一种钢－混凝土组合重力式海上风电机组基础结构

摘要

一种钢－混凝土组合重力式海上风电机组基础结构，涉及海上风电机组的基础结构，钢管立柱顶端设有钢承台，钢管立柱下端的外表面均匀的设有若干型钢混凝土筋板，型钢混凝土筋板的外端固定在多边形的型钢混凝土基座的内表面，型钢混凝土基座的底面以中心为原点，沿径向均匀的设有若干肋板，相邻的两肋板的外端设有裙边，肋板的高度与裙边相同，型钢混凝土基座的底面上设有若干灌浆孔和锚杆孔。本发明，结构合理，增大重力式海上风电机组基础结构的适用水深，拓展重力式海上风电机组基础结构的适用海底条件，使其适用软基海底和冲刷海底，降低了10～30m水深近海的海上风电机组基础结构的成本，与桩基础结构相比，其海上施工难度小、施工周期短。

说明书

技术领域

本发明涉及海上风电机组的基础结构，具体的说是一种钢-混凝土组合重力式海上风电机组基础结构。

背景技术

海上风电机组基础结构是海上风电场建设的关键结构，其成本决定了海上风电场能否实现并网发电，成为传统能源的替代能源。

目前，海上风电机组基础结构主要有重力式结构、单桩结构、三角架结构、导管架结构和浮式结构。其中，重力式结构适用的最大水深为10m，单桩结构的适用水深为10～30m，三角架结构的适用水深为30～40m，导管架结构的适用水深为40～50m，而浮式结构的适用水深则为50m以上。其成本也随结构形式和水深两个因素增长，如：相同水深条件下，单桩结构的成本大于重力式结构，三角架结构的成本大于单桩结构，导管架结构的成本大于三角架结构，浮式结构的成本大于导管架结构。

海上风电机组基础结构的成本是制约海上风电场发展的瓶颈，它占海上风电场总投资的14～16％，而陆上风电场基础结构的成本只占3～5％，由此可见，降低海上风电机组基础结构成本具有极其重要的意义，在某种程度上，决定了海上风电事业的发展。因此，发展低成本的海上风电机组基础结构是海上风电产业的重中之重。国内外都投入了大量的人力和物力开展相关的研究工作，由于混凝土结构的成本低于钢结构，欧洲则已经把开发重点放在混凝土重力式基础结构的研究，重点是施工方法。

目前，国内外的海上风电场均建在20m以下水深的海域，而混凝土重力式结构的适用水深最大为10m。其原因是混凝土重力式结构的立柱和承台比较重，随着水深的增加，立柱和承台的高度增大，从而重心提高，使结构的稳定性降低。此外，传统的重力式结构不适用软基海底和冲刷海底，因此，使重力式结构的应用受到极大的限制。目前，20m以下水深的海上风电场多采用单桩结构，使海上风电场的投资成本居高不下。

单桩结构采用液压打桩锤将钢管桩贯入海底，上端露出海面并用桩帽调整桩的垂直度，并与塔架连接。桩帽与桩采用灌浆连接。单桩结构可以应用较大的水深(与重力式结构相比)主要是因为其适用水深范围内的钢立柱长度变化对基础结构的影响仅仅为海洋环境荷载的增大，而结构本身的不稳定性并没有很大的变化。而环境荷载的增加可通过增加桩的入土深度来解决，这正是传统混凝土重力式结构所不及的。

单桩结构的结构成本比混凝土重力式结构高，海上打桩施工时间长、所需施工机具复杂，因而施工成本也较高，桩帽的灌浆工艺较复杂，也增大了单桩结构的成本。但因其良好的抗冲刷性能，目前仍是浅海海上风电场的主要结构形式。

由上述可见，现有技术存在以下缺点：

1、混凝土重力式结构的适用水深范围小；

2、混凝土重力式结构仅适用硬质海底，而不适用软基海底和冲刷海底；

3、近海海上风电基础结构的钢结构成本高；

4、单桩结构的施工技术难度大、工期长。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种钢-混凝土组合重力式海上风电机组基础结构，结构合理，增大重力式海上风电机组基础结构的适用水深，拓展重力式海上风电机组基础结构的适用海底条件，使其适用软基海底和冲刷海底，降低了10～30m水深近海的海上风电机组基础结构的成本，与桩基础结构相比，其海上施工难度小、施工周期短。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种钢-混凝土组合重力式海上风电机组基础结构，包括钢管立柱1，钢管立柱1顶端设有钢承台2，其特征在于：钢管立柱1下端的外表面均匀的设有若干型钢混凝土筋板3，型钢混凝土筋板3的外端固定在多边形的型钢混凝土基座4的内表面，型钢混凝土基座4的底面以中心为原点，沿径向均匀的设有若干肋板5，相邻的两肋板5的外端设有裙边6，肋板5的高度与裙边6相同，型钢混凝土基座4的底面上设有若干灌浆孔7和锚杆孔8。

在上述技术方案的基础上，型钢混凝土筋板3的底面和型钢混凝土基座4的底面持平，型钢混凝土筋板3的顶面为斜面，且与钢管立柱1连接处的顶面到底面距离最大，与型钢混凝土基座4连接处的顶面到底面距离最小。

在上述技术方案的基础上，型钢混凝土筋板3的型钢骨架与钢管立柱1焊接连接，型钢混凝土筋板3的型钢骨架与型钢混凝土基座4的型钢骨架焊接连接。

在上述技术方案的基础上，相邻的两肋板5间的型钢混凝土基座4的底面上设有一个灌浆孔7和锚杆孔8，且锚杆孔8较灌浆孔7靠近裙边6，灌浆孔7较锚杆孔8靠近型钢混凝土基座4的底面中心。

本发明所述的钢-混凝土组合重力式海上风电机组基础结构，结构合理，增大重力式海上风电机组基础结构的适用水深，拓展重力式海上风电机组基础结构的适用海底条件，使其适用软基海底和冲刷海底，降低了10～30m水深近海的海上风电机组基础结构的成本，与桩基础结构相比，其海上施工难度小、施工周期短。

附图说明

本发明有如下附图：

图1钢-混凝土组合重力式海上风电机组基础结构的结构示意图

图2型钢混凝土基座4的仰视结构示意图

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、2所示，本发明所述的钢-混凝土组合重力式海上风电机组基础结构，包括钢管立柱1，钢管立柱1顶端设有钢承台2，钢管立柱1下端的外表面均匀的设有若干型钢混凝土筋板3，型钢混凝土筋板3的外端固定在多边形的型钢混凝土基座4的内表面，型钢混凝土基座4的底面以中心为原点，沿径向均匀的设有若干肋板5，相邻的两肋板5的外端设有裙边6，肋板5的高度与裙边6相同，型钢混凝土基座4的底面上设有若干灌浆孔7和锚杆孔8。

在上述技术方案的基础上，型钢混凝土筋板3的底面和型钢混凝土基座4的底面持平，型钢混凝土筋板3的顶面为斜面，且与钢管立柱1连接处的顶面到底面距离最大，与型钢混凝土基座4连接处的顶面到底面距离最小。

在上述技术方案的基础上，型钢混凝土筋板3的型钢骨架与钢管立柱1焊接连接，型钢混凝土筋板3的型钢骨架与型钢混凝土基座4的型钢骨架焊接连接。

在上述技术方案的基础上，相邻的两肋板5间的型钢混凝土基座4的底面上设有一个灌浆孔7和锚杆孔8，且锚杆孔8较灌浆孔7靠近裙边6，灌浆孔7较锚杆孔8靠近型钢混凝土基座4的底面中心。

本发明的技术方案如上所述，采用钢管立柱加钢承台结构作为基础与风力发电机塔架的连接段，替代了现有重力式结构的混凝土立柱加混凝土承台的结构；采用型钢混凝土组合结构的基座替代了钢筋混凝土基座，以增加基座的整体抗弯性能，对于软基海底，可以采用锚杆锚固的方法增大结构的抗倾覆能力，使结构的适用水深由10m延伸至30m；同时，肋板和裙板组成的防冲刷和防滑移结构，使结构的适用海底条件由传统重力式结构的硬质海底条件扩展为软基海底和冲刷海底条件。本发明采用型钢混凝土组合结构基座的理由是便于基座与钢管立柱的连接，降低基座的施工难度。基座与立柱的连接采用焊接连接，具体地说——型钢混凝土筋板的型钢骨架与钢管立柱、型钢混凝土筋板的型钢骨架与型钢混凝土基座的型钢骨架均采用焊接连接，从而使钢管立柱、型钢混凝土基座和型钢混凝土筋板形成整体的钢架结构。钢承台与钢管立柱采用焊接连接，钢承台上留有法兰孔，以便与发电机塔架连接。型钢混凝土基座上设有锚杆孔和灌浆孔，通过相应的施工工艺来增加基座的抗倾覆能力和软基海底的承载力。

本发明的原理可概述如下：

1、由于钢结构的重量远远低于同等强度的混凝土结构重量，因此，本发明的钢管立柱加钢承台结构可以解决由于水深增加而导致的混凝土重力式基础结构重心抬高，结构稳定性降低的缺点，从而增大了重力式基础结构的适用水深。传统重力式结构的最大适用水深为10m，而本发明的最大适用水深为30m。

2、本发明将重力式基础结构的适用水深提高至30m，该水深的现有解决方案是单桩结构或三角架结构。这两种结构均为桩基钢结构，不仅结构成本高，且施工技术难度大、施工周期长。而本发明所述技术方案的结构成本低、施工技术简单，施工周期短，因此，本发明将该水深的桩基钢结构用重力式结构替代，大大降低了海上风电机组基础结构的结构成本、施工难度和施工周期，从而降低了海上风电场的建设成本。本发明的重力式基础结构施工技术难度小，靠重力和负压法将结构平放至海底，钢管立柱的垂直度可通过负压法调整，灌浆和锚杆施工的技术难度小，因此，施工周期短，施工成本低。

3、本发明可以采用基座防冲刷结构(肋板加裙边、灌浆和锚杆)，使重力式结构适用的海底条件由原来的硬质海底拓展为软基海底和冲刷海底条件，使原来只适用桩基钢结构的海域可以采用重力式结构，从而大大降低了海上风电场的建设成本。