
46.在实际建造过程中，导管架风电基础将采用分段建造再整体焊接的模式。其中，x型管节点7、k
‑
k型管节点6、y
‑
y型管节点8均将预先制作好，再与导管架斜撑3、导管架主腿4、导管架横撑5焊接成导管架，最后与风机底节塔架1、平台过渡段2完成拼接。
47.如图1所示k
‑
k型管节点6、y
‑
y型管节点8将先完成钢管节点的制作，然后在支管端面和一个主管端面焊接封隔片，作为后续充填混凝土的边界。
48.钢管桩9一般采用非等厚度的钢板直缝卷制，并用自动填弧焊焊接而成。实际工程中，导管架基础的安装可以采用先桩法。先桩法中钢管桩9将预先在安装地点完成沉桩作
业，随后制作好的导管架基础将通过驳船从船坞拖至安装地点，通过吊机的吊放使其主管穿过桩靴与钢管桩相连，再进行灌浆，完成安装。用于连接导管架与钢管桩的灌浆料应能充分填满套管与桩的空隙，当空隙有水，应能置换海水，需具备受力传递的可靠强度。
49.如图2所示，导管架管节点的注浆与钢管桩处灌浆将使用一套管线，注浆与灌浆使用的高强浆将事先存储于安装船上，待导管架在指定机位点完成初步的吊装、插桩、调平后，通过如图2所示的管线泵送至管节点与钢管桩处，完成注浆操作与灌浆操作。
50.依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种用于海上风电的高强注浆管节点导管架基础，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
51.如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。
52.除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。