深海风力发电导管架式单桩复合结构的制作方法

本实用新型涉及一种深海风力发电导管架式单桩复合结构。适用于海上风力发电行业，特别是服役于水深超过30米工程场区的基础结构。

背景技术：

在传统化石能源形势日益严峻的背景下，世界范围内各国将目光投向了风能这一清洁能源，其中以海上风能尤为重要。中国已并网海上风电容量仅次于英国、德国，位居世界第三位。海上风能资源的开发由潮间带、潮下带滩涂风电场逐渐进入近海风电场和深远海风电场。在近海和深远海风能利用的过程中，导管架基础结构因其具有更节省钢材、加工制造难度低、施工工艺成熟等优点而得到广泛利用。

传统海洋石油行业导管架基础结构的作业平台位于海平面以上，桩腿从工作点高程开始以一定的斜率向海底延伸。该结构在水深30米范围内具有较好的经济性，但随着水深的进一步增加，导管架结构在海床面的投影面积不断增大，且整个结构的用钢量不断增加。这就导致如果海上风力发电机组采用传统海洋石油行业导管架结构，那么基础所占的用海面积增加，且基础结构用钢量进一步加大。单桩基础具有结构简单，受力明确，无复杂t、k、y节点等优点。但随着水深增加，为保持整体刚度会导致单桩基础桩径和壁厚迅速增大，工程量和基础造价迅速增加。

海上风力发电机组基础结构服役条件恶劣的海洋环境中，在服役期内一直承受海洋环境荷载的交替作用，并且风机运行产生的荷载对基础结构的循环作用，导致疲劳荷载已成为海上风力发电机基础结构的主要控制荷载。传统导管架基础结构在波浪作用范围内有较多的弦杆、斜撑和节点，在波浪荷载作用下基础结构的节点疲劳损伤成为基础结构设计的一项重要挑战。同时，传统导管架基础结构承受较大的波浪载荷作用，导致其桩基础侧向和竖向承载力均需要对应增大，这就直接使得传统导管架基础结构桩径更大，壁厚更厚，桩长更长。

综上，为解决上述问题，急需提出一种能充分利用导管架和单桩基础优点，克服导管架和单桩基础存在的问题的复合基础。

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，提供一种深海风力发电导管架式单桩复合结构。

本实用新型所采用的技术方案是：一种深海风力发电导管架式单桩复合结构，其特征在于：具有大直径钢管、过渡段、导管架主体结构和钢管桩；

其中大直径钢管上端位于该单桩复合结构服役工程场区波浪作用范围顶高程之上，大直径钢管下端位于波浪作用范围底高程之下；

所述大直径钢管下端经过渡段连接其下方的导管架主体结构，所述导管架主体结构下端接有若干钢套管，导管架主体结构经钢套管套装于钢管桩上，该钢管桩沉桩固定于海床上，钢套管与钢管桩之间灌注高强灌浆料相连。

所述过渡段具有若干均匀分布于所述大直径钢管四周的过渡钢管，过渡钢管一端接于大直径钢管管壁上，另一端斜向下接于所述导管架主体结构顶部。

相邻所述过渡钢管的下端之间经斜撑相连。

所述导管架主体结构具有若干均匀分布于所述大直径钢管四周的主腿柱，相邻主腿柱之间经若干x型斜撑相连，所述主腿柱由上而下其与大直径钢管轴线之间的间距逐渐增大。

所述主腿柱下端经连接件连接一个或多个位于该主腿柱周边竖直布置的所述钢套管。

一种所述深海风力发电导管架式单桩复合结构的施工方法，其特征在于：

首先进行钢管桩的沉桩作业；

待钢管桩沉桩完毕后测量其定位，在沉桩精度满足下一步安装导管架主体结构的前提下，将由导管架主体结构、过渡段和大直径钢管组成的整体结构吊装至下方所述钢管桩对应位置；

整体结构下放安装过程中进行调平作业；

在整体结构下放完毕及调平完成后，钢套管对应套装于钢管桩上，对钢管桩和钢套管之间进行灌注高强灌浆料封堵。

所述进行钢管桩的沉桩作业采用沉桩辅助定位机构；

所述沉桩辅助定位机构具有若干与拟沉桩施工的所述钢管桩一一对应的定位辅助套管组，定位辅助套管组均安装固定于定位辅助支架上，该定位辅助套管组具有上下同轴布置的两个定位辅助套管，该定位辅助套管内径略大于钢管桩外径。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用大直径钢管与导管架主体结构结合形成，降低了结构在海床面的投影面积，减少了用海面积，降低了申请用海费用，有利海洋环境保护。

本实用新型减少了基础结构的节点数量，降低了焊接工作量，并且采用大直径钢管穿越波浪作用范围，过渡段结构位于海上风力发电机服役海域的波浪作用范围以下，显著降低了波浪荷载对基础结构的节点疲劳损伤，提升了结构的疲劳寿命。

本实用新型降低了整体的用钢量，降低基础结构的投资，在导管架基础服役工程场区水深超过30米后经济性优势更为明显。

本实用新型采用群桩结构，对浅覆盖层工程场区，可避免嵌岩施工，提升海上施工作业效率，加快海上风电场建设进度。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图。

图2为实施例的结构示意图。

图3为图2的a-a剖视图。

图4为实施例中沉桩辅助定位机构的俯视图。

图5为实施例中沉桩辅助定位机构的侧视图。

1、大直径钢管；2、过渡钢管；3、斜撑；4、主腿柱；5、x型斜撑；6、钢套管；7、连接件；8、钢管桩；9、定位辅助套管；10、定位辅助支架。

具体实施方式

本实施例为一种深海风力发电导管架式单桩复合结构，具有大直径钢管、过渡段、导管架主体结构和钢管桩，大直径钢管通过过渡段和导管架主体结构连接沉桩于海床面以下的钢管桩。

本例中大直径钢管的尺寸为5.5m～7m，并且可根据风力发电机组厂家设置的塔筒底段法兰直径设计优化后的尺寸。大直径钢管的长度大于该单桩复合结构服役工程场区波浪作用范围底高程与基础顶高程之间的差值，该大直径钢管竖直布置，其上端位于该单桩复合结构服役工程场区波浪作用范围顶高程之上，大直径钢管下端位于波浪作用范围底高程之下，以确保过渡段位于工程场区波浪作用范围以下。

本实施例中导管架主体结构具有4根均匀分布于大直径钢管下方四周的主腿柱，该主腿柱由上而下其与大直径钢管轴线之间的间距逐渐增大，相邻主腿柱之间经上下两个x型斜撑相连。

本实施例中过渡段具有4根与下方导管架主体结构上的主腿柱一一对应布置的大直径钢管四周的过渡钢管，以及一段与大直径钢管底端连接的等直径钢管，过渡段斜撑一端接于与大直径钢管等直径的钢管管壁上，另一端斜向下接于导管架主体结构中相应主腿柱顶端。相邻所述过渡钢管的下端之间经水平撑相连。

本例中主腿柱下端经连接件连接有2个钢套管，钢套管竖直布置，位于该主腿柱周边，钢套管内径略大于钢管桩直径，连接件具有沿钢套管径向布置的连接钢套管与主腿柱的竖向连接板，以及若干水平布置的连接连接钢套管与主腿柱的水平连接板。

本实施例中导管架主体结构经钢套管套装于沉桩固定于海床面上的钢管桩，钢管桩的外表面与钢套管内表面在套接段范围内通过灌注高强灌浆料连接固定。

随着海上风力发电机单机容量的增大导致风机载荷的增大，钢管桩及主腿柱上钢套管的数量可根据风机载荷的增大随之增加。在浅覆盖层的工程场区内，在核算桩基承载力满足要求的情况下，可通过增加钢管桩和钢套管数量的方式，减少钢管桩的长度，进而避免嵌岩施工作业。

根据海上风力发电机组特性、服役场区的海洋环境条件、工程地质条件设计钢管桩的数量、导管架主体结构上x型斜撑的数量以及大直径钢管的直径之后，钢管桩在建造基地内卷板、焊接、喷砂、涂装整根制作完毕，导管架主体结构、过渡段、大直径钢管、钢套管分别加工制作成型，并且在建造基地内总装完毕，形成整体机构。

本实施例的施工方法如下：

海上施工时首先进行钢管桩的沉桩作业，其沉桩施工利用沉桩辅助定位机构进行辅助定位；

待钢管桩沉桩完毕后测量其定位，在沉桩精度满足下一步安装导管架主体结构的前提下，将将由导管架主体结构、过渡段和大直径钢管组成的整体结构吊装至其上钢套管与海床上的钢管桩对应位置；

整体结构下放安装过程中不断进行调平作业；

在导管架式单桩复合基础结构下放完毕及调平完成后，对钢管桩和钢套管之间进行灌注高强灌浆料封堵，其灌浆工艺与普通水下灌浆工艺相同；

后续塔筒及风力发电机组的海上安装与传统塔筒及风力发电机组海上安装工艺一致。

本实施中沉桩辅助定位机构具有与拟沉桩施工的钢管桩一一对应的定位辅助套管组，定位辅助套管组均安装固定于定位辅助支架上，该定位辅助套管组具有上下同轴布置的两个定位辅助套管，该定位辅助套管内径略大于钢管桩外径。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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