专利名称：一种具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构。适用于海上风力发电行业，特别是表层具有深厚淤泥质土的海床环境。
背景技术：
单桩基础通常由单根大直径钢管构成，下部深入土中，提供承载力；中部浸于水中承受波浪、海流、潮汐、海生物生长等长期海洋环境作用；上部通过连接段与风力发电机塔筒相连。作为结构最为简单的一种海上风机基础型式，单桩基础是欧洲海上风电场的主导基础结构型式。负压筒基础为顶端封闭、下端敞开的倒置筒状或到杯状结构，由三部分构成，下部筒体结构深入土中，与土体共同工作提供承载力；上下部过渡段结构浸没于水中承受波浪、海流、潮汐、海生物生长等长期海洋环境作用；上部与风力发电机塔筒相连。负压筒基础通常为钢制或混凝土制。由于成本低，海上施工速度快，可回收重复利用等特点，负压筒基础成为近二十年来应用于海洋工程的具有较好发展前景的基础形式。对于海上风电结构，负压筒基础目前已处于广泛研究和示范项目阶段，前景极为广阔。海上风电结构主要承受风机运行荷载和风、浪、流等海况荷载作用，在设计中需要重点考虑基础的竖向和水平承载性能，海床表层土质对基础的水平承载性能有决定性的影响。特别是对于表层具有深厚淤泥质土的海床环境，如杭州湾海床的淤泥质土层深达4(T60m，不宜单独采用负压筒基础；如果采用单桩基础，受工艺和施工技术的影响，桩径增大有限，主要是增加桩长以提供竖向和水平承载力，材料成本和施工成本将大幅度提高，且桩身水平位移不宜控制。
发明内容本实用新型要解决的技术问题是针对上述存在的问题，提供一种具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，将海洋工程传统基础与新型基础结合，旨在通过充分利用近海床表层土体的性能，改善风机基础的竖向和水平承载性能，提高基础承载力，降低桩身的位移和弯矩，减小桩径和桩长，降低材料成本与施工成本。本实用新型所采用的技术方案是一种具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，包括沉桩施工于海床上的钢管式单桩，其特征在于所述单桩上套设复合结构，该复合结构包括桩套管、圈梁、桁架结构和负压筒结构，其中桩套管套于单桩上，该桩套管通过同轴布置的圈梁连接桁架结构，桁架结构呈放射状布置，所述桁架结构末端接有负压筒结构。所述桁架结构包括三根连接桩套管与负压筒结构的弦管，各弦管间由撑管相互连接。所述桁架结构的三根弦管末端均焊接于负压筒结构的侧裙顶部，三焊接点呈等边三角形布置。所述桩套管与单桩之间通过灌浆连接固定。[0010]所述负压筒结构顶板与冲刷后的海床表面齐平。所述负压筒结构的外径大于单桩的外径，侧裙高度为外径的4倍。
3所述桩套管底部到海床表面的距离等于或略大于负压筒结构与单桩之间的净距，并且大于水深。所述撑管之间夹角Θ为60°。本实用新型的有益效果是本实用新型将海上风机基础的单桩结构与负压筒结构结合，具有以下优点1)负压筒结构可增强单桩基础结构近海床表面段的基础刚度；2)负 压筒结构的顶板和土体有较大的接触面，竖向力可有效传入土中，故该结构可提高基础的竖向承载力；3)负压筒结构的侧裙大大增加了与土体的接触面积，可充分发挥近海床表面浅层桩前土抗力，增强基础结构的水平承载性能，显著降低单桩桩身位移及弯矩；4)在负压筒结构下沉时的负压作用下，近海床表层土体将逐渐紧固，也可提高基础承载能力，同时土体紧固增加了基础的抗浮力；5)达到与普通单桩同等的竖向与水平承载性能时，单桩的桩长、桩径、壁厚等可得以减小，可显著降低材料成本，特别是在海床表层具有深厚淤泥质土的情况下；6)桩长、桩径等减小后，可显著降低沉桩的施工成本，且本实用新型也充分发挥了负压筒基础易于施工的特点，负压筒、桁架和桩套管复合结构可通过浮托法运输；7)桩套管与单桩结构之间的灌浆连接为水上灌浆，可有效控制施工质量，降低施工难度，减少材料和施工成本；8)基础施工完成后，负压筒结构位于海床泥面以下，风机塔筒与单桩基础结构相连，与传统的风机基础结构一样，不会对安装上部结构等后续施工产生影响。
图I为本实用新型的立面图。图2为本实用新型的俯视图。图3为图2中A部的放大图。
具体实施方式
如图I、图2、图3所示，本实施例的海上风机基础由传统的钢管式单桩I、套于单桩I上的桩套管4、桁架结构3和一组(三个)负压筒结构2组成，且所有钢材材料一致。所述的三个负压筒结构2位于海床泥面以下，且负压筒顶板与冲刷后的海床表面齐平，冲刷深度取值宜通过数值模拟优化计算结果做适当调整，三个负压筒结构2以单桩I为中心均匀布置于单桩I周围，三个负压筒结构2通过桁架结构3和圈梁5与桩套管4连接固定。桩套管4与单桩I通过灌浆材料固定。本例中祐1架结构3由三根连接桩套管4与负压筒结构2的弦管3-1和各弦管3_1间相互连接的撑管3-2组成。为避免负压筒结构2的局部变形，保证其受力的合理性，桁架结构3的三个端点均焊接于负压筒结构2的侧裙顶部，呈等边三角形布置。本例中单桩I的外径Dl可依据上部风机塔筒的外径确定，等于或略大于风机塔筒外径。负压筒结构2的外径D2和侧裙高度H2以单桩I的外径Dl为参照，取值范围建议为
4
D2>D1、H2=-D2左右。桁架结构3的弦管3-1建议尺寸为(35 600父20(单位111111)，撑管3-2 3建议尺寸为Φ 300 X 15 (单位mm)，撑管之间夹角Θ建议为60°。桩套管4的长度H3按照国内外现行规范的构造要求确定，桩套管4的底部到海床面距离Hl略大于水深，按照水上灌浆施工要求确定。负压筒结构2与单桩I之间的净距LI可等于或略小于桩套管4底部到泥面的距离Hl。对于上述四指标(D2、H2、Θ、LI)及弦管3_1与撑管3_2尺寸的具体取值，宜通过数值模拟优化计算结果作适当调整，以期达到最理想效果。本实施例的具体施工方法如下单桩I、负压筒结构2、桁架结构3、桩套管4的选材、选型、加工和装配工作在施工前预先完成，包括将负压筒结构2、桁架结构3与桩套管4焊接成复合结构。复合结构可通过浮托法运送至施工现场。单桩I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。单桩I沉桩完毕后，移动复合结构使得桩套管4与单桩I中心基本一致。之后的复合结构下沉施工与负压筒基础基本相同， 要保证桩套管4套入单桩I中，在下沉过程中要注意三个负压筒结构2的同步性，缓慢进行。待复合结构下沉至指定位置后，桩套管4与单桩I之间灌浆连接，其灌浆工艺与单桩基础的灌浆工艺相同，为水上灌浆。整个基础结构施工完成后，上部结构的施工与传统的风机基础一致。上述实施例主要应用于海上风力发电机基础中，特别适合于表层具有深厚淤泥质土的海床环境，但并不以此为限，对于海洋工程结构所涉及的其它桩基础结构也可运用本发明技术方案进行改良以提高基础的承载性能。无论是何种型式的海洋工程桩基础结构，只要该桩基础结构“在海床泥面以下近地表高程处，在基桩的桩身上通过支撑结构与一组负压筒结构相连，负压筒结构以基桩为中心呈放射状布置”，则均落在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，包括沉桩施工于海床上的钢管式单桩(1)，其特征在于所述单桩(I)上套设复合结构，该复合结构包括桩套管(4)、圈梁(5)、桁架结构(3)和负压筒结构(2)，其中桩套管(4)套于单桩(I)上，该桩套管通过同轴布置的圈梁(5)连接桁架结构(3)，桁架结构(3)呈放射状布置，所述桁架结构(3)末端接有负压筒结构(2)。
2.根据权利要求I所述的具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，其特征在于所述桁架结构(3)包括三根连接桩套管(4)与负压筒结构(2)的弦管(3-1)，各弦管(3-1)间由撑管(3-2)相互连接。
3.根据权利要求2所述的具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，其特征在于所述桁架结构(3)的三根弦管(3-1)末端均焊接于负压筒结构(2)的侧裙顶部，三焊接点呈等边三角形布置。
4.根据权利要求I所述的具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，其特征在于所述桩套管(4)与单桩(I)之间通过灌浆连接固定。
5.根据权利要求I所述的具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，其特征在于所述负压筒结构(2)顶板与冲刷后的海床表面齐平。
6.根据权利要求I所述的具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，其特征在于所述负压筒结构(2)的外径大于单桩(I)的外径，侧裙高度为外径的f倍。
7.根据权利要求I所述的具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，其特征在于所述桩套管(4)底部到海床表面的距离等于或略大于负压筒结构(2)与单桩(I)之间的净距，并且大于水深。
8.根据权利要求2所述的具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，其特征在于所述撑管(3-2)之间夹角沒为60°。
专利摘要本实用新型涉及一种具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构。本实用新型的目的是提供一种具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，旨在通过充分利用近海床表层土体的性能，改善风机基础的竖向和水平承载性能，提高基础承载力。本实用新型的技术方案是一种具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构，包括沉桩施工于海床上的钢管式单桩，其特征在于所述单桩上套设复合结构，该复合结构包括桩套管、圈梁、桁架结构和负压筒结构，其中桩套管套于单桩上，该桩套管通过同轴布置的圈梁连接桁架结构，桁架结构呈放射状布置，所述桁架结构末端接有负压筒结构。本实用新型适用于海上风力发电行业，特别是表层具有深厚淤泥质土的海床环境。
文档编号E02D27/42GK202689022SQ20122030560
公开日2013年1月23日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者王滨, 孙杏建, 徐建强, 周永, 李炜, 朱彬彬 申请人:中国水电顾问集团华东勘测设计研究院