一种降载支撑结构的制作方法

1.本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种降载支撑结构。


背景技术：

2.近几年来，我国海上风电发展十分迅猛，天津、河北、辽宁、山东等省相继开工建设多个风电项目。在我国北方海域，台风等自然灾害对风电机组的影响较小，但每年冬季长达3个月的冰期时间中，漂流在海中的浮体会挤压冲击风电单桩基础，产生复杂敏感的动态响应行为，影响到风机的稳定运行。基于此，为了有效的提升单桩基础的使用效率及寿命，为其建构一种能够抵抗海冰作用的结构型式就显得尤为重要。
3.通常情况下，海冰在支撑结构前可能产生挤压、压屈、剪切、弯曲等破坏形式，由于海冰的弯曲强度远远小于其抗压强度，因此，采用合适的结构形式将使得海冰变为弯曲破坏，可以大大减小海冰的作用力。对于单桩基础这种支撑结构而言，在桩身潮位附近加装抗冰锥，冰与抗冰锥在相互作用时能够将海冰的破坏模式由挤压破坏改变为弯曲破坏，可以使得海冰作用在结构上的载荷大大降低。
4.目前的支撑结构为等径结构，而且直径较大，由于桩径大，受到的波浪载荷非常大，会影响到支撑结构的安全性。
5.另外，现有抗冰锥其巨大的体型在没有海冰的季节还会增加支撑结构的波浪载荷，甚至可能增加50％以上的波浪载荷，对于无冰期极其不利。
6.因此，如何解决因支撑结构桩径大带来的波浪载荷大的问题，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降载支撑结构，以解决因支撑结构桩径大带来的波浪载荷大的问题。
8.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
9.一种降载支撑结构，包括支撑柱，所述支撑柱包括：
10.下立柱和上立柱；
11.支撑杆，设置于所述下立柱和所述上立柱之间，所述支撑杆的横截面面积小于所述下立柱和所述上立柱的横截面面积，所述支撑杆位于水平面位置处。
12.可选地，在上述降载支撑结构中，所述支撑杆为圆柱形杆，且所述支撑杆为间隔布置的多个。
13.可选地，在上述降载支撑结构中，还包括：
14.抗冰锥，可滑动的套设于所述支撑柱上，所述抗冰锥沿所述支撑柱轴向上的尺寸大于所述支撑杆的长度；
15.提升设备，设置于上立柱上，用于驱动所述抗冰锥沿所述支撑柱滑动。
16.可选地，在上述降载支撑结构中，所述提升设备为卷扬机，所述抗冰锥与所述卷扬
机的钢丝绳连接。
17.可选地，在上述降载支撑结构中，所述抗冰锥的上锥高度大于所述抗冰锥的下锥高度。
18.可选地，在上述降载支撑结构中，所述下立柱和所述上立柱均为空心管状结构；
19.所述下立柱的上端管腔内设置有下挡板，所述下挡板与所述下立柱的上端端面之间形成有支撑杆下固定部；
20.所述上立柱的下端管腔内设置有上挡板，所述上挡板与所述上立柱的下端端面之间形成有支撑杆上固定部；
21.所述支撑杆的上端伸入所述支撑杆上固定部内，且于所述支撑杆上固定部内填充有上混凝土层；
22.所述支撑杆的下端伸入所述支撑杆下固定部内，且于所述支撑杆下固定部内填充有下混凝土层。
23.可选地，在上述降载支撑结构中，还包括升降装置，所述升降装置设置于所述下立柱或所述上立柱与所述支撑杆之间，以调节所述支撑柱的高度。
24.可选地，在上述降载支撑结构中，所述升降装置与所述支撑杆一一对应布置，且所述升降装置为液压升降装置。
25.可选地，在上述降载支撑结构中，所述升降装置的活塞缸设置于所述下立柱上，所述升降装置的活塞杆与所述支撑杆固定连接。
26.可选地，在上述降载支撑结构中，所述下立柱和所述上立柱均为空心管状结构；
27.所述上立柱的下端管腔内设置有上挡板，所述上挡板与所述上立柱的下端端面之间形成有支撑杆上固定部；
28.所述下立柱的上端管腔内设置有下挡板，所述下挡板与所述下立柱的上端端面之间形成有支撑杆下固定部；
29.所述支撑杆的上端伸入所述支撑杆上固定部内，且于所述支撑杆上固定部内填充有上混凝土层；
30.所述支撑杆的下端伸入所述支撑杆下固定部内，且于所述支撑杆下固定部内，并在所述升降装置的活塞缸的位置处填充有下混凝土层。
31.可选地，在上述降载支撑结构中，所述支撑杆至少于外露于所述下立柱和所述上立柱的部分包裹有碳纤维层。
32.可选地，在上述降载支撑结构中，还包括吸力筒，所述下立柱固定于所述吸力筒上。
33.可选地，在上述降载支撑结构中，还包括一端与所述吸力筒的上端面连接，另一端与所述下立柱的外周面连接的加强斜撑，所述加强斜撑为多个，且均布于所述下立柱的外周面。
34.本发明提供的降载支撑结构，通过将传统的等径的支撑结构，设计为相断开的下立柱和上立柱，并通过支撑杆连接上立柱和下立柱。在将降载支撑结构安装后，应保证支撑杆位于水平面位置处，当波浪载荷较大时，由于支撑杆的横截面面积小于下立柱和上立柱的横截面面积，使得波浪可以从支撑杆外侧或者支撑杆之间流过，可以有效降低作用在支撑柱上的波浪载荷。
35.另外，在本发明另一技术方案中还增加了抗冰锥和提升设备，抗冰锥可沿支撑柱上下滑动，在滑动至支撑杆所在位置时，能够完全覆盖支撑杆。支撑杆上下滑动的动力来自于提升装置，当该降载支撑结构遇到冰块或其他障碍物时，为了保护支撑杆，通过提升装置将抗冰锥下放，使抗冰锥的最大直径处位于水面，用于切割或阻挡冰块等障碍物，从而有效降低冰载荷或碰撞载荷，也起到了保护降载支撑结构的作用。当无冰且波浪载荷较大时，可以通过提升装置提升抗冰锥至脱离水面，从而保证波浪从支撑杆之间流过，由于支撑杆横截面面积较小，可以有效降低波浪载荷。
36.此外，在本发明另一技术方案中还增加了升降装置，以调节所述支撑柱的高度。在遇台风或飓风时，则可以下放抗冰锥，同时通过升降装置降低支撑柱的高度，可以有效降低风载荷，如风况较好，则可以通过升降装置升高支撑柱的高度，保证风机运转，提高发电量。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明实施例公开的降载支撑结构抗冰锥落下后的结构示意图；
39.图2为本发明实施例公开的降载支撑结构抗冰锥升起后的结构示意图；
40.图3为本发明实施例公开的降载支撑结构在受波浪载荷时的结构示意图；
41.图4为本发明实施例公开的支撑柱的结构示意图；
42.图5为本发明实施例公开的支撑柱升高时的结构示意图；
43.图6为本发明实施例公开的支撑柱降低时的结构示意图。
44.图1至图6中的各项附图标记的含义如下：
45.101为上立柱，1011为上挡板，1012为上混凝土层，102为下立柱，1021为下挡板，1022为下混凝土层，103为吸力筒，104为支撑杆，105为抗冰锥，106为安装平台，107为卷扬机，108为钢丝绳，109为水平面，110为泥面，111为冰块，112为波浪，113为加强斜撑，114为升降装置。
具体实施方式
46.本发明的核心在于提供一种降载支撑结构，以解决因支撑结构桩径大带来的波浪载荷大的问题。
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种降载支撑结构，包括支撑柱，支撑柱包括下立柱102、上立柱101和支撑杆104。
49.其中，支撑杆104设置于下立柱102和上立柱101之间，支撑杆104的横截面面积小于下立柱102和上立柱101的横截面面积，支撑杆104不限于圆柱形杆，还可以为其他形状的
杆，只要保证支撑杆104的横截面面积小于下立柱102和上立柱101任意一个的横截面面积即可。支撑杆104位于水平面109位置处，即在安装支撑柱时，保证水平面109位于支撑杆104的两端之间，使得水平面109与支撑杆104接触，而非与下立柱102和上立柱101接触。
50.支撑杆104可以为多个，且平行布置，也可以为由若干个支撑杆104组装成的桁架结构。在支撑杆104为多个圆柱形杆时，各个支撑杆104位于下立柱102和上立柱101之间，且间隔布置，使得下立柱102和上立柱101之间的所有支撑杆104的横截面面积之和小于下立柱102和上立柱101任意一个的横截面面积。
51.本发明提供的降载支撑结构，通过将传统的等径的支撑结构，设计为相断开的下立柱102和上立柱101，并通过支撑杆104连接下立柱102和上立柱101。在将降载支撑结构安装后，应保证支撑杆104位于水平面109的位置处，当波浪载荷较大时，由于支撑杆104的横截面面积小于下立柱102和上立柱101的横截面面积，使得波浪112可以从支撑杆104外侧或者支撑杆104之间流过，可以有效降低作用在支撑柱104上的波浪载荷。
52.为了保证能够将该降载支撑结构应用于北方海域，在本发明一具体实施例中，降载支撑结构还可包括抗冰锥105和提升设备。抗冰锥105可滑动的套设于支撑柱上，抗冰锥105沿支撑柱轴向上的尺寸大于支撑杆104的长度，使得抗冰锥105在移动至支撑杆104所在位置时，可以完全覆盖支撑杆104，以保护支撑杆104受到冰块111等障碍物的撞击。
53.提升设备设置于上立柱101上，用于驱动抗冰锥105沿支撑柱滑动。提升设备可以为卷扬机107，抗冰锥105与卷扬机107的钢丝绳108连接。为了方便安装卷扬机107，可在上立柱101的顶部设置安装平台106，将卷扬机107固定在安装平台106上。为了方便钢丝绳108与抗冰锥105连接，可于抗冰锥105上设置相应的固定挂环，钢丝绳108可与该固定挂环固定连接。为了进一步方便钢丝绳108与抗冰锥105的固定，可在钢丝绳的自由端设置挂扣，通过挂扣挂接在固定挂环，可方便快捷的实现钢丝绳108与抗冰锥105的固定。
54.提升设备还可为其他设备，如液压缸设备、丝杠机构等，只要能够实现升降动作的均可。
55.本发明实施例通过增加抗冰锥105和提升设备，抗冰锥105可沿支撑柱上下滑动，如图1所示，通过卷扬机107放松钢丝绳108，使得抗冰锥105在重力作用下向下滑动，直至将抗冰锥105滑动至支撑杆104所在位置，并能够完全覆盖支撑杆104。当该降载支撑结构遇到冰块111或其他障碍物时，为了保护支撑杆104，通过卷扬机107放松钢丝绳108将抗冰锥105下放，使抗冰锥105的最大直径处(上锥和下锥的结合处)位于水平面109，用于切割或阻挡冰块111等障碍物，从而有效降低冰载荷或碰撞载荷，也起到了保护降载支撑结构的作用。
56.如图2所示，当无冰且波浪载荷较大时，可以通过卷扬机107缠绕钢丝绳108，以提升抗冰锥105至脱离水平面109，从而保证波浪112从支撑杆104之间流过，由于支撑杆104横截面面积较小，可以有效降低波浪载荷。
57.在本发明一具体实施例中，抗冰锥105的上锥高度大于抗冰锥105的下锥高度，通常抗冰锥105由上冰锥和下冰锥组成，上冰锥和下冰锥的结合面处为最大直径处。抗冰锥105的上锥高度是指上冰锥在支撑柱轴向上的尺寸；抗冰锥105的下锥高度是指下冰锥在支撑柱轴向上的尺寸。本实施例通过将抗冰锥105的上锥高度设计为大于抗冰锥105的下锥高度，可以在保证能够切割或阻挡冰块111等障碍物的前提下，减小抗冰锥105的尺寸。通常冰块111等障碍物为漂浮物，因此在撞击抗冰锥105时，沿抗冰锥105的上冰锥向上爬升的概率
远大于沿抗冰锥105的下冰锥向下下沉的概率，基于此，可适当减小下冰锥的尺寸，即减小抗冰锥105的下锥高度，同样能够满足要求。
58.一般而言，抗冰锥105的坡度越缓，海冰越容易爬升，从而也容易形成弯曲破坏，而随着坡度的逐渐变陡，海冰将逐渐由弯曲破坏向挤压破坏过渡，本领域技术人员可根据海域情况，设计抗冰锥105的坡度，例如可将抗冰锥105的上冰锥的坡度设计为较下冰锥的坡度更缓。
59.如图4所示，在本发明一具体实施例中，下立柱102和上立柱101均为空心管状结构，下立柱102的上端管腔内设置有下挡板1021，下挡板1021与下立柱102的上端端面之间形成有支撑杆下固定部，该支撑杆下固定部为由下立柱102的管壁和下挡板1021围成的支撑杆下固定槽。
60.上立柱101的下端管腔内设置有上挡板1011，上挡板1011与上立柱101的下端端面之间形成有支撑杆上固定部，该支撑杆上固定部为由上立柱101的管壁和上挡板1011围成的支撑杆上固定槽。
61.支撑杆104的上端伸入支撑杆上固定部内，且于支撑杆上固定部内填充有上混凝土层1012。支撑杆104的上端可直接抵接在上挡板1011上，也可与上挡板1011具有一定的间距。上混凝土层1012用于将支撑杆104固定在上立柱101上。
62.支撑杆104的下端伸入支撑杆下固定部内，且于支撑杆下固定部内填充有下混凝土层1022。支撑杆104的下端可直接抵接在下挡板1021上，也可与下挡板1021具有一定的间距。下混凝土层1022用于将支撑杆104固定在下立柱102上。
63.本实施例公开的降载支撑结构的运输方式可以多样化，可以整体运输，也可以将抗冰锥105拆下来运输。如运输船不够大，还可以将上立柱101、下立柱102和支撑杆104拆下运输，待运输到机位点后，现场安装。即支撑杆104的两端分别插入支撑杆上固定部和支撑杆下固定部，然后贯入高性能混凝土封盖，以形成上混凝土层1012和下混凝土层1022实现对上立柱101、下立柱102和支撑杆104的固定。
64.如图5和图6所示，本发明实施例还可包括升降装置114，升降装置114设置于下立柱102或上立柱101与支撑杆104之间，以调节支撑柱的高度。图4和图5示出的方案为升降装置114设置于下立柱102和支撑杆104之间，当然升降装置114设置于上立柱101和支撑杆104之间。
65.本发明实施例通过增加升降装置114，以调节所述支撑柱的高度。在遇到台风或飓风时，则可以下放抗冰锥105，同时通过升降装置114降低支撑柱的高度，可以有效降低风载荷，如风况较好，则可以通过升降装置114升高支撑柱的高度，保证风机运转，提高发电量。
66.具体的，升降装置114与支撑杆104可一一对应布置，且升降装置114为液压升降装置。即每个支撑杆104对应一个升降装置114，当然也可仅设置一个升降装置114，例如可通过一支撑板实现一个升降装置114同时对所有支撑杆104进行升降动作，即将所有支撑杆104均连接在该支撑板上，通过升降装置114驱动支撑板升降动作，继而实现全部支撑杆104的升降动作。
67.升降装置114为液压升降装置时，升降装置114的活塞缸可设置于下立柱102上，升降装置114的活塞杆与支撑杆104固定连接。
68.如图5和图6所示，在本发明一具体实施例中，下立柱102和上立柱101均为空心管
状结构，上立柱101的下端管腔内设置有上挡板1011，上挡板1011与上立柱101的下端端面之间形成有支撑杆上固定部，该支撑杆上固定部为由上立柱101的管壁和上挡板1011围成的支撑杆上固定槽。
69.下立柱102的上端管腔内设置有下挡板1021，下挡板1021与下立柱102的上端端面之间形成有支撑杆下固定部，该支撑杆下固定部为由下立柱102的管壁和下挡板1021围成的支撑杆下固定槽。
70.支撑杆104的上端伸入支撑杆上固定部内，且于支撑杆上固定部内填充有上混凝土层1012。支撑杆104的上端可直接抵接在上挡板1011上，也可与上挡板1011具有一定的间距。上混凝土层1012用于将支撑杆104固定在上立柱101上。
71.支撑杆104的下端伸入支撑杆下固定部内，且于支撑杆下固定部内，并在升降装置114的活塞缸的位置处填充有下混凝土层1022。升降装置114的活塞缸可直接抵接在下挡板1021上，也可与下挡板1021具有一定的间距。下混凝土层1022用于将升降装置114的活塞缸固定在下立柱102上。下混凝土层1022需要避开升降装置114的活塞杆，以避免混凝土影响活塞杆的升降动作。
72.本发明实施例公开的降载支撑结构也可以不安装抗冰锥105，当遭遇冰块111等障碍物时，采用升降装置114将上立柱101下放，使上立柱101硬抗冰块111等障碍物，从而保护支撑杆104。即升降装置114的升降高度大于支撑杆104外露于下立柱102和上立柱101的长度，使得通过升降装置114可将支撑杆104完全隐藏在支撑杆上固定槽和支撑杆下固定槽内。需要说明的是，也可以不将支撑杆104完全隐藏在支撑杆上固定槽和支撑杆下固定槽内，只需要通过升降装置114支撑杆104和上立柱101，使得支撑杆104的外露部分在水平面之下即可避开冰块111等障碍物。
73.为了增加支撑杆104的强度和抗腐蚀效果，可至少于支撑杆104外露于下立柱102和上立柱101的部分包裹碳纤维层，也可在支撑杆104的整个轴向上，全部包裹碳纤维层。碳纤维具有重量轻、强度高、抗腐蚀性强的特点，因此在支撑杆104外部包裹碳纤维层，可提高支撑杆104的强度，而且可降低海水对支撑杆104的腐蚀。由于支撑杆104部分端部会被混凝土包裹固定，被混凝土包裹的部分，可以不用碳纤维包裹，以降低成本。
74.为了方便支撑柱安装在海底，本实施例中，降载支撑结构还可包括吸力筒103，下立柱102固定于吸力筒103上，通常可通过焊接的方式将下立柱102焊接于吸力筒103上，将吸力筒103安装于海底的泥面110之下，仅保留顶部露出，下立柱102焊接于吸力筒103的上端面上。
75.本实施例公开的降载支撑结构的运输方式可以多样化，可以整体运输，也可以将抗冰锥105拆下来运输。如运输船不够大，还可以将吸力筒103和下立柱102整体运输，待运输到机位点后，现场安装。即支撑杆104的两端分别插入支撑杆上固定部和支撑杆下固定部，然后贯入高性能混凝土封盖，以形成上混凝土层1012和下混凝土层1022实现对上立柱101、下立柱102和支撑杆104的固定。
76.需要说明的是，除了通过吸力筒103安装支撑柱之外，还可通过重力式基础安装，重力式基础靠基础自重抵抗风电机组荷载和各种环境荷载作用，一般采用预制钢筋混凝土沉箱结构，内部填充砂、碎石、矿渣或混凝土压舱材料。也可直接将下立柱102的下端相应长度的部分打入泥面110之下进行固定。
77.如图3所示，为了保证支撑柱和吸力筒103之间固定的稳定性，本实施例中，降载支撑结构还可包括一端与吸力筒103的上端面连接，另一端与下立柱102的外周面连接的加强斜撑113，加强斜撑113为多个，且均布于下立柱102的外周面，例如加强斜撑113的数量例如可以为4个、8个等，本实施例对加强斜撑113的具体数量不做限定。加强斜撑113与支撑柱周向上的夹角，可根据实际场景进行调整，需要说明的是，加强斜撑113与支撑柱和吸力筒103上端面的夹角均在0
°‑
90
°
之间。加强斜撑113与支撑柱的夹角越大，与吸力筒103上端面的夹角越小，则支撑效果越好，但是会占用更大的吸力筒103上端面的面积，本领域技术人员需要在加强斜撑113在占地面积和支撑效果之间寻找平衡，例如可以选择加强斜撑113与支撑柱和吸力筒103上端面的夹角均在45
°
左右。
78.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
79.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
80.以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
81.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。