专利名称：水上风力发电塔架基础和结构及其安装施工方法
技术领域：
本发明涉及基础工程技术领域，特别涉及一种水上风力发电塔架基础和结构及其安装施工方法。
背景技术：
水上风力发电塔的基础主要有单桩基础、重力基础和导管架群桩基础；上部结构主要采用单节塔筒、上下双节或多节塔筒形式。风机的水上拼装需要使塔筒底部与风机基础之间的准确对位、塔筒之间的准确对位、塔筒顶部与机舱之间的准确对位和第三片叶片与机舱轮毂之间的准确对位。传统的起重船仅依靠锚缆系统对船体定位固定，受海上的波浪、潮流等作用力的影响，当安装塔架上部结构时，船体轻微的晃动会引起50米以上高度处的数米位移，施工非常困难，安全也不能保证，所以需要大型特种作业船舶和大型起重机械进行水上分体拼装或整体安装。现有水上风力发电塔架结构重量大，材料费用高。且由于塔架结构重量大，其制作、运输、安装以及风力发电设备安装需要大型运输船舶、大型特种作业船舶和大型起重机械，施工装备台班占用费用很高，不利于水上风力发电这种清洁低碳能源的推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水上风力发电塔架基础和结构及其安装施工方法，在保持塔架的功能，同时降低其成本，并结合现有的常规水上施工装备提供施工船只容易搁浅的浅水或静水区域安装施工水上风力发电塔架。为达到上述目的，本发明的技术方案是，水上风力发电塔架基础和结构，其包括，水上风力发电塔架的基础，包括一根中心桩和若干围绕中心桩并保持一定距离布置的卫星桩；中心桩桩顶略高出水面，桩底插入水下泥土中一定深度；卫星桩的桩顶略高出水面，桩底插入水下泥土中一定深度；中心桩的桩顶设置一个中心结构节点，各卫星桩的桩顶上分别设置一个卫星结构节点，中心结构节点和卫星结构节点之间，以及各卫星结构节点之间通过构件连接，构成水面上结构层；中心桩顶端的正上方设置中心柱，中心桩和中心柱通过一个连接结构节点连接； 中心柱为垂直柱，柱顶高度应满足在其上方安装风力发电设备的要求；中心柱顶端下方不影响风力发电机叶片运行高度设置一个第一结构节点，该第一结构节点和卫星桩桩顶的卫星结构节点之间设置斜柱或斜缆连接，形成风力发电塔架的空间对称结构；中心柱顶端设置一个第二结构节点，在该第二结构节点上安装风力发电设备。进一步，所述的中心桩的横截面形式为实心桩，或为带中心孔的管桩。又，所述的卫星桩为垂直桩，或者，是围绕中心桩向心布置的斜桩。另外，本发明所述的中心柱的横截面形式为带中心孔的管柱，横截面尺寸应满足在其内孔穿越电缆、缆绳以及小型升降设施的要求。本发明的水上风力发电塔架基础和结构的安装施工方法，其包括如下步骤
1)在高水位时采用打桩船机设施在水中预定位置打入中心桩和若干卫星桩；2)利用小型施工船泊在中心桩的桩顶设置一个中心结构节点，各卫星桩的桩顶上分别设置一个卫星结构节点，中心结构节点和卫星结构节点之间通过构件连接，各卫星结构节点之间通过构件连接，构成水面上结构层；3)在中心柱顶部预先安装一组定滑轮，并在中心柱顶端下方不影响风力发电机叶片运行高度预先安装一个第一结构节点，在中心柱顶端上方预先安装一个第二结构节点；4)利用打桩船的起重装置起吊中心柱并安装在中心桩的顶部，中心桩和中心桩通过一个连接结构节点连接；5)利用中心柱顶部的定滑轮和相应的缆绳起吊和调整第一结构节点；6)利用中心柱顶部的定滑轮和相应的缆绳起吊和安装斜柱或斜缆，使其上端连接于第一结构节点，下端分别连接于各卫星结构节点，形成风力发电塔架的下部空间结构。进一步，在打桩船或其他起重船将要停靠的区域铺设软体排或其他材料，防止打桩船或其他起重船搁浅时陷入泥土中；在高水位时打桩船或其他起重船驶入并停靠在中心桩附近。又，可以利用低水位或采取重载压仓措施使打桩船或其他起重船在停靠位置搁浅，在波浪作用影响较小时利用打桩船或其他起重船上的起重装置将风力发电设备起吊安装于第二结构节点上。再有，还可以利用高水位或采取卸载措施使打桩船或其他起重船摆脱搁浅状态， 然后驶离。本发明的有益效果1)本发明所提供的水上风力发电塔架结构形式，能够减少构件材料用量，并保持塔架的功能。2)本发明所提供的水上风力发电塔架结构形式，可以利用现有的水上打桩施工装备和驳船进行安装施工，不需要大型起吊船机和运输船只。3)本发明所提供的水上风力发电塔架结构形式，可以节省材料费用，减少施工装备台班费用，从而达到降低成本的目的。
附图说
图Ia为本发明水上风力发电塔架的一实施例的结构示意图；图Ib为
图1的A-A剖视图；图加 图2f为本发明水上风力发电塔架实施例一的安装施工示意图；图2c为图沘的B-B剖视图；图3a 图!Be为本发明水上风力发电塔架实施例一的安装施工示意图；
图3f为图北的C-C剖视图。
具体实施例方式
参见图la、图lb，本发明的水上风力发电塔架基础和结构，其包括，水上风力发电塔架的基础，包括由1根中心桩1和若干围绕中心桩1并保持一定距离布置的卫星桩2 ；中心桩1为垂直桩，桩顶略高出水面，桩底插入水下泥土中一定深度，既能保持其在安装施工
5阶段受风力、水流力、波浪力等荷载作用的稳定性，又能为风力发电塔架结构在运行阶段提供必要的轴向和侧向承载力。中心桩1的横截面形式可以是实心桩，也可以是有中心孔的管桩。卫星桩2可以是垂直桩，也可以是围绕中心桩1向心布置的斜桩。卫星桩2的桩顶略高出水面，桩底插入水下泥土中一定深度，既能保持其在安装施工阶段受风力、水流力、 波浪力等侧向荷载作用的稳定性，又能为风力发电塔架结构在运行阶段提供必要的轴向和侧向承载力。卫星桩2的横截面形式可以是实心桩，也可以是有中心孔的管桩。中心桩1的桩顶设置1个中心结构节点31，卫星桩2的桩顶上分别设置1个卫星结构节点32。中心结构节点31和卫星结构节点32之间通过构件4连接，各卫星结构节点 32之间通过构件4连接，构成水面上结构层，与中心桩1和卫星桩2共同承受施工期间风力、水流力、波浪力、施工船只靠泊力等侧向荷载作用。中心桩1顶端的正上方设置中心柱5，中心桩1和中心柱5通过中心结构节点31连接。中心柱5为垂直柱，柱顶高度应满足在其上方安装风力发电设备的要求。中心柱5的横截面形式为有中心孔的管柱，横截面尺寸应满足在其内孔穿越电缆、缆绳以及小型升降设施的要求。中心柱5顶端下方不影响风力发电机叶片运行高度设置1个第一结构节点51， 节点51和节点32之间设置斜柱6或斜缆6连接，形成风力发电塔架的空间对称结构，承受风力发电塔架在正常工作期间的重力、风力、水流力、波浪力、靠船力、地震作用等荷载。中心柱1顶端设置1个第二结构节点52，在节点52上安装风力发电设备。实施例1参见见图加 图2f，本发明水上风力发电塔架基础和结构的一种结构的安装和施工方法。1)采用打桩船和打桩机在水中预定位置打入1根中心桩1，中心桩1为直径 1470mm、壁厚20mm的钢管桩。中心桩1为总长60m的垂直桩，其中泥面下5 !长、水中:3m 长、水面上5m长；2)采用打桩船和打桩机在中心桩1周围打入4根卫星桩2。卫星桩2都是总长60m 的斜桩，其水平方向和垂直方向的倾斜比例为1 20，桩顶均勻布置于中心高出水面5m距中心桩的轴心5m的圆周上。卫星桩2都是直径1470mm、壁厚20mm的钢管桩；3)利用小型施工船泊在中心桩1的桩顶设置1个中心结构节点31，在卫星桩2的桩顶上分别设置1个卫星结构节点32。然后将中心结构节点31和卫星结构节点32之间通过构件4连接，卫星结构节点32之间通过构件4连接，构成水面上结构层。其中两个结构节点32之间无构件连接，留出空间供施工船只靠近；4)在中心柱5的顶端下OJm处预先安装1组定滑轮7，并在中心柱5顶端下方15m 处预先安装1个第一结构节点51，在中心柱顶端上方预先安装1个第二结构节点52。中心柱5为直径1420mm、壁厚20mm的钢管柱，总长80m ；5)利用打桩船的起重装置起吊中心柱5并插入中心桩1的顶部5m，中心柱5和中心桩1通过结构节点31连接；6)利用中心柱5顶部的定滑轮7和相应的缆绳起吊和调整第一结构节点51 ；7)利用中心柱5顶部的定滑轮7和相应的缆绳起吊和安装4根斜柱6 ；斜柱6为直径1420mm、壁厚20mm的钢管柱，总长65. lm，上端连接于第一结构节点51，下端分别插入卫星桩2约5m，并通过结构节点32连接，形成风力发电塔架的下部空间结构；8)在打桩船将要停靠的区域铺设软体排防止打桩船搁浅时陷入泥土中。在高潮位时打桩船驶入并停靠在中心桩1附近；9)利用低潮位并采取重载压仓措施使打桩船在停靠位置搁浅以减小波浪作用影响，然后采用打桩船上的起重装置将风力发电设备起吊安装于高度75m的第二结构节点52 上；10)利用高潮位并采取卸载措施使打桩船摆脱搁浅状态，然后驶离。实施例2参见图3a 图3f，本发明水上风力发电塔架基础和结构的另一结构形式的安装和施工方法。1)采用打桩船和打桩机在水中预定位置打入1根中心桩1。中心桩1为直径 1470mm、壁厚20mm的钢管桩。中心桩1为总长60m的垂直桩，其中泥面下5 !长、水中:3m 长、水面上5m长。2)采用打桩船和打桩机在中心桩1周围打入4根卫星桩2。卫星桩2都是总长60m 的斜桩，其水平方向和垂直方向的倾斜比例为1 20，桩顶均勻布置于中心高出水面5m距中心桩的轴心5m的圆周上。卫星桩2都是直径1470mm、壁厚20mm的钢管桩。3)利用小型施工船泊在中心桩1的桩顶设置1个中心结构节点31，在卫星桩2的桩顶上分别设置1个卫星结构节点32。然后将中心结构节点31和卫星结构节点32之间通过构件连接，结构节点32之间通过构件连接，构成水面上结构层。其中两个结构节点32之间无构件连接，留出空间供施工船只靠近。4)在中心柱5的顶端下OJm处预先安装1组定滑轮7，并在中心柱5顶端下方15m 处预先安装1个第一结构节点51，在中心柱顶端上方预先安装一个第二结构节点52。中心柱5为直径1420mm、壁厚20mm的钢管柱，总长80m。5)利用打桩船的起重装置起吊中心柱5并插入中心桩1的顶部5m，中心柱5和中心桩1通过中心结构节点31连接。6)利用中心柱5顶部的定滑轮7和相应的缆绳起吊和调整第一结构节点51。7)利用中心柱5顶部的定滑轮7和相应的缆绳起吊和安装4根斜缆6。斜缆6为面积为88mm2的钢缆，总长60m，上端连接于第一结构节点51，下端分别与卫星结构节点32 连接，形成风力发电塔架的下部空间结构。8)打桩船驶入并停靠在中心桩1附近。9)利用内湖或江河波浪作用影响小的时候，采用打桩船上的起重装置将风力发电设备起吊安装于高度75m的第二结构节点52上。10)打桩船然后驶离施工区域。本发明可推广应用于浅海或内湖江河的风力发电工程中，可以节省材料费用，减少施工装备台班占用费用，从而降低成本，有利用风力发电这种清洁能源的发展。由于水上风力发电塔架结构的主要构件都是大口径钢管，本发明可为大口径钢管和耐海水耐候钢材拓展更广泛的应用范围和市场空间。由于水上风力发电需要轻型高效的风力发电设备，本发明可为高牌号电工钢钢材拓展更广泛的应用范围和市场空间。
权利要求
1.水上风力发电塔架基础和结构，其特征在于包括，水上风力发电塔架的基础，包括一根中心桩(1)和若干围绕中心桩(1)并保持一定距离布置的卫星桩O)；中心桩(1)桩顶略高出水面，桩底插入水下泥土中一定深度；卫星桩 (2)的桩顶略高出水面，桩底插入水下泥土中一定深度；中心桩(1)的桩顶设置一个中心结构节点(31)，各卫星桩的桩顶上分别设置一个卫星结构节点(32)，中心结构节点和卫星结构节点之间，以及各卫星结构节点之间通过构件(4)连接，构成水面上结构层；中心桩顶端的正上方设置中心柱(5)，中心桩(1)和中心柱(5)通过一个连接结构节点 (31)连接；中心柱(5)为垂直柱，柱顶高度应满足在其上方安装风力发电设备的要求；中心柱( 顶端下方不影响风力发电机叶片运行高度设置一个第一结构节点(51)，该第一结构节点(51)和卫星桩(2)桩顶的卫星结构节点(32)之间设置斜柱(6)或斜缆(6) 连接，形成风力发电塔架的空间对称结构；中心柱(5)顶端设置一个第二结构节点(52)，在该第二结构节点(52)上安装风力发电设备。
2.如权利要求1所述的水上风力发电塔架基础和结构，其特征在于所述的中心桩(1) 的横截面形式为实心桩，或为带中心孔的管桩。
3.如权利要求1所述的水上风力发电塔架基础和结构，其特征在于所述的卫星桩(2) 为垂直桩，或者，是围绕中心桩向心布置的斜桩。
4.如权利要求1所述的水上风力发电塔架基础和结构，其特征在于所述的中心柱(5) 的横截面形式为带中心孔的管柱，横截面尺寸应满足在其内孔穿越电缆、缆绳以及小型升降设施的要求。
5.如权利要求1所述的水上风力发电塔架基础和结构的安装施工方法，其包括如下步骤1)在高水位时采用打桩船机设施在水中预定位置打入中心桩(1)和若干卫星桩O)；2)利用小型施工船泊在中心桩(1)的桩顶设置一个中心结构节点(31)各卫星桩的桩顶上分别设置一个卫星结构节点(32)，中心结构节点(31)和卫星结构节点(32)之间通过构件(4)连接，各卫星结构节点之间通过构件(4)连接，构成水面上结构层；3)在中心柱顶部预先安装一组定滑轮(7)，并在中心柱顶端下方不影响风力发电机叶片运行高度预先安装一个第一结构节点(51)，在中心柱顶端上方预先安装一个第二结构节点(52)；4)利用打桩船的起重装置起吊中心柱( 并安装在中心桩的顶部，中心桩(1)和中心柱(5)通过一个连接结构节点连接；5)利用中心柱( 顶部的定滑轮(7)和相应的缆绳起吊和调整第一结构节点(51)；6)利用中心柱顶部的定滑轮和相应的缆绳起吊和安装斜柱(6)或斜缆(6)，使其上端连接于第一结构节点(51)，下端分别连接于各卫星结构节点(32)，形成风力发电塔架的下部空间结构。
6.如权利要求5所述的水上风力发电塔架基础和结构的安装施工方法，其特征是，在打桩船或其他起重船将要停靠的区域铺设软体排或其他材料，防止打桩船或其他起重船搁浅时陷入泥土中；在高水位时打桩船或其他起重船驶入并停靠在中心桩附近。
7.如权利要求5所述的水上风力发电塔架基础和结构的安装施工方法，其特征是，利用低水位或采取重载压仓措施使打桩船或其他起重船在停靠位置搁浅，在波浪作用影响较小时利用打桩船或其他起重船上的起重装置将风力发电设备起吊安装于第二结构节点上。
8.如权利要求5所述的水上风力发电塔架基础和结构的安装施工方法，其特征是，利用高水位或采取卸载措施使打桩船或其他起重船摆脱搁浅状态，然后驶离。
全文摘要
水上风力发电塔架基础和结构及其安装施工方法，水上风力发电塔架的基础，包括一中心桩和若干围绕中心桩的卫星桩；中心桩桩顶设一个中心结构节点，卫星桩桩顶上设卫星结构节点，中心、卫星结构节点之间，各卫星结构节点之间通过构件连接，构成水面上结构层；中心桩顶端正上方设置中心柱，中心桩和中心柱通过一个结构节点连接；中心柱顶端下方设第一结构节点，第一结构节点和卫星结构节点间设斜柱或斜缆连接，形成风力发电塔架的空间对称结构；中心柱顶端设第二结构节点，第二结构节点上安装风力发电设备。本发明在保持塔架功能的同时降低其成本，并结合现有的常规水上施工装备提供施工船只容易搁浅的浅水或静水区域安装施工水上风力发电塔架。
文档编号E02D7/00GK102337746SQ201010237939
公开日2012年2月1日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者王怀忠 申请人:宝山钢铁股份有限公司