一种具有防沉箱结构的海上电气平台桩-套筒基础结构的制作方法

本发明涉及于海上风力发电领域技术领域，具体涉及一种具有防沉箱结构的海上电气平台桩-套筒基础结构。

背景技术：

随着海上风电的蓬勃发展，风电场选址须同时考虑经济、地质及地方区域性问题，海上电气平台选址所处环境更为复杂、恶劣，同时随着风电场规模扩大，主变、开关柜等电气设备数量增多，海上电气平台上部组块重量也随之增大。作为海上风电场电力汇集、升压、输出的要塞，海上电气平台在复杂环境条件及各类组合工况下的结构安全性直接影响海上风电场的正常运营。

对于处于不同省份不同海域的海上风电场，地质条件存在较大区别，一旦海上电气平台所处位置表层土为承载力差的淤泥，在平台基础入水后打桩前，受到环境荷载和自身重力作用，会存在倾覆、滑移和基底承压破坏的情况。传统意义的防沉板通过调节其面积来提高各项承载力需求。当所处海域水深较深，基础钢结构用量更高，导致其坐底时重力荷载效应更大，难以单纯通过调节传统防沉板受力面积来提高承载力。

一方面仅通过防沉板面积来提高承载力使得基础重量提高，基础下水、调平等海上施工难度也随之增加；另一方面表层土的承载力与防沉板面积并非单纯的线性关系，仅通过调整防沉板面积大小对结构优化设计提出挑战。同时，在海上电气平台强度极限承载状态，传统平台基础在桩/主导管位置冲刷效应明显，桩基及灌浆连接段的承载力与平台安全紧密相连，传统的桩-套筒结构灌浆连接通过优化剪力键的高度、间距等提高承载力，但灌浆料底部受压问题尚无法得到有效解决，在极端环境条件作用下，可能出现灌浆料底部受压破坏情况，影响海上电气平台的正常使用。

因此，研发一种应用于海床表层土承载力差、局部冲刷明显以及环境条件恶劣，具有防沉箱和更为可靠灌浆连接段的桩-套筒基础新结构，成为业界亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于，提供一种具有防沉箱结构的海上电气平台桩-套筒基础结构，本发明可有效提高海上电气平台基础坐底时的稳定性，保障平台结构在承载强度极限状态下灌浆连接段及桩基的承载能力，为海上电气平台设计提供新的思路。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种具有防沉箱结构的海上电气平台桩-套筒基础结构，其特征在于：包括导管架和套筒，导管架和套筒的底部设置防沉箱，导管架和套筒之间布置灌浆系统，套筒上设置灌浆连接段，所述套筒内部在灌浆连接段的底部设置钢筋增强结构，钢筋增强结构下方设置被动式灌浆分隔器，所述防沉箱包括顶层的顶板，顶板的下部焊接面板，顶板的四周焊设多个裙板，裙板内侧间隔布置多个筋板。

进一步的：所述套筒的顶部焊接调平抓持板，调平抓持板的下方设置液压夹桩器，液压夹桩器设置在套筒的内部，套筒内部由上至下依次设置第一层导向块、第二层导向块和第三层导向块。

进一步的：所述套筒内部在灌浆连接段的部位均匀布置有剪力键，套筒内部与第三层导向块相同高程的位置设置电位连接板，电位连接板与套筒内壁呈一定倾角α布置。

进一步的：所述导管架和套筒之间连接剪力板和轭板，所述轭板包括设置在导管架和套筒之间的上轭板和下轭板，通过上轭板和下轭板在套筒上所处的位置对灌浆连接段在套筒上所处的位置进行确定。

进一步的：所述导管架、套筒和轭板上布置灌浆系统，剪力板的垂直方向上布置加强筋板。

进一步的：所述钢筋增强结构包括环向设置在套筒内壁上的多层环向增强钢筋，环向增强钢筋通过竖向增强钢筋绑扎并与套筒内壁进行焊接固定。

进一步的：所述灌浆系统由主灌浆管线和备用灌浆管线组成，主灌浆管线和备用灌浆管线的灌浆口高程不同，主灌浆管线的出浆口位于被动式灌浆分隔器的内侧，主灌浆管线和备用灌浆管线均设置为上下两段，上段为软管段，下段为钢管段，主灌浆管线和备用灌浆管线的上、下段之间均采用转换接头进行连接过渡。

进一步的：所述轭板包括设置在导管架和套筒之间的上轭板和下轭板，所述主灌浆管线和备用灌浆管线的软管段设置在导管架的外部，主灌浆管线和备用灌浆管线的钢管段设置在导管架、上轭板以及套筒上，且与导管架、上轭板以及套筒通过连接块相连接，所述转换接头上方设置灌浆软管切割装置，灌浆软管切割装置上设置钢索绳。

进一步的：所述顶板的上部设置多个牺牲阳极块，面板上均匀布置多个流水孔。

本发明的另一个目的是提供上述的一种具有防沉箱结构的海上电气平台桩-套筒基础结构的施工步骤，为此，本发明采用以下技术方案：

s1：在陆地上预制该海上电气平台桩-套筒基础结构，并同时制作临时固定支座，临时固定支座直接支撑在导管架和套筒的底部，避免防沉箱结构发生变形和破坏；

s2：将该海上电气平台桩-套筒基础结构通过驳船运输至指定海域，并下沉该结构，使防沉箱上的裙板插入泥面，海上电气平台桩-套筒基础结构沉底稳定后通过吊装船或者调平器抓持调平抓持板进行首次调平；

s3：将钢管桩打入套筒内的设计高程，采用通过吊装船或者调平器抓持调平抓持板的方法对基础结构进行重新调平，并用液压夹桩器对套筒和钢管桩进行固定，保证灌浆作业期间套筒和钢管桩不受环境荷载作用而发生相对位移。

s4：通过灌浆系统进行灌浆作业，在灌浆作业结束后，使用钢绳索操作灌浆软管切割装置切除主灌浆管线和备用灌浆管线的软管段。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明用防沉箱代替传统防沉板结构，设置插入泥面的裙板，在表层土较差时，通过增加竖向摩擦力来提高平台基础抗倾覆、抗滑移及基地承压承载力，避免平台基础安装施工期间对浪、流环境条件过于苛刻问题，使施工窗口期选择更为灵活，并且由于防沉箱的存在，可有效减少土层的局部冲刷深度，保证桩承载力，提高海上电气平台在位时可靠性。

2、本发明在不改变桩-套筒基础结构尺寸的前提下，在灌浆连接段的底部增设满足设计要求的钢筋增强结构，提高了基础结构底部对灌浆料的承压能力，解决了选取过高灌浆料抗压强度问题，提高经济性的同时保证海上电气平台在全生命周期的安全可靠性；

3、本发明在套筒顶部设置调平抓持板及夹桩器，大大提高了打桩前后调平施工难度，保证灌浆期间桩-套筒基础结构不受环境荷载影响，使灌浆施工期选择更为灵活；

4、本发明在套筒底部设置电位连接板，避免了需潜水员进行水下作业连接电位线，并降低了施工难度、施工成本及缩短了施工工期；

5、本发明灌浆系统采用软管段和钢管段相组合的方式，灌浆施工作业结束后采用切割装置直接切除，减小浪溅区位置灌浆管线引起的波浪和流荷载，提高导管架结构服役期间的可靠性。

附图说明

图1为本发明的三维示意图；

图2为本发明套筒及其内部结构示意图；

图3为本发明灌浆系统示意图；

图4为本发明防沉箱示意图；

图5为本发明海上运输安装示意图；

图6为图2的局部放大图；

图7为套筒的俯视图；

图8为出浆口的结构示意图。

附图中的标记为：1-导管架；2-套筒；3-防沉箱；4-轭板；5-剪力板；6-加强筋板；7-灌浆系统；8-牺牲阳极块；9-临时固定支座；10-钢管桩；21-调平抓持板；22-液压夹桩器；24-剪力键；25-钢筋增强结构；26-被动式灌浆分隔器；27-电位连接板；31-顶板；32-裙板；33-筋板；34-面板；35-流水孔；41-上轭板；42-下轭板；72-连接块；73-灌浆软管切割装置；74-钢绳索；75-转换接头；76-出浆口；231-第一层导向块；232-第二层导向块；233-第三层导向块；251-环向增强钢筋；252-竖向增强钢筋；711-主灌浆管线；712-备用灌浆管线；713-软管段；714-钢管段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1-图8所示，本发明提供的一种具有防沉箱结构的海上电气平台桩-套筒基础结构，包括导管架1和套筒2，导管架1和套筒2的底部设置防沉箱3，导管架1和套筒2之间布置灌浆系统7，套筒2上设置灌浆连接段，所述套筒2内部在灌浆连接段的底部设置钢筋增强结构25，钢筋增强结构25下方设置被动式灌浆分隔器26，钢筋增强结构25与被动式灌浆分隔器26之间间隔50mm。所述防沉箱3包括顶层的顶板31，顶板31的下部焊接面板34，顶板31的四周焊设多个裙板32，裙板32呈方形设置，裙板32内侧间隔布置多个筋板33。

所述顶板31由多根h型钢交叉排布构成，顶板31的上部设置多个牺牲阳极块8，设置牺牲阳极块8保证在设计寿命内防沉箱3不受土壤和海水作用而产生明显腐蚀；面板34的设置可保证裙板32全部插入海床后提供更高的基底承压承载力，所述筋板33为直角三角型设置，两个直角边分别与筋板33和顶板31底部相接，筋板33的设置可保证裙板32在插入泥面时不会受到倾覆力矩而受弯破坏，所述面板34上均匀布置多个流水孔35，流水孔35的设置使得基础结构下水、沉底时施工更易调整，有效减少土壤冲刷效应。

所述套筒2的顶部焊接调平抓持板21，便于基础结构下沉和钢管桩打入套筒2内后，上部组块安装前的调平工作，调平抓持板21的下方设置液压夹桩器22，液压夹桩器22设置在套筒2的内部，液压夹桩器22在沉桩后所提供的竖向承载力满足灌浆期间钢管桩10与套筒2之间不发生相对位移，套筒2内部由上至下依次设置第一层导向块231、第二层导向块232和第三层导向块233，用于保证沉桩精度，每层导向块均设置有多个导向块，套筒2内部环向固定设置导向块。

所述套筒2在灌浆连接段的部位均匀布置有剪力键24，剪力键24的高度及间距选取满足相同抗压强度灌浆料所能提供的最大抗剪能力，套筒2内部与第三层导向块233相同高程的位置设置电位连接板27，电位连接板27与套筒2内壁呈一定倾角α布置，该角度依据电位连接板27宽度确定，保证沉桩作业时不会被破坏，且钢管桩10与电位连接板27紧密相连，钢管桩10插入套筒2内后电位连接板27受弯与钢管桩10表面接触，保障海上电气平台运行期的有效接地连接。

所述导管架1和套筒2之间连接剪力板5和轭板4，所述轭板4包括设置在导管架1和套筒2之间的上轭板41和下轭板42，通过上轭板41和下轭板42在套筒2上所处的位置对灌浆连接段在套筒2上所处的位置进行确定。所述导管架1、套筒2和轭板4上布置灌浆系统，剪力板5的垂直方向上布置加强筋板6，设置加强筋板6有利于提高导管架1和套筒2连接的受弯性能。

所述筋增强结构包括环向设置在套筒2内壁上的多层环向增强钢筋251，环向增强钢筋251通过竖向增强钢筋252进行绑扎并与套筒内侧焊接固定。

所述灌浆系统7由主灌浆管线711和备用灌浆管线712组成，主灌浆管线711和备用灌浆管线712的灌浆口高程不同，备用灌浆管线712保证在主灌浆管线711破坏时仍能够完成灌浆作业，主灌浆管线711的出浆口位于被动式灌浆分隔器26的内侧，浆料先充满被动式灌浆分隔器26，进而提高被动式灌浆分隔器26灌浆封隔的可靠性，保证被动式灌浆分隔器26分隔作用，主灌浆管线711和备用灌浆管线712在浪溅区底高程位置均设置为上下两段，上段为软管段713，下段为钢管段714，主灌浆管线711和备用灌浆管线712的上、下段之间均采用转换接头75进行连接过渡,通过4个出浆口76将浆体灌入灌浆连接段，保证灌浆速率，降低海上作业时间。

所述主灌浆管线711和备用灌浆管线712的软管段设置在导管架1的外部，主灌浆管线711和备用灌浆管线712的钢管段设置在导管架1、上轭板41以及套筒2上，且与导管架、上轭板41以及套筒2通过多个连接块72相连接，主灌浆管线711和备用灌浆管线712的钢管段环向设置在套筒2的外壁上，所述转换接头75上方设置灌浆软管切割装置73，灌浆软管切割装置73上设置钢索绳，在灌浆作业结束后，使用钢绳索74操作灌浆软管切割装置73切除浪溅区底高程上方的主灌浆管线711和备用灌浆管线712的软管段713，减少结构整体所受环境荷载，提高结构在位状态的可靠性。

上述的具有防沉箱3结构的海上电气平台桩-套筒2基础结构的施工步骤：

s1：在陆地上预制该海上电气平台桩-套筒2基础结构，并同时制作临时固定支座9，临时固定支座9直接支撑在导管架1和套筒2的底部，避免防沉箱3结构发生变形和破坏；

s2：将该海上电气平台桩-套筒2基础结构通过驳船运输至指定海域，并下沉该结构，使防沉箱3上的裙板32插入泥面，海上电气平台桩-套筒2基础结构沉底稳定后通过吊装船或者调平器抓持调平抓持板21进行首次调平；

s3：将钢管桩打入套筒2内的设计高程，采用通过吊装船或者调平器抓持调平抓持板21的方法对基础结构进行重新调平，并用液压夹桩器22对套筒2和钢管桩进行固定，保证灌浆作业期间套筒2和钢管桩不受环境荷载作用而发生相对位移。

s4：通过灌浆系统7进行灌浆作业，在灌浆作业结束后，使用钢绳索74操作灌浆软管切割装置73切除主灌浆管线711和备用灌浆管线712的软管段。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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