海上风电机组基础结构-第三章

海上风电机组基础结构陈达第三章：桩承式基础主要内容3.1桩承式基础的结构型式及其特点3.2桩承式基础的一般构造3.3桩承式基础的结构布置3.4桩承式基础的计算3.5风电机组桩基础的变形控制标准3.6钢管桩结构设计第三章：桩承式基础桩所承受的轴向荷载是通过作用于桩周土层的桩侧摩阻力和桩端土层的桩端阻力来支承；水平荷载是依靠桩侧土层的侧向阻力来支承。桩承式基础结构较轻，对波浪和海流的阻力较小，适用于可以沉桩的各种地基，特别适用于软土地基。在岩基上，如有适当厚度的覆盖层，也可采用桩基础；覆盖层较薄时可采用嵌岩桩桩承式基础定义桩承式基础适用条件3.1桩承式基础的结构型式及其特点单桩基础、群桩承台基础、三角架基础和导管架基础。由一根桩支撑上部结构，是桩承式基础中最简单的一种基础型式，。单桩基础由焊接钢管组成，基桩与塔架之间的连接可以是焊接法兰连接，也可以是套管法兰连接。随着水深的增大，基桩的长度会随之增大，这可能会导致基础的刚度和稳定性不满足要求，并且基桩的施工难度与经济成本也会随之提高，所以单桩基础主要适用于水深小于25m的海域。桩承式基础的分类单桩基础单桩基础适用条件3.1.1单桩基础单桩基础施工工艺较为简单，无需做任何海床准备，利用打桩、钻孔或喷冲的方法将桩基安装在海底泥面以下一定的深度。①对于软土地基可采用锤击沉桩法，如丹麦的HornsRev项目，瑞典的Utgrunden项目，爱尔兰的ArklowBank项目和英国的KentishFlats项目。②对于岩石地基，可采用钻孔的方法，边形成钻孔边下沉钢桩，如瑞典的Bockstigen项目和英国的NorthHoyle项目。单桩基础特征单桩基础施工3.1.2三脚架基础采用标准的三腿支撑结构，由中心柱、三根插入海床一定深度的圆柱钢管和斜撑结构组成。中心柱即三角架的中心钢管提供风机塔架的基本支撑，类似单桩结构。三根等直径的钢管桩一般呈等边三角形均匀布设。三角架可以采用垂直或倾斜套管，支撑在钢管桩上。斜撑结构为预制钢构件，承受上部塔架荷载，并将荷载传递给三根钢管桩。预制的三角桁架设数根水平和斜向钢连杆，其分别连接3根钢套管以及位于中心的竖向钢管，竖向钢管顶端与风机塔架相接。三角架基础定义三脚架基础的构建3.1.2三脚架基础①具有单桩基础的优点（施工工艺较为简单，无需做任何海床准备）；②不需要冲刷防护；③三角架基础的刚度较大。适用水深范围及地质条件也比较广泛。挪威船级社（DNV-OS-J101-2013）标准推荐三角架基础适用水深为0~30m。三角架基础的特征三脚架基础的适用条件三角架基础施工时，先沉放三角架，然后进行3根钢管桩的施打（通过导管施打基桩）。导管与基桩连接在水下进行，可采用灌注高强化学浆液或充填环氧胶泥（一般每根桩需要配专用水下液压卡桩器）、水下焊接等措施进行连接。3.1.2三脚架基础三脚架基础的施工3.1.2三脚架基础三脚架基础需要进行水下打桩和水下灌浆，德国的BARDOffshore1风场推出了高三桩门架式基础。用3根大直径钢管桩定位于海底，3根桩呈正三角形布设，桩顶通过内插钢套管支撑上部钢结构体系，构成门架式基础。（a）立面示意图（b）平面布置示意图图3-3三桩门架式基础三脚架基础的改进—门架式基础：3.1.2三脚架基础采用先打桩后放导管架的施工方式，要求严格控制桩的打桩精度，对打桩设备的能力及打桩精度要求提高，确保上部门架准确定位。为将灌浆提高至水面以上，桩顶标高需高出水平面；为防止波浪荷载作用，方形梁底高程大于极端高潮位+2/3H1%，上部门架可采用空间梁板结构。上部门架与钢管桩之间采用高强灌浆料连接。门架式基础施工3.1.3导管架基础导管架基础由导管架与桩两部分组成，导管架是一以钢管为骨棱的钢质锥台形空间框架，为预制钢构件。可以设计成三腿、四腿、三腿加中心桩、四腿加中心桩结构，一般由圆柱钢管构成。导管架与基桩一般在海床表面处连接，通过导管架各个支角处的导管打入海床。整体性好，承载能力较高，对打桩设备要求较低。并且导管架是在陆地上预制而成，施工相对简便。但现场作业时间相对较长，其造价随着水深的增加呈指数增长。导管架基础的组成导管架基础的特点3.1.3导管架基础海上风电场中，考虑到建设成本，导管架基础的适用水深为0~50m，最适用于水深为20~50m的海域，因为当水深超过20m时，相对于单桩基础和三角架基础，导管架基础的用钢量更少。导管架基础应用条件3.1.4群桩承台基础群桩承台基础主要由桩和承台组成，承台采用钢筋混凝土结构。结构刚度大、整体性好，但施工工序较多、自重大、需桩多，承台现浇工作量大。主要适用水深为0~25m，适合离岸距离不远的海域施工。群桩承台基础组成群桩承台基础特点群桩承台基础适用条件3.2桩承式基础的一般构造海上风电机组基础有钢管桩和混凝土预制桩两大类，绝大多数采用钢管桩。钢管桩的穿透能力强、自重轻、锤击沉桩的效果好，无论起吊、运输或是沉桩、接桩都很方便。钢管桩的外径与壁厚之比不宜大于70，以免打桩时由于壁厚较薄而导致部分钢桩屈曲破坏。3.2.1桩钢管桩优点钢管桩不足钢管桩的耗钢量大，成本高，容易产生锈蚀，影响使用年限，必须对钢管桩采取有效的防腐措施。钢管桩的注意事项：混凝土预制桩PHC管桩预制混凝土预制桩PHC管桩预应力拉伸混凝土预制桩PHC管桩拆模混凝土预制桩大直径管桩预制养护混凝土预制桩拼接好的大直径管桩混凝土预制桩钢桩靴混凝土预制桩PHC管桩起吊混凝土预制桩PHC管桩沉桩桩抱箍混凝土预制桩桩承重结构混凝土预制桩承台底板混凝土预制桩绑扎承台钢筋混凝土预制桩钢管桩施打钢管桩钢管桩钢管桩3.2.2靠船防撞设施靠船构件一般采用钢桁架焊接于桩身，钢桁架最外侧可用橡胶材料包裹以缓冲船体对基础的撞击。靠船构件的底高程和顶高程需结合海域的低水位、高水位以及检修船的吃水深度等因素综合确定。①防撞设计标准：暂无标准，风险评估将首先绘制该区域的船只等级以及其航迹线运用国际通用的模型来评估船只与风力发电场发生碰撞的风险。②常见防撞设施设计：附着式防护系统分离式防护系统浮体系泊防护系统群桩墩式防护系统单排桩防护系统2）防撞设计1）靠船构件该系统由浮体、钢丝绳、锚定物组成。浮体移动、钢丝绳变形、锚定物在碰撞力作用下移动等都可吸收大量能量，对碰撞船舶也有很好的保护作用。该系统占用水域大，建造复杂，一般仅适用含有球首的较大型船舶。该系统采用独立的钢管桩基础防撞墩，基桩由承受压力的斜桩和承受拉力的竖直桩组成。群桩墩式结构刚度大，一旦发生碰撞事故，船只的损伤比较大，因而该防护系统仅适用于碰撞概率较低，且采用其他防护措施达不到防护效果的情况。该系统采用间隔布置的钢管桩作为防撞设施，钢管桩采用锚链或水平钢管相连，计算防撞能力时不考虑桩间联系刚度，即按单桩计算防撞能力。单排桩防护系统仅能抵抗小型船舶的撞击，对于中大型的船舶仅起到警示和缓冲作用。3.2.2靠船防撞设施浮体系泊防护系统群桩墩式防护系统单排桩防护系统3）警示装置设计3.2.2靠船防撞设施①警示装置设计是防撞设计的重要内容。所有处在外围的风塔基础均需设置夜间和雾天警示灯，警示灯布置在基础醒目位置。为防止个别警示灯意外损害，每个基础需布置多套警示灯。②若海上风电场与海上航线接近，航道边应设置浮标。同时靠近航线侧的风塔基础应设置雷达应答器，以便装有雷达装置的较大型船舶能及早发现障碍物，避免越过浮标位置碰撞风塔基础。3.2.3平台、栏杆和爬梯海上风机需设置检修平台，位置一般在高于海平面的适当位置，需保证平台底高程高于海平面以及平台不受波浪的影响。为了保障检修人员的安全，需在平台四周设置栏杆。为了方便检修人员上下检修平台，在靠船处与平台之间需设置爬梯。平台、栏杆和爬梯3.3桩承式基础结构设计三脚架（导管架）承受上部风电机组塔筒荷载、波浪、水流等环境荷载及自重，并将荷载通过撑杆（钢管）传递给打入海床的钢管桩。三脚架（导管架）基础采用钢管桩定位于海底，钢管桩一般呈正三角形（多边形）均匀布设，桩顶通过钢套管支撑上部三角架（导管架）式结构，构成组合式基础。3.3.1三脚架（导管架）基础的结构布置1）桩的布置三脚架（导管架）基础中的桩顶部通过特殊灌浆或桩模的方式与三脚架（导管架）相连，其中以灌浆方式居多。海上风电机组基础承受较大的水平荷载，连接段承受弯矩较大，对灌浆连接的质量和作用效果提出了更高的要求。海上风电机组三脚架（导管架）基础的连接一般完全或部分处于水下，宜采用底部灌注方式。灌浆过程中在浆液充满环形空间后，应进行一段时间的压力闭浆。采用底部灌浆，结石体与管壁粘接比较密实，结石体内部的蜂窝状孔隙很小且较少，灌浆效果较好。3.3.1三脚架（导管架）基础的结构布置2）桩与三脚架（导管架）的连接3.3.2群桩承台基础的结构布置桩的布置直接关系到整个基础结构的受力，其布置原则是：①能充分发挥桩的承载力，且使同一承台下的各桩的受力尽量均匀，使桩的沉降和不均匀沉降较小；②使整个群桩承台基础的建设比较经济；③考虑桩施工的可能性和方便性。1）群桩承台基础中桩的布置（1）充分发挥基桩的承载力，基桩的最小中心距应符合表3-1的规定。注：1.D—圆桩直径或方桩边长。2.当纵横向桩距不相等时，其最小中心距应满足“其他情况”一栏的规定（2）布置基桩时，宜使桩群承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点重合，并使基桩受水平力和力矩较大方向有较大抗弯截面模量。（3）尽量采用对称布置，其位置、坡度及桩端嵌固情况均宜对称，这种布置结构简单，计算容易，施工方便。（4）应选择较硬土层作为桩端持力层。桩端全断面进入持力层的深度，对于黏性土、粉土不宜小于2D，砂土不宜小于1.5D，碎石类土，不宜小于1D。当存在软弱下卧层时，桩端以下硬持力层厚度不宜小于3D。3.3.2群桩承台基础的结构布置土类与成桩工艺排数不少于3排且桩数不少于9根的摩擦型桩桩基其他情况非挤土灌注桩3.0D3.0D部分挤土桩3.5D3.0D挤土桩饱和黏性土4.5D4.0D群桩基础中桩的布置宜符合下列条件①应安排好斜桩的倾斜方向，要避免桩与桩在泥面下相碰。②考虑到打桩偏差，两根桩交叉时的净距不宜小于50cm。③保证每根桩都能打，且施工方便；④不妨碍打桩船的抛锚和带缆；⑤尽量减少调船和变动打桩架斜度。①同一桩台下的基桩，宜打至同一土层，且桩端标高不宜相差太大；②当桩端进入不同的土层时，各桩沉桩贯入度不宜相差过大；③同一桩台基桩桩端不应打入软硬不同土层。3.3.2群桩承台基础的结构布置桩基平面布置要求减小基础的沉降措施3.3.2群桩承台基础的结构布置承台的底部高程：应考虑使用要求、施工水位、波浪对结构的影响、靠船检修、低潮时防止船舶直接撞击下部基桩的需要等因素。承台顶高程：应从设计水位、设计波高、结构受到的波浪力综合考虑。一般情况下，需保证基础上方塔筒与基础结合面不受海水浸泡和波浪打击。厚度：主要由承台的抗冲切、抗剪切、抗弯承载力以及基桩与塔筒的连接要求综合确定。平面尺寸：主要决定于基桩的平面布置以及检修操作的空间需求。除此之外还有一些构造要求，如边桩中心至承台边缘的距离不应小于桩的直径或边长，且桩的外边缘至承台边缘的距离不应小于150mm。2）承台高程3）承台尺寸3.4桩承式基础的计算3.4.3抗裂与裂缝宽度验算3.4.1桩的承载力计算3.4.2桩的承载力验算3.4.1桩的承载计算抗压承载力、水平承载力和抗拔承载力。抗压承载力摩擦桩：由桩侧摩阻力和桩端阻力组成端承桩：桩端阻力起主要作用抗拔承载力：仅有桩侧摩阻力桩的承载主要包括1）抗压承载力钢管桩的抗压承载力标准为ppsipfkqAAfQQQfQ——桩侧摩阻力标准值（kN）；pQ——桩端总承载力标准值（kN）；if——单位桩侧摩阻力标准值（kPa）；sA——桩侧表面积（m2）；q——单位桩端承载力标准值（kPa）；pA——桩端总面积（m2）；p——桩端闭塞效应系数，对于闭口钢管桩1p，对于敞口钢管桩分情况取值。当Dhb/5时，Dhbp/16.0；当Dhb/≥5时，8.0p；bh为桩端进入持力层深度；D为钢管桩外径。对于大直径的钢管桩