无过渡段单桩式海上风机基础结构

摘要

本发明涉及一种无过渡段单桩式海上风机基础结构。本发明的目的是提供一种结构简单、施工快捷、性价比高的无过渡段单桩式海上风机基础结构，旨在取消过渡段，节省工程费用，连接牢固，消除灌浆料失效的风险。本发明的技术方案是：一种无过渡段单桩式海上风机基础结构，具有单桩式的钢管桩和与之相连接的风机底节塔筒，其特征在于：所述钢管桩的顶部设有基础顶部法兰，而在风机底节塔筒的底部设有底节塔筒法兰，上述两个法兰之间设置一调平机构，且两法兰通过螺栓和螺母相连接。本发明适用于海上风力发电行业。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海上风机基础结构，尤其是一种无过渡段单桩式海上风机基础结构。适用于海上风力发电行业。

背景技术

随着风力发电技术的日趋成熟，依靠风力发电来增加能源供应的方式越来越受到世界各国的青睐。当前，全球已经有70多个国家和地区都在不同程度地发展风电，并制定了一系列鼓励政策来促进风电产业的发展。全球风电产业正以每年25%左右的速度快速增长。

广阔的海洋因其拥有丰富、稳定的风能资源，早已引起了人们的关注。但是，由于海上施工作业难度大，复杂多变的海洋环境对机组质量、可靠性的要求更高，运行维护成本高，海上风力发电的发展一直比较缓慢。近年来，随着欧洲各国陆上风电开发趋于饱和及近海风力发电技术有了突破性进展，海上风电开发开始加速。目前欧洲已建成投产的近海风电场共三十余个，截止到2009年底，世界海上风电装机总量超过200万kW。

我国拥有漫长的海岸线，海域蕴藏有丰富的风能资源，初步资料表明，我国近海风电可开发量为7.5GW。目前，江苏、浙江、上海、广东、河北、福建等沿海省份都制定了各自海上风电发展规划，并开始有部分海上示范风电场开工建设。随着国家政策的大力支持，尤其是“海上风电特许权”项目的带动下，我国海上风电建设进程加快，未来10年内我国海上风电将迎来一个快速发展的时代。

单桩基础是适用于海上风电场中最广泛的一种风机基础型式，在目前欧洲已建风电场中，单桩基础所占比例达60%以上，其结构型式为：采用直径4~6m的钢管桩打入海床几十米深，并通过过渡段与上部风机塔筒连接。单桩基础优点是结构简单、施工快捷、性价比高。钢管桩打桩垂直度可达到1%以内，而上部风机因正常运行的需要，对基础水平度要求控制在1‰左右，故一般通过设置过渡段进行二次调平，过渡段与钢管桩之间通过高强灌浆材料连接。

近年发现，国外部分海上风机的单桩基础灌浆料与过渡段之间出现脱空与竖向移位，存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、施工快捷、性价比高的无过渡段单桩式海上风机基础结构，旨在取消过渡段，节省工程费用，连接牢固，消除灌浆料失效的风险。

本发明所采用的技术方案是：一种无过渡段单桩式海上风机基础结构，具有单桩式的钢管桩和与之相连接的风机底节塔筒，其特征在于：所述钢管桩的顶部设有基础顶部法兰，而在风机底节塔筒的底部设有底节塔筒法兰，上述两个法兰之间设置一调平机构，且两法兰通过螺栓和螺母相连接。

所述调平机构为双垫片调平结构，两个垫片Ⅰ的规格完全一致，为均匀变高度的环形垫片，上下叠置，两个垫片Ⅰ的高度变化范围为30~100mm；垫片Ⅰ的外径与基础顶部法兰外径相同，每个垫片Ⅰ上沿圆周均匀设置一圈螺栓孔，螺栓孔的数量及位置与基础顶部法兰和底节塔筒法兰的均相对应。

所述调平机构为三垫片调平结构，三个垫片Ⅱ的规格各异，每个垫片Ⅱ都是均匀变高度等直径的圆环垫片；垫片Ⅱ的外径与基础顶部法兰外径相同，每个垫片Ⅱ上沿圆周均匀设置一圈螺栓孔，螺栓孔的数量及位置与基础顶部法兰和底节塔筒法兰的均相对应；三种规格的垫片Ⅱ分别对应调平1‰、2‰和5‰的水平精度。

所述调平机构为锲形垫片砂浆调平结构，该结构由6块不同厚度的锲形垫片和水泥砂浆构成并在它们的外侧和内侧分别设置外侧止浆板和内侧止浆板。

所述基础顶部法兰设在钢管桩的顶端内侧，法兰的上表面与桩顶齐平。

所述基础顶部法兰设在钢管桩的顶部外侧，法兰上表面位于桩顶的下方。

所述基础顶部法兰设在钢管桩的顶部内侧，法兰上表面位于桩顶的下方。

钢管桩顶端内侧设牛腿，所述基础顶部法兰设在钢管桩的顶端外侧并与牛腿连为一体。

所述基础顶部法兰设在钢管桩的顶端内侧，并在该基础顶部法兰的上面设置相对称的临时工艺法兰。 

本发明的有益效果是：1）本发明取消传统的单桩顶部套接的过渡段钢筒，直接通过顶部法兰与风机底节塔筒连接，单台风机基础节省50~80吨钢材，经济效益明显；2）本发明取消传统的灌浆连接方式，连接牢固，无灌浆料失效的风险；3）本发明取消传统的海上焊接连接方式，避免焊接热量损伤局部防腐油漆涂层，提高海上风机基础的耐久性；4）本发明提供四种调平方法（分别为双垫片调平、三垫片调平、底节塔筒调平和锲形垫片砂浆调平），通过这些调平方法实现了对风机底节塔筒的精确调平，尤其以双垫片和三垫片调平方法最为简单快捷。

附图说明

图1~图5为本发明中各种钢管桩的结构示意图。

图6为实施例1的结构示意图。

图7为实施例1中垫片Ⅰ的平面图。

图8为实施例2中三垫片调节结构示意图。

图9为实施例3的结构示意图。

图10 ~图12为实施例4的示意图。

具体实施方式

实施例1：如图6所示，本实施例包括打入海床一定深度的超大直径钢管桩1，桩径为4000mm~6500mm，桩顶在工厂内焊接基础顶部法兰2，该基础顶部法兰设在钢管桩1的顶部内侧且法兰的上表面与钢管桩1顶面齐平。本例还包括与钢管桩1上端连接的风机底节塔筒13，并且在风机底节塔筒13的底部设有底节塔筒法兰12。底节塔筒法兰12与基础顶部法兰2之间设置双垫片调平结构，并且通过螺栓10、螺母11将两法兰紧密连接起来。

其中双垫片调平结构包括两个规格完全一致垫片Ⅰ9，该垫片Ⅰ为均匀变高度的环形垫片，上下叠置，两个垫片Ⅰ9的高度变化范围为30~100mm；垫片Ⅰ的外径与基础顶部法兰2外径相同，每个垫片Ⅰ上沿圆周均匀设置一圈螺栓孔，螺栓孔的数量及位置与基础顶部法兰2、底节塔筒法兰12的均相对应（见图7）。为便于调平后安装螺栓，垫片Ⅰ螺栓孔孔径较风机基础顶部法兰2、底节塔筒法兰12螺栓孔孔径稍大2~3mm，一般为50~80mm。

本实施例的具体施工方法如下：首先运用液压打桩锤3将钢管桩1顺利打入海床设计深度。若桩顶水平度能满足小于1‰的精度要求，则可直接吊装风机底节塔筒13，开始下步工序；若水平度不能满足小于1‰的精度要求，则在钢管桩1顶部安装双垫片调平结构，使得双垫片调平结构上表面水平度满足小于1‰的精度要求，并注意在螺栓连接时，各组螺栓孔需一一对应。然后吊装风机底节塔筒13，通过螺栓10穿越法兰孔将基础顶部法兰2、垫片Ⅰ9和底节塔筒法兰12连接起来，并通过螺母11紧固，即可开始下步施工工序。

本例中钢管桩1在沉桩时，液压打桩锤3直接施打于基础顶部法兰2上表面（如图1所示），这种方式打桩对基础顶部法兰2有一定的影响。为避免或减少对基础顶部法兰的损伤，本实施例提供以下的四种方式可供选择。

1）如图2所示，基础顶部法兰2设在钢管桩1的顶部外侧，法兰上表面位于桩顶的下方一定距离（离开的距离视工艺的要求，只要打桩锤不碰到法兰即可）。该钢管桩在沉桩时，液压打桩锤3可直接施打于桩顶，不会对基础顶部法兰2造成损伤。

2）如图3所示，基础顶部法兰2设在钢管桩1的顶部内侧，法兰上表面位于桩顶的下方一定距离。钢管桩在沉桩时，液压打桩锤3可直接施打于桩顶，对基础顶部法兰2无损伤。

3）如图4所示，钢管桩1顶端设牛腿6，基础顶部法兰2设在钢管桩1的顶端外侧并与牛腿6连为一体。钢管桩在沉桩时，液压打桩锤3可直接施打于钢管桩内侧的牛腿6上，对外侧的基础顶部法兰2无损伤。

4）基础顶部法兰2设在钢管桩1的顶部内侧且法兰的上表面与钢管桩1顶面齐平。为避免液压打桩锤3直接锤击于基础顶部法兰2表面，在基础顶部法兰2上面设置临时工艺法兰8（如图5所示）。钢管桩在沉桩时，液压打桩锤3可直接施打于临时工艺法兰8上，最大限度减少对基础顶部法兰2的损伤。

实施例2：本例的基本结构与实施例1相同，不同之处仅在于基础顶部法兰2与底节塔筒法兰12之间设置三垫片调节结构（如图8所示），该结构由三种不同规格的均匀变高度等直径圆环垫片Ⅱ14组成，上下叠置，垫片Ⅱ14高度变化范围为20~80mm。垫片Ⅱ14的外径与基础顶部法兰2外径相同，每个垫片Ⅱ14上沿圆周均匀设置一圈螺栓孔，螺栓孔的数量及位置与基础顶部法兰2和底节塔筒法兰12的均相对应；三种规格的垫片Ⅱ14调整的水平度分别为1‰、2‰和5‰。一般选取1~3个不同规格的圆环垫片Ⅱ14进行组合，从而调整该垫片Ⅱ顶面水平，使得风机基础的总水平度达到1‰以内。

实施例3：如图9所示，钢管桩1的顶部为基础顶部法兰2，因打桩精度原因钢管桩1会出现倾斜，导致法兰上边面倾斜，根据基础顶部法兰2上表面实测水平度，加工风机底节塔筒13，使得塔筒垂直度达到要求。底节塔筒法兰12与基础顶部法兰2之间通过螺栓10、螺母11将其紧密连接。

实施例4：如图10~12所示，本实施例的基本结构与实施例1相同，不同之处在于本实施例在基础顶部法兰2与底节塔筒法兰12之间设置锲形垫片砂浆调平结构，该结构由六块不同厚度的锲形垫片17、一块外侧止浆板18和一块内侧止浆板19组成。锲形垫片17均匀布置于基础顶部法兰2与底节塔筒法兰12之间，两法兰内侧为内侧止浆板19，外侧为外侧止浆板18，两止浆板之间空腔内采用水泥砂浆20封堵。

根据实际钢管桩垂直度，选用不同厚度的锲形垫片17，调整该组锲形垫片顶面平整度，使其平整度达到1‰以内。