一种装配式海上风电浮动基础结构及其施工方法与流程

1.本发明涉及海上风电开发设备技术领域，具体涉及一种装配式海上风电浮动基础结构及其施工方法。


背景技术：

2.我国正处于能源转型的关键阶段，风能作为一种可再生清洁能源，技术日趋成熟，成本不断下降，在我国的新能源开发中扮演着举足轻重的角色。与陆上风力发电相比，海上风力发电具有独特的优势。海上风资源丰富且风速与风向稳定；海上风电场具有不占用土地资源；单机容量大，适合大规模开发。目前，近海固定式风电的开发已经基本实现工业化，一些早期建立的近海风电场正在走入中、后期的开发阶段。但是，对于面向水深超过50米的漂浮式风电开发，无论是国内还是国际都还处于试验研究阶段。从长远来看，随着潮间带及近海区域风电资源开发的日趋饱和，海上风电开发从近海走向深远海是必然趋势，漂浮式海上风电机组结构的研发与设计势在必行。
3.漂浮式海上风电机组结构是一种多系统联合的复杂工程装备，由多个子系统构成，主要包含上部风机、中部塔筒、下部漂浮式基础以及系泊系统。其中，漂浮式基础是整个风电机组稳定发电工作的依赖，漂浮式基础的设计是整个装置设计中的重中之重。为满足风力发电机组在深远海环境下的运行需求，漂浮式基础的设计体型通常很大。现有的漂浮式基础设计通常为整体在车间或船坞内进行加工，整体发运至海上机位位置，对加工场地和运输船舶要求很高，不利于风电场建设的批量化生产需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种装配式海上风电浮动基础结构及其施工方法。本发明降低了加工场地、运输装备的要求；本发明特有的箱型连接梁装配结构，可直接在海上进行拼装作业，有利于风机基础的大批量流水化生产。
5.为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
6.一种装配式海上风电浮动基础结构，其特征在于：包括多个预制好的立柱式分体结构和箱型连接梁，多个立柱式分体结构呈正三角形布置，两个立柱式分体结构间通过箱型连接梁相连，立柱式分体结构上在与箱型连接梁的连接处预留有插口和灌浆舱室，箱型连接梁的两端在与立柱式分体结构的连接处设有限位抗拉连接结构。
7.进一步的：所述立柱式分体结构分为两段式结构，上部段结构的截面小于下部段结构的截面，上部段结构和下部段结构均分别与箱型连接梁连接，上部段结构和下部段结构与箱型连接梁的连接处均预留所述插口，所述插口四周连接有所述灌浆舱室，插口的尺寸与箱型连接梁的尺寸相匹配。
8.进一步的：所述上部段结构和下部段结构处于基础结构外侧的表面均分别呈圆柱面设置，上部段结构和下部段结构在与箱型连接梁连接的连接侧为平面设置。
9.进一步的：所述立柱式分体结构上相邻的两个所述平面设置形成箱型连接梁的安
装定位面，在安装定位面上配置可拆卸的安装定位工具，安装定位工具在箱型连接梁安装过程中起定位和导向作用；所述安装定位工具包括两块相连接的并呈120
°
设置的第一连接板，两块第一连接板的另一端均分别连接有第二连接板，两块第二连接板之间的夹角呈60
°
设置。
10.进一步的：所述箱型连接梁的两端在与立柱式分体结构的连接处预留有十字开口，所述下部段结构的灌浆舱室包括在插口两侧、顶部和底部的舱壁上开设有第一灌浆槽，所述箱型连接梁两端的十字开口内布设钢筋，钢筋的端部设置在第一灌浆槽内，第一灌浆槽内灌注混凝土；所述上部段结构的灌浆舱室包括在插口四周的舱壁上开设有第二灌浆槽，所述箱型连接梁两端的十字开口内布设的钢筋的端部设置在第二灌浆槽内，第二灌浆槽内灌注混凝土。
11.进一步的：所述立柱式分体结构上具有固定连接的系泊系统，立柱式分体结构内部在灌浆舱室和插口以外的空间，均可设置水密压载舱。
12.进一步的：所述立柱式分体结构内预留有连接至灌浆舱室和插口的灌浆通道。
13.进一步的：所述箱型连接梁的两端在与立柱式分体结构的连接处预留有剪力键，剪力键在箱型连接梁外壁的四周上垂直于箱型连接梁的轴线布置。
14.本发明的第二个目的在于：提供一种装配式海上风电浮动基础结构的施工方法，在船坞内预制好如权利要求1所述的立柱式分体结构和箱型连接梁，并利用驳船分体运输至海湾、近海或服役机位进行拼装与灌浆连接，所述施工方法包括如下步骤：
15.s1、第一次装配：先利用一条驳船将两个立柱式分体结构进行运载稳定，在驳船上将两个立柱式分体结构上部段结构的插口中对应插入一根箱型连接梁，在箱型连接梁的十字开口内穿入钢筋，钢筋的两端预留在第二灌浆槽内，通过灌浆通道对上部段结构的灌浆舱室进行灌浆；
16.s2、在两个立柱式分体结构下部段结构的插口中对应插入另一根箱型连接梁，在箱型连接梁的十字开口内穿入钢筋，钢筋的两端预留在第一灌浆槽内，并通过灌浆通道对下部段结构的灌浆舱室进行灌浆；
17.s3、第二次装配：利用另一艘驳船将第三个立柱式分体结构进行运载稳定，并保证三个立柱式分体结构处于三角形布置，在第三个立柱式分体结构与其余两个立柱式分体结构上部段结构的插口中分别中对应插入一根箱型连接梁，在箱型连接梁的十字开口内穿入钢筋，钢筋的两端预留在第二灌浆槽内，并通过灌浆通道对上部段结构的灌浆舱室进行灌浆；
18.s4、在第三个立柱式分体结构与其余两个立柱式分体结构下部段结构的插口中分别中对应插入一根箱型连接梁，在箱型连接梁的十字开口内穿入钢筋，钢筋的两端预留在第一灌浆槽内，并通过灌浆通道对下部段结构的灌浆舱室进行灌浆；
19.s5、结构整体下水、湿拖与机位安装：基础结构的灌浆强度达到指定强度后，基础结构整体下水，浮运至风机机位，进行系泊系统的安装；其中，系泊系统的锚固工作在结构拖运至风机机位前已经施工完毕。
20.进一步的：在第三个立柱式分体结构进行装配前，在第三个立柱式分体结构和另一个需要装配箱型连接梁的立柱式分体结构的插口位置设置安装定位工具，根据安装定位工具的定位和导向功能，对箱型连接梁的位置进行选定，以及在箱型连接梁的插入过程中
对其进行支撑和定位。
21.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
22.1、本发明的装配式设计大大降低了对钢结构加工厂、运输安装船舶和码头的要求，降低了施工难度与门槛，为风电场建设批量化生产提供了可靠思路。
23.2、本发明基于海上装配的设计理念，结构基础型式为半潜型，水深应用范围广，能够同时适用于浅水和深水海域。
24.3、立柱式分体结构间通过箱型连接梁在海上进行装配，本发明特有的箱型连接梁与分体立柱装配结构以及施工技术手段，有利于进行海上拼装作业。
25.4、本发明立柱式分体结构中的箱型连接梁的十字形靠口及内部布筋设计，有利于确保灌浆连接后结构力的均匀传递，以及保证连接处强度。
附图说明
26.图1是本发明的立体示意图；
27.图2是本发明的侧视图；
28.图3是本发明的俯视图；
29.图4是本发明立柱式分体结构的结构示意图；
30.图5是本发明箱型连接梁的结构示意图；
31.图6是本发明立柱式分体结构和箱型连接梁连接处的局部放大图；
32.图7是本发明的海上装配作业图的第一次装配；
33.图8是本发明的海上装配作业图的第二次装配；
34.图9是本发明安装定位工具的结构示意图。
35.附图标记：1-立柱式分体结构；2-箱型连接梁；3-安装定位工具；4-插口；5-灌浆舱室；6-剪力键；7-十字开口；8-上部段结构；9-下部段结构；10-长方形截面；11-第一灌浆槽；12-钢筋；13-第二灌浆槽；14-第一连接板；15-第二连接板。
具体实施方式
36.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
37.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
38.如图1至9所示，一种装配式海上风电浮动基础结构及其施工方法，包括多个预制好的立柱式分体结构1和箱型连接梁2。立柱式分体结构1总高度30米，上部段结构8直径13米，下部段结构9直径25米。箱型连接梁2长度35米，截面为9
×
6米箱型。多个立柱式分体结构1呈正三角形布置，两个立柱式分体结构1间通过箱型连接梁2相连，立柱式分体结构1上在与箱型连接梁2的连接处预留有插口4和灌浆舱室5，箱型连接梁2的两端在与立柱式分体结构1的连接处设有限位抗拉连接结构。
39.所述立柱式分体结构1分为两段式结构，上部段结构8的截面小于下部段结构9的截面，上部段结构8和下部段结构9均分别与箱型连接梁2连接，上部段结构8和下部段结构9与箱型连接梁2的连接处均预留所述插口4，所述插口4四周连接有所述灌浆舱室5，插口4的尺寸与箱型连接梁2的尺寸相匹配。
40.所述上部段结构8和下部段结构9处于基础结构外侧的表面均分别呈圆柱面设置，以保证立柱式分体结构1各向波浪荷载均匀，上部段结构8和下部段结构9在与箱型连接梁2连接的连接侧为平面设置的长方形截面10，以方便箱型连接梁2在海上拼装，装配式海上风电浮动基础结构的设计水线的高程与上部段结构8的高程一致。
41.所述立柱式分体结构1上相邻的两个长方形截面10形成箱型连接梁2的安装定位面，在安装定位面上配置可拆卸的安装定位工具3，安装定位工具在箱型连接梁2安装过程中起导向作用。所述安装定位工具3包括两块相连接的并呈120
°
设置的第一连接板14，两块第一连接板14的侧面分别与相邻的两个长方形截面10连接，两块第一连接板14的另一端均分别连接有第二连接板15，两块第二连接板15之间的夹角呈60
°
设置。
42.箱型连接梁2在安装时，在海上的驳船会不可避免的进行晃动，这对箱型连接梁2的定位和安装造成了一定的难度；此时将安装定位工具3安装至两个立柱式分体结构1需要装配箱型连接梁2的立柱式分体结构1的长方形截面10上，箱型连接梁2的侧壁与两个安装定位工具3的第二连接板15相贴合，并顺着第二连接板15向其中立柱式分体结构1的插口4进行移动，即可轻易的插入该立柱式分体结构1的插口4中，然后另一个立柱式分体结构1通过该第二连接板15与箱型连接梁2的贴合面，向箱型连接梁2的方向移动，使得箱型连接梁2插入其插口4中；同时在连接和浇筑混凝土的过程中，安装定位工具3还起到支撑和定位箱型连接梁2的作用。
43.限位抗拉连接结构采用以下方式实施：所述箱型连接梁2的两端在与立柱式分体结构1的连接处预留有十字开口7，所述下部段结构9的灌浆舱室5包括在插口4两侧、顶部和底部的舱壁上开设有第一灌浆槽11，所述箱型连接梁2两端的十字开口7内布设钢筋12，钢筋12的端部设置在第一灌浆槽11内，第一灌浆槽11内灌注混凝土。
44.所述上部段结构8的灌浆舱室5包括在插口4四周的舱壁上开设有第二灌浆槽13，所述箱型连接梁2两端的十字开口7内布设的钢筋12的端部设置在第二灌浆槽13内，第二灌浆槽13内灌注混凝土。设置第一灌浆槽11和第二灌浆槽13，保证灌浆后可为箱型连接梁2提供坚固的各向支撑力。通过布设钢筋12为混凝土提供更强的抗拉能力。
45.所述十字开口7在海上装配施工过程中可加入锚杆、千斤顶或焊接板等临时固定设备，以防止装配时发生相对位移。所述立柱式分体结构1中的一个作为风机安装平台，并在顶部设置塔筒连接法兰，上方安装风机塔筒及风力发电机；风机安装平台顶面与风机塔筒底端固定连接，风机塔筒顶端固定连接有风力发电机；所述风力发电机主要由机舱、轮毂和叶片组成。
46.所述插口4和灌浆舱室5的尺寸与箱型连接梁2的尺寸相匹配。
47.所述立柱式分体结构1上具有固定连接的系泊系统，通过系泊系统将基础结构系泊于海床上，立柱式分体结构1内部在灌浆舱室5和插口4以外的空间，均可设置水密压载舱，可填充固定压载或活动压载，填充物可以为大密度矿石、海水以及混凝土，进而调整结构的吃水状态与水中姿态。
48.所述系泊系统主要由导缆孔、锚机以及锚链组成，锚机设置在立柱式分体结构1内，锚机上开设导缆孔，锚链通过导缆孔与锚机相连。所述系泊系统采用悬链线式系泊或张紧式系泊，三个立柱式分体结构1内均设置有锚机，相邻两个系泊点之间的夹角为120度；每个锚机上连接有两道锚链，两根锚链的夹角为60度。
49.所述灌浆舱室5上设有水密舱门，通过水密舱门在灌浆前，施工人员可以进入灌浆舱室5内进行临时加固和布筋工作，布筋完成后，施工人员从舱室退出；灌浆后，水密舱门不再启用。立柱式分体结构1内预留有连接至灌浆舱室5和插口4的灌浆通道。灌浆设备可使用此灌浆通道对灌浆舱室5和插口4灌浆。灌浆时，浆液通过灌浆通道从立柱式分体结构1的密闭舱室或插口4流入箱型连接梁2的十字开口7内，并填满整个灌浆空间灌浆舱室5和插口4。
50.所述箱型连接梁2的两端在与立柱式分体结构1的连接处预留有剪力键6，所述剪力键6在箱型连接梁2外壁的四周上垂直于箱型连接梁2的轴线布置。
51.本发明还提供一种装配式海上风电浮动基础结构的施工方法，在船坞内预制好立柱式分体结构1和箱型连接梁2，并利用驳船分体运输至海湾、近海或服役机位进行拼装与灌浆连接，所述施工方法包括如下步骤：
52.s1、第一次装配：先利用一条驳船将两个立柱式分体结构1进行运载稳定，在驳船上将两个立柱式分体结构1上部段结构8的插口4中对应插入一根箱型连接梁2，在箱型连接梁2的十字开口7内穿入钢筋12，钢筋12的两端预留在第二灌浆槽13内，通过灌浆通道对上部段结构8的灌浆舱室5进行灌浆；
53.s2、在两个立柱式分体结构1下部段结构9的插口4中对应插入另一根箱型连接梁2，在箱型连接梁2的十字开口7内穿入钢筋12，钢筋12的两端预留在第一灌浆槽11内，并通过灌浆通道对下部段结构9的灌浆舱室5进行灌浆；
54.s3、第二次装配：利用另一艘驳船将第三个立柱式分体结构1进行运载稳定，并保证三个立柱式分体结构1处于三角形布置，在第三个立柱式分体结构1与其余两个立柱式分体结构1上部段结构8的插口4中分别中对应插入一根箱型连接梁2，在箱型连接梁2的十字开口7内穿入钢筋12，钢筋12的两端预留在第二灌浆槽13内，并通过灌浆通道对上部段结构8的灌浆舱室5进行灌浆；
55.s4、在第三个立柱式分体结构1与其余两个立柱式分体结构1下部段结构9的插口4中分别中对应插入一根箱型连接梁2，在箱型连接梁2的十字开口7内穿入钢筋12，钢筋12的两端预留在第一灌浆槽11内，并通过灌浆通道对下部段结构9的灌浆舱室5进行灌浆；
56.s5、结构整体下水、湿拖与机位安装：基础结构的灌浆强度达到指定强度后，基础结构整体下水，浮运至风机机位，进行系泊系统的安装；其中，系泊系统的锚固工作在结构拖运至风机机位前已经施工完毕。
57.在第三个立柱式分体结构1进行装配前，在第三个立柱式分体结构1和另一个需要装配箱型连接梁2的立柱式分体结构1的插口4位置设置安装定位工具3，根据安装定位工具3的定位和导向功能，对箱型连接梁2的位置进行选定，以及在箱型连接梁2的插入过程中对其进行支撑和定位。
58.第一次装配完成后，第二次装配前，将第三个立柱式分体结构1作为风机安装平台，进行塔筒、风机和叶轮的安装。
59.在步骤s5中，湿拖的过程中在基础结构内预加载部分压载，调整结构的拖航重心，
便于拖航，到达安装位置后，再进行压载水二次加载并调整至设计吃水。系泊系统的锚和锚链将预先安装于工作海域，待基础结构拖至现场后，将锚链自由端连接立柱式分体结构1内的锚机上，完成系泊。
60.依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种装配式海上风电浮动基础结构及其施工方法，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
61.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。