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海上风电机组基础结构陈达重力式基础重力式基础简介重力式基础是一种传统的基础型式，一般为钢筋混凝土结构，是所有的基础类型中体积最大、重量最大的基础，依靠自身的重力使风机保持垂直。在制作时，一般利用岸边的干船坞进行预制，制作好以后，再由专用船舶装运或浮运至海上指定位置安装。海床预先处理平整并铺上一层碎石，然后再将预制好的基础放于碎石之上。重力式基础适用条件重力式基础一般适用于水深小于10m的海域重力式基础的优点重力式基础结构简单，造价低，抗风暴和风浪袭击性能好，其稳定性和可靠性是所有基础中最好的。需预先处理海床；其体积大、重量大，安装不方便；适用水深范围太过狭窄，随着水深的增加，其经济性不仅不能得到体现，造价反而比其它类型基础要高。重力式基础的缺点重力式基础的改进钢桶重力式基础，这种结构形式是在混凝土平板上放置钢桶，然后在钢桶里填置鹅卵石、碎石子等高密度物质。这种结构比起混凝土重力式基础来轻便很多，能够实现用同一个起重机完成基础和风机的吊装。但是这种结构需要阴极保护系统，在造价上也比混凝土重力式基础要高。本章内容重力式基础4.1重力式基础的结构形式及特点4.2重力式基础的一般构造4.3重力式基础的基本计算4.4沉箱基础4.5大直径圆筒基础4.6吸力式基础4.1重力式基础的结构形式及特点预制基础构件；开挖基床；抛填块石基床；基床夯实和整平；在抛石基床上安装基础预制件；基础预制件内部填充；胸墙浇筑。重力式基础的施工工序重力式基础的分类吸力式基础大直径圆筒基础沉箱基础4.1重力式基础的结构形式及特点4.1.1沉箱基础沉箱是一种巨型的钢筋混凝土或钢质空箱，箱内用纵横隔墙隔成若干舱格。沉箱一般在专门的预制厂预制，然后在滑道上用台车溜放下水。当预制沉箱的数量不多时，也可利用当地修造船厂的船坞、滑道、船台或其他合适的天然岸滩预制下水。下水后的沉箱用拖轮拖至现场，定位后用灌水压载法将其沉放在整平好的基床上，再用砂或块石填充沉箱内部。有条件时，沉箱也可采用吊运安装。沉箱结构水下工作量小，结构整体性好、抗震性能强，施工速度快，需要钢材多，需要专门的施工设备和合适的施工条件。沉箱基础特点大直径圆筒基础4.1.2大直径圆筒基础大直径圆筒基础的构成4.1.2大直径圆筒基础大直径圆筒基础主要由预制的大直径薄壁钢筋混凝土无底圆筒组成，圆筒内填块石、砂或土。可直接沉入地基中，也可放在抛石基床上。大直径圆筒基础主要是靠圆筒与其中填料整体形成的重力来抵抗作用在基础上的荷载。大直径圆筒基础的特点大直径圆筒基础结构简单；混凝土与钢材用量少；适应性强，可不作抛石基床；造价低；施工速度快。但大直径圆筒基础也还存在一些问题，例如抛石基床上的大圆筒产生的基底压力大，沉入地基的大直径圆筒基础施工较复杂吸力式基础构成4.1.3吸力式基础吸力式基础是一种底端敞开、上端封闭的大直径圆桶结构，一般采用钢质制作，也可使用钢筋混凝土结构，圆桶顶部设有连接泵系统的出水孔。吸力式基础施工倒扣、充气、气浮漂运至安装地点；靠自重让吸力桶嵌入土中一定深度；借助吸力桶顶部水泵向外抽水，将吸力桶进一步沉贯入土；沉贯结束，卸去抽水系统，封闭抽水口。吸力式基础特征很高的竖向承载力和较高的水平承载力；施工简便，机动灵活，使用安全可靠；可回收利用；适用范围广，对深、浅海均适用。4.1.3吸力式基础吸力式基础的应用4.1.3吸力式基础1994年在北海水深为70m的海域，安装完成了采用吸力式基础的Eurpoipe16/ll-E大型固定式海洋平台，它的建成标志着这一技术进入了工业化实用阶段。1999年10月，我国首座吸力式沉箱基础采油平台在胜利油田CB20B井位安装成功，该平台设计工作水深8.9m，沉箱直径和高度分别为4m和4.4m，这标志我国吸力式基础海洋平台进入实用阶段。4.2重力式基础的一般构造4.2.1基床基床处理方式重力式基础根据地基情况、施工条件和结构型式采用不同的基床处理方式。吸力式基础无需对地基进行处理；对于岩石地基上的预制安装结构，为使沉箱等预制构件安装平稳，应以二片石（粒径8～15cm的小块石）和碎石整平岩面，其厚度不小于0.3m；当岩面较低时，也可采用抛石基床。对于非岩石地基，应设置抛石基床。4.2.1基床抛石基床设计包括：选择基床型式；确定基床厚度及肩宽；确定基槽的底宽和边坡坡度；规定块石的重量和质量要求；确定基床顶面的预留坡度和预留沉降量等。抛石基床设计内容基床形式重力式基础的基床型式有：暗基床、明基床和混合基床三种。基床选型原则水流流速较大时应避免采用明基床，或在基床上设防护措施。混合基床适用于地基较差的情况，此时需将地基表层的软土全部挖除填以块石，软土层很厚时可部分挖除换砂。4.2.1基床4.2.1基床基床厚度确定原则基床顶面应力大于地基容许承载力时，抛石基床起扩散应力的作用，基床厚度由计算确定，并且不宜小于1m。当基床顶面应力不大于地基容许承载力时，基床只起整平基面和防止地基被淘刷的作用，但其厚度也不宜小于0.5m。4.2.1基床基槽底宽及边坡坡度基槽底宽决定于对地基应力扩散范围的要求，不宜小于基础宽度加两倍的基床厚度，基槽底边线超出基础边缘不少于1倍的基床厚度。基槽底宽基槽边坡坡度应确保在施工过程中的稳定，一般根据地基土性质由经验确定。边坡坡度4.2.1基床基床肩宽为保证基床的稳定性，基床肩部应有一定的宽度。对于夯实基床，基床肩宽不宜小于2m；当采用水下爆夯法密实时，应适当加宽；对于不夯实基床，基床肩宽不应小于lm。当风机所在海域的底流速较大，地基土有被冲刷危险时，应加大基床外肩宽度，放缓边坡，增大埋置深度或采用其它护底措施。4.2.1基床基床夯实为使抛石基床紧密，减少风机在施工和使用时的沉降，水下施工的抛石基床一般进行重锤夯实。当地基为松散砂基或采用换砂处理时，对于夯实的抛石基床底层设置约0.3m厚的二片石垫层，以防基床块石打夯振动时陷入砂层内。近几年，工程中也开始使用爆炸夯实法，通过埋在抛石基床内的炸药爆炸时产生的震动波使基床抛石密实。①破坏块石棱角，使块石互相挤紧；②使与地基接触的一层块石嵌进地基土内。重锤夯实的作用4.2.1基床块石重量和质量要求块石重量要求基床块石的重量既要满足在波浪水流作用下的稳定性，又要考虑便于开采、运输和施工，一般采用10~100kg的混合石料，原则上块石越大越好，对于厚度不大于1m的薄基床，可采用较小的块石。块石质量要求：遇水不软化、不破裂，不被夯碎在水中饱和状态下的抗压强度，对于夯实基床不低于50MPa，对于不夯实基床不低于80MPa未风化，不成片状，无严重裂纹。预留沉降量4.2.1基床在基床、上部结构和设备的施工及安装过程中，最着竖向荷载的不断增大，基床及下部地基被压缩变形，导致整体结构发生沉降，为了保证建筑物在允许沉降范围内正常工作，基床顶面应预留沉降。预留沉降量的设计对于夯实基床，设计时只按地基沉降量预留，对于不夯实基床，还需预留基床压缩沉降量。基床压缩沉降量按下式估算：kadsD=式中——抛石基床的压缩系数，一般采用0.0005（m2/kN）；d——基床厚度（m）；——建筑物使用期最大平均基底应力（kN/m2）。4.2.2墙身和胸墙墙身和胸墙是重力式基础必需的主体结构，其作用是：将塔筒与基础链接成整体，承受作用在基础上的各种荷载，将这些荷载传到下面的地基中去。胸墙还起着将墙身连成整体的作用，并用来固定防冲设施、系船设施、铁扶梯等。墙身和胸墙的作用4.2.2墙身和胸墙对于钢筋混凝土重力式基础，胸墙一般采用现浇混凝土胸墙，与墙身一同浇筑；对于钢制重力式基础，用作胸墙的钢板也是与墙身一同制作。这样制作胸墙的优点是结构牢固，整体性好。为了保证胸墙有良好的整体性和足够的刚度，胸墙高度越高越好。胸墙4.2.2墙身和胸墙处于水位变动区的胸墙与墙身，由于强烈的干湿交替、冻融、水流冲击、冰磨、船舶撞击等作用，经过一定时期，都有不同程度的损坏。为了提高重力式基础的耐久性，设计时应采取适当措施。根据结构计算和《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS151-2011）规定的耐久性要求选定混凝土强度等级；适当增大钢筋混凝土构件厚度和钢筋的混凝土保护层；对于受冰冻作用的基础，水位变动区还可考虑采用钢筋混凝土板镶面、花岗岩镶面或抗蚀性强、抗磨性高、抗冻性好的新材料。对于钢质基础，在设计时要采用可靠的防腐蚀措施，并预留足够的腐蚀余量。增强结构耐久性的措施4.3重力式基础的计算4.3.1重力式基础设计状况和计算内容重力式基础设计状况持久状况，在结构使用期按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计；短暂状况，施工期或使用初期可能临时承受某种特殊荷载时按承载能力极限状态设计，必要时也需按正常使用极限状态设计；地震状况，在使用期遭受地震作用时仅按承载能力极限状态设计；偶然状况，在使用期遭受偶然荷载时仅需按承载能力极限状态设计。重力式基础设计及验算内容4.3.1重力式基础设计状况和计算内容序号计算和验算内容采用的极限状态采用的效应组合①基础的抗倾稳定性承载能力极限状态持久组合②沿基础底面和基床底面的抗滑稳定性承载能力极限状态持久组合③基床和地基承载力承载能力极限状态持久组合④整体稳定性承载能力极限状态持久组合⑤基础底面合力作用点位置承载能力极限状态持久组合⑥构件的承载力承载能力极限状态持久组合⑦基础施工期稳定性和构件承载力承载能力极限状态短暂效应组合⑧基础裂缝宽度正常使用极限状态长期效应（准永久）组合⑨地基沉降正常使用极限状态长期效应（准永久）组合4.3.2地基承载力计算海上风电机组基础要求（1）由于风电机组具有承受360°方向重复荷载和大偏心受力的特殊性，对地基基础的稳定性要求高，重力式基础应按大块体结构设计。基底允许脱开面积应满足表4-3的要求。如不满足要求应采取加大基础底面积或埋深等措施。表4-3各计算工况基底允许脱开面积指标计算工况基底脱开面积AT/基底面积A（100%）正常运行荷载工况多遇地震工况不允许脱开极端荷载工况25%4.3.2地基承载力计算海上风电机组基础要求（2）对地震基本烈度为VII度及以上地区，应根据地基土振动液化的判别成果，通过技术经济比较采取稳定基础的对策和处理措施。对于重力式基础，当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，由载荷试验或其他原位试验测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，应按下式修正：)5.0()3(mmdsbakahbff（4-2）式中af——修正后的地基承载力特征值；akf——地基承载力特征值；db、——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，——基础底面以下土的有效重度；sb——基础底面宽度（力矩作用方向），当基底宽度大于6m时按6m取值；m——基础底面以上土的加权平均重度（有效重度）；mh——基础埋置深度。4.3.2地基承载力计算对于岩石地基的承载力，其承载力特征值可根据岩石饱和单轴抗压强度、岩体结构和裂隙发育程度，按表4-5做相应的折减后确定；对于极软岩可通过三轴压缩试验或现场载荷试验确定其承载力特征值。岩石地基承载力无需进行深宽修正。表4-5地基岩体承载力特征值fak（MPa）岩石单轴饱和抗压强度Rb岩体承载力特征值fak岩体完整，节理间距大于1m岩体较完整，节理间距为1.0~0.3m岩体完整性较差节理间距为0.3~0.1m岩体破碎，节理间距小于0.1m坚硬岩、中硬岩（Rb30）（1/17~1/20）Rb（1/11~1/16）Rb（1/8~1/10）Rb（1/7）Rb较软岩、软岩（Rb30）（1/11~1/16）Rb（1/8~1/10）Rb（1/6~1/7）Rb（1/5）Rb4.3.2地基承载力计算当采用理论公式计算地基承载力时，由于水平荷载的作用，使得地基不均匀受力，降低了基础承受竖向荷载的能力，这种影响在地基承载力的分析应予以考虑。图4-4是理想化的风机基础受力示意图，图中H和V分别表示水平荷载和竖向荷载，LC表示水平荷载和竖向荷载在基础底面的合力作用