一種混凝土支撐結構的三個筒型基礎組合式基礎結構體系的製作方法

2023-09-17 08:05:10

本發明涉及一種港口、海洋、水利和橋梁工程的基礎結構領域，具體的說，是涉及一種多筒組合以優化筒型基礎受力的基礎結構。

背景技術：

目前，在海洋工程領域如海上風力發電工程中，基礎結構通常有樁基礎、重力式基礎、導管架式基礎、負壓基礎和浮式平臺等形式，這些基礎結構通常需要大型機具進行運輸和安裝，造成施工費用較高，施工周期較長。相比傳統基礎結構而言，筒型基礎由於其造價低廉、施工便捷、使用安全可靠、可回收復用等特點被廣泛應用於海洋工程中。

但是，海上風力發電基礎結構所處環境十分複雜，所受荷載除了上部結構傳遞下來的風機塔架等結構重量的豎向力外，還有風荷載傳遞到基礎結構的水平力和彎矩，以及波浪、海流、海冰荷載等。大彎矩荷載一般導致需要筒型基礎直徑較大，而大直徑單筒基礎的施工限制條件較多，如其運輸和安裝過程需要大型機具等。

因此，如何設計合理的基礎形式和傳力體系，將上部荷載安全有效地傳遞到筒型基礎，並最大可能的發揮筒型基礎的承載力，克服大直徑單筒基礎的施工限制是筒型基礎設計中的一個關鍵環節。

技術實現要素：

本發明要解決的是現有技術中存在的上述問題，提供一種混凝土支撐結構的三個筒型基礎組合式基礎結構體系，通過斜向薄片式變截面混凝土結構和混凝土圓柱結構形成類似異形柱的混凝土支撐結構，有效地將上部結構傳遞下來的較大彎矩，在筒型基礎處近似轉化為拉力和壓力，以發揮筒型基礎最大的承載力，節省材料，並且在施工中可實現「浮運-下沉-調平」成套技術，施工周期短，降低海上風電場建設成本。

為了解決上述技術問題，本發明通過以下的技術方案予以實現：

一種混凝土支撐結構的三個筒型基礎組合式基礎結構體系，包括三個筒型基礎，三個所述筒型基礎的中心點連線構成一個三角形，每個所述筒型基礎頂部連接有一個混凝土壓載艙結構，所述混凝土壓載艙結構的中心軸與其連接的所述筒型基礎的中心軸共線；每兩個所述混凝土壓載艙結構之間連接有一個豎向混凝土連接件，所述豎向混凝土連接件與所連接的兩個所述混凝土壓載艙結構的中心軸共面；三個所述豎向混凝土連接件之間設置有混凝土連接底板，所述混凝土連接底板位於所述筒型基礎與所述混凝土壓載艙結構所連接的水平面上；所述混凝土連接底板上部設置有混凝土柱，所述混凝土柱位於三個所述筒型基礎所構成三角形的內心處；所述混凝土柱頂部設置有混凝土連接頂板，所述混凝土連接頂板用於連接上部結構；所述混凝土柱與每個所述混凝土壓載艙結構之間分別由1-4個斜向薄片式變截面混凝土結構連接，所述斜向薄片式變截面混凝土結構的高度與所述混凝土柱的高度一致，其截面長度由所述混凝土連接頂板至所述混凝土壓載艙結構邊緣呈連續變化。

其中，所述筒型基礎內部設置有多個艙室。

其中，所述筒型基礎為鋼製圓筒形，外徑為10～20m，高度為4～6m。

其中，每兩個所述筒型基礎之間的淨距離為1～3倍的所述筒型基礎外徑。

其中，所述混凝土壓載艙結構為開口向上的圓筒形，其外徑為10～20m，高度為4～6m。

其中，所述筒型基礎周邊設置向上延伸的鋼質肋板並插入所述混凝土壓載艙結構，以實現所述混凝土壓載艙結構與所述筒型基礎的連接。

其中，所述豎向混凝土連接件的高度與所述混凝土壓載艙結構的高度一致且範圍為4～6m，厚度為0.5m～1.5m；所述豎向混凝土連接件的上下兩邊分別與所述混凝土壓載艙結構的上下表面齊平。

其中，所述混凝土連接底板和所述混凝土連接頂板的厚度均為0.5m～2m。

其中，所述混凝土柱的高度為10～20m。

其中，所述斜向薄片式變截面混凝土結構的厚度為0.5m～2m。

本發明的有益效果是：

本發明的組合式基礎結構體系在三個筒型基礎之間採用混凝土支撐結構過渡，並將三個筒型基礎連成整體，有利於增加基礎結構體系抗傾覆力矩，提高運輸過程中的穩定性；混凝土支撐結構可採用現澆工藝，為整體式結構，共同傳遞上部荷載，增加結構整體剛度。

本發明的組合式基礎結構體系通過斜向薄片式變截面混凝土結構和混凝土圓柱結構形成類似異形柱的結構受力體系，有效地將上部結構傳遞下來的較大彎矩，在筒型基礎處近似轉化為拉力和壓力，以發揮筒型基礎最大的承載力和群體效應，結構形式簡單，受力體系清晰，節省材料，降低造價。斜向薄片式變截面混凝土結構既節省材料，又能使上部傳遞下來的荷載更加均勻地擴散到筒型基礎，有效避免應力集中。

本發明的組合式基礎結構體系與單筒筒型基礎相比直徑較小，在施工中可實現「浮運-下沉-調平」成套技術，基礎結構與塔筒及風機在海上整體安裝，在施工過程中能夠減少大型機具的使用，所需設備簡單，海上安裝時間僅需數小時，相對於傳統基礎結構建設周期短、效率高、安全環保，可使海上風電的建設速度大大提高，建造周期顯著縮短，極大地降低海上風電場的建設成本，使海上風電更加具備標準化、模塊化開發的條件。

附圖說明

圖1是本發明所提供的基礎結構體系的主視圖；

圖2是本發明所提供的基礎結構體系的俯視圖。

圖中：1、筒型基礎；2、混凝土壓載艙結構；3、豎向混凝土連接件；4、混凝土柱；5、斜向薄片式變截面混凝土結構；6、混凝土連接頂板；7、混凝土連接底板。

具體實施方式

為能進一步了解本發明的發明內容、特點及效果，茲例舉以下實施例，並配合附圖詳細說明如下：

如圖1和圖2所示，本實施例公開了一種混凝土支撐結構的三個筒型基礎組合式基礎結構體系，包括三個相同的筒型基礎1、三個相同的混凝土壓載艙結構2、三個相同的豎向混凝土連接件3、一個混凝土圓柱4、三個相同的斜向薄片式變截面混凝土結構5、一個混凝土連接頂板6和一個混凝土連接底板7。

筒型基礎1是頂部封閉、底部敞口的圓筒狀鋼結構基礎，外徑為15m，壁厚25mm，頂蓋厚50mm，筒高5m，其內部通過設置分艙板分成多個艙室。筒型基礎1的直徑通常為10～20m，高度通常為4～6m；材質可以是鋼筋混凝土、鋼、鋼-鋼筋混凝土複合材料；內部可進行分艙處理，也可以不進行分艙處理。分艙板可以組成蜂窩狀，包括中心的一個正六邊形分艙和均勻設置於其周圍的六個相同的邊分艙，所有的鋼製分艙板長度相等，均為鋼製圓形筒型基礎1結構直徑的0.25倍。

三個筒型基礎1在水平面上按照其中心點連線能夠構成一個正三角形進行排布，每兩個筒型基礎1中心點之間的距離為25m。三個筒型基礎1的布置要求為在水平面上呈三角形分布，即三個筒型基礎1的中心分別位於該三角形的三個頂點上。每兩個筒型基礎1之間的淨距離為1～3倍的筒型基礎1外徑，這樣能夠在充分發揮混凝土支撐結構優化筒型基礎1承載能力的同時，利用三個筒型基礎1的群體效應來提高整體基礎結構體系的承載能力。

混凝土壓載艙結構2是頂部敞口、底部封閉的一種倒置圓筒狀混凝土結構，其外徑為15m，壁厚35mm，底部厚50mm，高5m。混凝土壓載艙結構2的外徑範圍是10～20m，高度範圍是4～6m。混凝土壓載艙結構2的中心軸與其所對應連接的筒型基礎1的中心軸共線，且混凝土壓載艙結構2的直徑與筒型基礎1的直徑相等。混凝土壓載艙結構2結構內部也可設置分艙板，或者在艙壁內側增加梯形肋板，以增加混凝土壓載艙結構2的剛度。通過筒型基礎1周邊設置延伸出的環形鋼質肋板並插入混凝土壓載艙結構2來解決混凝土壓載艙結構2與筒型基礎1之間的連接問題，這種連接方式可以有效避免以往連接節點的應力集中現象，提高結構的整體剛度。

豎向混凝土連接件3呈豎向設置的長方體薄片結構，高度通常與混凝土壓載艙結構2的高度一致且範圍在4～6m，厚度為0.5m～1.5m，具體尺寸可以根據實際工程進行調整。每兩個混凝土壓載艙結構2之間連接有一個豎向混凝土連接件3，該豎向混凝土連接件3與所連接的兩個混凝土壓載艙結構2的中心軸在同一平面上，且豎向混凝土連接件3的上下兩邊分別與混凝土壓載艙結構2的上下表面齊平。混凝土連接底板7為板式混凝土結構，設置在三個豎向混凝土連接件3之間，位於三個筒型基礎1與三個混凝土壓載艙結構2所連接的水平面上，即混凝土連接底板7圍在三個豎向混凝土連接件之間並位於其底端平面。混凝土連接底板7的厚度一般為0.5m～2m，具體尺寸可以根據實際工程進行調整。豎向混凝土連接件3、混凝土連接底板7內部可配置鋼筋。混凝土壓載艙結構2、豎向混凝土連接件3和混凝土連接底板7的設置進一步提高了三個筒型基礎1的整體性，有利於提高實際施工質量，使三個筒型基礎之間相互作用產生群體效應，利用三個筒型基礎之間的群體效應可避免三個筒型基礎1間內力差異過大，從而減小了基礎結構體系整體的不均勻沉降。

混凝土柱4為圓柱形混凝土結構，外徑為5m，高度為20m，內部可配置鋼筋。混凝土柱4設置在三個筒型基礎1所構成三角形的內心位置處，其底部連接於混凝土連接底板7上表面，其外徑範圍為4～6m，高度範圍為10～20m。每個混凝土壓載艙結構2與混凝土柱4之間分別由一個斜向薄片式變截面混凝土結構5連接，且斜向薄片式變截面混凝土結構5與所連接的混凝土壓載艙結構2的中心軸和混凝土柱4的中心軸在同一平面上。每兩個相鄰斜向薄片式變截面混凝土結構5之間的夾角為120度，其內部可配置鋼筋。斜向薄片式變截面混凝土結構5底部連接至混凝土連接底板7，其高度與混凝土柱4高度一致，高度為20m，厚度為0.5m～2m；斜向薄片式變截面混凝土結構5上部截面長度為2.5m，其截面長度由混凝土連接頂板6至混凝土壓載艙結構2邊緣(靠內側)呈連續變化。混凝土柱4和三個斜向薄片式變截面混凝土結構5組合形成類似於異形柱的結構受力體系，可以有效地抵抗上部傳遞下來的較大彎矩，在筒型基礎1處近似轉化為拉力和壓力，以發揮筒型基礎最大的承載力和群體效應，這種結構形式節省材料，降低造價，具有很好的經濟性。

混凝土連接頂板6為圓形混凝土板式結構，其直徑為10m，厚度為0.5m，內部可配置鋼筋。混凝土連接頂板6的直徑為8～15m，厚度為0.5m～2m。混凝土連接頂板6設置在混凝土柱4和三個斜向薄片式變截面混凝土結構5頂端，用於通過法蘭盤等連接結構與上部結構如海上風機塔筒、海洋平臺等結構連接，並將上部結構傳遞下來的荷載和彎矩向下傳遞到混凝土支撐結構上，進而傳遞到三個筒型基礎1上。

本發明的基礎結構體系可以在陸地上整體拼裝後再與上部風機進行拼裝，通過海上漂浮拖航將其整體拖到施工位置，藉助自重及負壓實現貫入安裝。使用中或使用完畢後還可藉助與貫入時反向的氣壓將所述基礎頂升進行回收利用。

儘管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬於本發明的保護範圍之內。