技術(shù)領域：

本發(fā)明涉及海上風電工程領域，尤其涉及一種海上風電工程鋼樁基礎及其施工方法。

背景技術(shù)：
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海上風電作為一種綠色清潔能源，由于其資源豐富、風速穩(wěn)定、對環(huán)境的負面影響較少、視覺干擾小、可大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，一直受到各國的青睞。海上風電場的基礎類型主要有：重力式基礎、單樁基礎、三腳架式基礎、導管架式基礎、多樁式基礎等，其中單樁基礎是應用最多的基礎形式。歐洲海上風電工程的近2000臺基礎中，有70%為單樁基礎。

海上風電單樁基礎具有制造簡單、不需整理海床的特點，該類基礎由焊接鋼管組成，樁和塔架之間可以是法蘭連接，也可以是通過轉(zhuǎn)換平臺調(diào)平后再連接，通過塔筒和鋼樁傳遞風機荷載。樁的直徑根據(jù)負荷的大小而定，一般為3~5m，壁厚約為樁直徑的1%。在我國江蘇的如東潮間帶風電場工程的海上樁基礎采用了質(zhì)量285t、直徑5m、高度42m的單樁鋼管樁基礎，完成鋼管樁加工后，將其運至碼頭上用600t起重船裝上2000t駁船，運至風電場場址，根據(jù)潮間帶的水文情況，需要在高潮位時趕潮運至風場。

可見，傳統(tǒng)的單樁基礎具有直徑大、長度大、重量大的特點，需要大型起重與運輸設備，施工難度大。而海上大型起重與運輸設備資源非常有限，且潮間帶水位無法供大型施工船進入，使得單樁基礎的施工受到諸多因素的限制，施工效率較低。

一般地，上部風機的豎向荷載由單樁基礎與土體之間的摩擦力承擔，故單樁基礎需要足夠的長度；風機的水平荷載由單樁基礎與海床土體共同提供的強度與剛度控制，故單樁基礎需要足夠的截面積與直徑。較大的豎向荷載、水平荷載、彎矩的組合作用下，傳統(tǒng)單樁基礎的直徑、長度取值需較大才能滿足要求。

若能改變單樁基礎的受力途徑，使上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載由海床土體直接承擔，而單樁基礎僅承擔水平荷載與彎矩，則可以大大減少單樁基礎的直徑與長度尺寸，進而降低其總重量，方便海上施工。

可見，有必要探討海上風電工程中簡單、實用的新型鋼樁基礎及其施工方法，促進現(xiàn)有技術(shù)的革新與進步。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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為了彌補現(xiàn)有技術(shù)問題的不足，本發(fā)明的目的是提供一種海上風電工程鋼樁基礎及其施工方法，其豎向荷載由海床土體直接承擔，而水平荷載由鋼樁與海床共同承擔，單個構(gòu)件重量小、施工方便，為海上風電工程單樁基礎提供一種新構(gòu)型。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

海上風電工程鋼樁基礎，其特征在于，包括打入指定海域的中心鋼樁，中心鋼樁上依次套裝有底托、樁外套筒，底托沿著中心鋼樁下滑并接觸海床，樁外套筒下端壓住底托，樁外套筒上端連接有風機塔筒。

所述的海上風電工程鋼樁基礎，其特征在于，所述底托包括鋼板加工成型的圓環(huán)盤，圓環(huán)盤環(huán)壁上焊接有裙板，圓環(huán)盤上端面為平面，圓環(huán)盤中部設有限位套筒，限位套筒與圓環(huán)盤上端面均勻分布的多根肋條靠近中心端焊接固定。

所述的海上風電工程鋼樁基礎，其特征在于，所述樁外套筒包括底部套筒、多個中部套筒、頂部套筒，底部套筒、多個中部套筒、頂部套筒依次連接固定，底部套筒工作時壓住底托，頂部套筒與風機塔筒相連接。

所述的海上風電工程鋼樁基礎，其特征在于，所述底部套筒由鋼管外均勻、對稱的焊接多個條形板構(gòu)成，整體呈軸對稱狀態(tài)，底部套筒頂部焊接有與中部套筒相連接的法蘭盤，法蘭盤上均勻設有螺栓孔，法蘭盤與鋼管外壁之間均勻設有多個小三角形加筋肋，底部套筒的底部焊接有壓在底托上的圓盤，圓盤與鋼管外壁之間均勻設有多個大三角形加筋肋，圓盤上端面還設有多個徑向設置與大三角形加筋肋間隔分布的矩形加筋肋；大三角形加筋肋與小三角形加筋肋位置相互對應且與條形板間隔布置，條形板下端位于在兩個矩形加筋肋之間。

所述的海上風電工程鋼樁基礎，其特征在于，所述的中部套筒由鋼管外均勻、對稱的焊接多個條形板而成，整體呈軸對稱狀態(tài)，鋼管的兩端焊接有法蘭盤，法蘭盤上均勻設有螺栓孔，法蘭盤與鋼管之間均勻設有多個小三角形加筋肋。

所述的海上風電工程鋼樁基礎，其特征在于，所述的頂部套筒與底部套筒的外形構(gòu)造基本相同，區(qū)別僅在于頂部套筒的圓盤上均勻、對稱的設有多個螺栓孔，供連接風機塔筒使用。

所述的海上風電工程鋼樁基礎，其特征在于，所述的底部套筒、中部套筒、頂部套筒三者的鋼管尺寸相同，鋼管內(nèi)徑大于中心鋼樁外徑1~2cm，各套筒可基于法蘭盤上螺栓孔用螺栓進行相互固定與連接，個套筒外壁上的條形板、小三角形加筋肋、大三角形加筋肋位置相互對應。

一種海上風電工程鋼樁基礎的施工方法，其特征在于，包括如下步驟：

1）、設計與制作鋼樁基礎：

根據(jù)海水深度、海床地質(zhì)條件、風機荷載組合等參數(shù)，設計相應中心鋼樁、底部套筒、中部套筒、頂部套筒、圓環(huán)盤的規(guī)格與尺寸，并焊接與制作相應鋼樁基礎；

2）、打入中心鋼樁：

在設計指定的海域打入中心鋼樁，并使其鉛垂度、入土深度等滿足要求；

3）、套入底托：

使圓環(huán)盤平整的一面朝上，基于圓環(huán)盤中部的限位套筒套住中心鋼樁，使圓環(huán)盤沿著中心鋼樁滑入海中接觸海床；

4）、套入樁外套筒：

根據(jù)設計方案，把一個底部套筒、多個中部套筒、一個頂部套筒基于法蘭盤上的螺栓孔用螺栓進行相互固定與連接構(gòu)成樁外套筒；起吊樁外套筒，把樁外套筒的鋼管套住中心鋼樁，底部套筒在最下面，頂部套筒在最上面，使樁外套筒沿著中心鋼樁滑入海中壓在圓環(huán)盤上；

5）、連接風機塔筒：

起吊風機塔筒，通過螺栓使其與頂部套筒的圓盤相互固定與連接，進而完成上部風機的其它安裝工作。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明上部風機結(jié)構(gòu)的豎向荷載通過樁外套筒作用在圓環(huán)盤上而直接傳遞給海床土體，中心鋼樁不承擔上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載，中心鋼樁與海床土體共同承擔水平荷載與彎矩等；豎向荷載與水平荷載的分離，使得中心鋼樁的直徑與長度可大大減小，樁體重量大大減小，進而降低了施工難度；

2、本發(fā)明各構(gòu)件通過螺栓連接形成整體，各單個構(gòu)件重量相對較小，無需大型起吊與運輸設備，降低施工成本，并方便潮間帶風電工程的施工作業(yè)；

3、本發(fā)明底托的圓環(huán)盤作用是把上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載傳遞、擴散至更大的海床面積上去，進而減小海床土體的沉降，由于樁外套筒與中心鋼樁兩者是分離的，即使樁外套筒發(fā)生一定數(shù)值的工后沉降，只要對工后沉降有足夠的預估且樁外套筒有足夠的長度適應下沉需要，則工后沉降對中心鋼樁無影響，對風機的正常運行也無影響。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的底托俯視圖。

圖2為本發(fā)明的底托仰視圖。

圖3為本發(fā)明的底部套筒俯視圖。

圖4為本發(fā)明的底部套筒仰視圖。

圖5為本發(fā)明的中部套筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明的頂部套筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明的各套筒連接示意圖。

圖8為本發(fā)明施工中心鋼樁示意圖。

圖9為本發(fā)明底托套入中心鋼樁示意圖。

圖10為本發(fā)明各套筒套入中心鋼樁示意圖。

圖11為本發(fā)明連接風機塔筒示意圖。

圖12為本發(fā)明的剖面圖。

圖13本發(fā)明中心鋼樁外的套筒發(fā)生工后沉降示意圖。

附圖標記說明：1、圓環(huán)盤；2、肋條；3、限位套筒；4、裙板；5、底部套筒；6、條形板；7、法蘭盤；8、小三角形加筋肋；9、螺栓孔；10、圓盤；11、大三角形加筋肋；12、矩形加筋肋；13、中部套筒；14、頂部套筒；15、螺栓；16、中心鋼樁；17、風機塔筒；a、海平面；b、海床面；c、工后沉降。

具體實施方式：

參見附圖：

一種海上風電工程鋼樁基礎，包括打入指定海域的中心鋼樁16，中心鋼樁16上依次套裝有底托、樁外套筒，底托沿著中心鋼樁16下滑并接觸海床，樁外套筒下端壓住底托，樁外套筒上端連接有風機塔筒17。

樁外套筒由一個底部套筒5、多個中部套筒13、一個頂部套筒14基于螺栓15連接而成，組裝后的樁外套筒套住中心鋼樁16沉入海底壓在底托的圓環(huán)盤1上，風機塔筒17連接在頂部套筒14上，風機的重力基于樁外套筒直接傳遞給海床，風機受到的水平荷載由中心鋼樁16與海床土體共同承擔，由此構(gòu)成風電工程新型鋼樁基礎。

底部套筒5由中空的鋼管外均勻、對稱的焊接多個條形板6而成，整體呈軸對稱狀態(tài)，底部套筒5的頂部焊接有法蘭盤7，法蘭盤7上均勻設有螺栓孔9，法蘭盤7與鋼管之間均勻設有多個小三角形加筋肋8，底部套筒5的底部焊接有圓盤10，圓盤10與鋼管之間均勻設有多個大三角形加筋肋11與矩形加筋肋12，如圖3與圖4所示。

底部套筒5上的圓盤10可以把上部荷載擴散至更大的面積上去，故圓盤10的面積較大。通過多個大三角形加筋肋11與矩形加筋肋12的加固，使圓盤10與上部的中空套筒及條形板6之間的連接緊密、牢固，滿足復雜工況下荷載的傳遞要求。

中部套筒13由中空的鋼管外均勻、對稱的焊接多個條形板6而成，鋼管的兩端焊接有法蘭盤7，法蘭盤7上均勻設有螺栓孔9，法蘭盤7與鋼管之間均勻設有多個小三角形加筋肋8，如圖5所示。中部套筒13整體呈軸對稱狀態(tài)，也呈上下對稱狀態(tài)，兩側(cè)的法蘭盤7無方向性區(qū)別。

頂部套筒14與底部套筒5的外形構(gòu)造基本相同，區(qū)別僅在于頂部套筒14的圓盤10上均勻、對稱的設有多個螺栓孔9，供連接風機塔筒17使用，如圖6所示。風機塔筒17底部法蘭上的螺栓孔與頂部套筒14上圓盤10的螺栓孔完全相對應，兩者通過螺栓可實現(xiàn)相互的連接與固定。

底部套筒5、中部套筒13、頂部套筒14三者的中空鋼管尺寸完全相同，該中空鋼管的內(nèi)徑大于中心鋼樁16的外徑1~2cm，各套筒可基于法蘭盤7上的螺栓孔9用螺栓15進行相互固定與連接，如圖7所示。

底部套筒5、中部套筒13、頂部套筒14三者的長度可以相同，也可以不相同，三者的長度可根據(jù)構(gòu)件的合理重量進行設計。各構(gòu)件的長度可取標準模數(shù)，如取80cm、100cm、120cm等都可以。通常風機工程中根據(jù)海水深度需要多個中部套筒13進行續(xù)接，其可進行標準化、規(guī)格化制作。

在連接底部套筒5、中部套筒13、頂部套筒14的過程中，應使各套筒上的條形板6上、下位置相同，這樣可以減小應力集中，使豎向荷載能夠有效相互傳遞。中空鋼管的內(nèi)徑大于中心鋼樁16的外徑1~2cm，是為了使樁外套筒能夠套在中心鋼樁16上順利的滑入海床。為了減少相互摩擦，甚至可以在樁外套筒的內(nèi)壁及中心鋼樁16的外壁上涂抹潤滑劑。

圓環(huán)盤1的中部為限位套筒3，限位套筒3基于多根肋條2均勻的與圓環(huán)形鋼板上部焊接連接，圓環(huán)形鋼板的四周焊接有裙板4，圓環(huán)盤1整體呈軸對稱狀態(tài)，且其頂部呈平面狀，如圖1與圖2所示。底部套筒5上圓盤10的直徑略大于圓環(huán)盤1上內(nèi)部空心環(huán)的直徑。圓環(huán)盤1上中部限位套筒3的中空內(nèi)徑大于中心鋼樁16的外徑1~2cm。

圓環(huán)盤1的四周焊接有一定高度的裙板4，其作用是保護圓環(huán)盤1正下方的海床土體免受海流的沖刷，對土體具有約束與固定作用，從而維護樁周土體的整體性，對提高鋼樁基礎的穩(wěn)定性有利。

圓環(huán)盤1的作用是把上部風機的豎向荷載傳遞、擴散至更大的海床土體中去。限位套筒3套住中心鋼樁16后，圓環(huán)盤1整體呈水平狀態(tài)，且圓環(huán)盤1只能沿著中心鋼樁16發(fā)生向下的豎向沉降。由于底部套筒5上圓盤10的直徑略大于圓環(huán)盤1上內(nèi)部空心環(huán)的直徑，故圓環(huán)盤1外徑范圍內(nèi)的海床土體均受到上部豎向荷載的直接作用。

可根據(jù)荷載組合及海床地質(zhì)條件設計相應圓環(huán)盤1的尺寸。當圓環(huán)盤1的尺寸足夠大時，風機豎向荷載作用在圓環(huán)盤1上使海床產(chǎn)生的沉降在可接受范圍內(nèi)，通過設計相應樁外套筒的長度使其滿足、適應沉降需要，即樁外套筒發(fā)生足夠的工后沉降后，其基礎高度仍能滿足風機的正常運行需要，如圖12與圖13所示。

中心鋼樁16對圓環(huán)盤1及樁外套筒具有定位、水平約束的作用，確保樁外套筒處于鉛垂狀態(tài)，從而維護上部風機的正常姿態(tài)。中心鋼樁16應有足夠的強度與剛度，能維持樁外套筒的鉛垂特性。

底部套筒5、中部套筒13、頂部套筒14與圓環(huán)盤1均由鋼材焊接而成，各構(gòu)件、焊縫及整體結(jié)構(gòu)的強度應滿足復雜工況下組合荷載的作用需求而不發(fā)生屈服，各構(gòu)件應滿足應力集中需要而不發(fā)生超過規(guī)范允許的過大變形。

一種海上風電工程鋼樁基礎的施工方法，詳細描述如下：

1）、設計與制作鋼樁基礎：

根據(jù)海水深度、海床地質(zhì)條件、風機荷載組合等參數(shù)，設計相應中心鋼樁16、底部套筒5、中部套筒13、頂部套筒14、圓環(huán)盤1的規(guī)格與尺寸，并焊接與制作相應鋼樁基礎。

所設計圓環(huán)盤1的直徑應滿足應力擴散的需要，樁外套筒的長度應能適應工后沉降的需要，中心鋼樁16應能抵抗水平荷載與彎矩而不發(fā)生側(cè)移與傾斜，各構(gòu)件的強度應能承受復雜工況下組合荷載的作用而不發(fā)生屈曲與變形。

2）、打入中心鋼樁16：

在設計指定的海域打入中心鋼樁16，并使其鉛垂度、入土深度等滿足要求，如圖8所示。

中心鋼樁16雖然不承擔豎向荷載，但樁外套筒的穩(wěn)定性靠其維持，中心鋼樁16的姿態(tài)決定了上部風機的姿態(tài)；故中心鋼樁16應有足夠的入土深度、強度與剛度，在荷載組合作用下其仍能保持鉛垂狀態(tài)。

3）、套入底托：

使圓環(huán)盤1平整的一面朝上，基于圓環(huán)盤1中部的限位套筒3套住中心鋼樁16，使圓環(huán)盤1沿著中心鋼樁16滑入海中接觸海床，如圖9所示。

由于中心鋼樁16對限位套筒3的定位與限制作用，使得圓環(huán)盤1與海床面呈水平狀接觸，在后續(xù)樁外套筒豎向荷載的作用下其將與海床土體進一步緊密接觸。圓環(huán)盤1只能沿著中心鋼樁16發(fā)生豎向沉降。

4）、套入樁外套筒：

根據(jù)設計方案，把一個底部套筒5、多個中部套筒13、一個頂部套筒14基于法蘭盤7上的螺栓孔9用螺栓15進行相互固定與連接，形成樁外套筒，起吊樁外套筒，把套筒的中空鋼管套住中心鋼樁16，底部套筒5在最下面，頂部套筒14在最上面，使樁外套筒沿著中心鋼樁16滑入海中壓在圓環(huán)盤1上，如圖10所示。

施工過程中，可根據(jù)起吊設備的參數(shù)靈活進行各構(gòu)件的組裝，可把多個套筒在船上用螺栓連接后形成的分段套筒起吊套入中心鋼樁16，再在水中實現(xiàn)多個分段套筒的組裝與連接。

由于樁外套筒的中空鋼管內(nèi)徑略大于中心鋼樁16的外徑，故樁外套筒在自重的作用下沿著中心鋼樁16呈鉛垂狀態(tài)的下沉，最終壓在圓環(huán)盤1上。

5）、連接風機塔筒17：

起吊風機塔筒17，通過螺栓使其與頂部套筒14的圓盤10相互固定與連接，進而完成上部風機的其它安裝工作，如圖11所示。

在風機重力作用下，樁外套筒沿著中心鋼樁16發(fā)生豎向沉降，只要樁外套筒的長度足夠大，能滿足、適應海床土體工后沉降的需要，就能維持風機塔筒的足夠高度，確保風機的正常運行。

本發(fā)明所提的海上風電工程鋼樁基礎，上部風機結(jié)構(gòu)的豎向荷載通過樁外套筒作用在圓環(huán)盤上而直接傳遞給海床土體，中心鋼樁不承擔上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載，中心鋼樁與海床土體共同承擔水平荷載與彎矩等。豎向荷載與水平荷載的分離，使得中心鋼樁的直徑與長度可大大減小，樁體重量大大減小，進而降低了施工難度。各構(gòu)件通過螺栓連接形成整體，各單個構(gòu)件重量相對較小，無需大型起吊與運輸設備，降低施工成本，特別是方便在潮間帶進行風電工程施工作業(yè)。只要設計得當，樁外套筒的工后沉降對中心鋼樁無影響，對風機的正常運行也無影響。

本發(fā)明不局限于上述具體實施方式，根據(jù)上述內(nèi)容，按照本領域的普通技術(shù)知識和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術(shù)思想前提下，本發(fā)明還可以做出其它多種形式的等效修改、替換或變更，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。