一种海上钢管混凝土高桩承台风机基础及其施工方法与流程

1.本发明涉及海上风电的技术领域，尤其是指一种海上钢管混凝土高桩承台风机基础及其施工方法。

背景技术：

2.在双碳减排政策刺激下，海上风电发展迅猛，以往的海上风电开发主要集中在近海海域，水深较浅，其海上风机的基础形式主要有单桩基础、导管架基础、高桩承台基础和重力式基础等固定式基础，漂浮式风机基础作为一种适用于深远海海域的风机基础，正成为市场研究热点，部分海上风电场已经开始积极布局应用漂浮式风机。在风电上网电价的平价时代，海上风机基础的降本需求越发强烈，漂浮式风机基础作为开发稍远海域风电场的可行性选项，由于高额的基础费用，使得漂浮式风机基础的应用成本过高，大规模商业化应用仍有难度。
3.现在海上风机的高桩承台基础是一种钢筋笼、预埋环与混凝土现场浇筑而成，支撑承台的钢管桩一般由6到8根单桩斜插入海底，所以高桩承台基础的海上施工流程较多，且作业工期较长，基础的综合造价也较高，这些都制约着高桩承台的大规模商业化应用。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海上钢管混凝土高桩承台风机基础及其施工方法，能够有效解决现有的高桩承台基础结构重量大，海上施工工期长，安装流程多且繁琐，制造与安装成本高等问题。
5.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种海上钢管混凝土高桩承台风机基础，包括预制承台和多个预制支撑桩腿，多个预制支撑桩腿沿周向均布于预制承台的下方，并分别与预制承台底部的多个预埋钢管一一对应连接，且每个预制支撑桩腿由上至下向外倾斜设置，所述预制支撑桩腿包括由上至下依次连接的钢管连接段、钢管混凝土桩和钢管桩，所述钢管连接段与预埋钢管连接并采用高强灌浆料加强连接。
6.进一步，所述预制承台包括中心钢管、预埋钢管、垂直连接板、水平连接板以及环形钢筋笼，所述预埋钢管有多个，沿周向均布于中心钢管的周围，每个预埋钢管由上至下向外倾斜设置，且其倾斜角度与预制支撑桩腿的倾斜角度相同，每个预埋钢管和中心钢管之间连接有垂直连接板，两个相邻的预埋钢管之间由上至下连接有多个水平连接板，每个水平连接板与中心钢管连接，所述环形钢筋笼套设在多个预埋钢管的外侧，通过浇筑混凝土将中心钢管、预埋钢管、垂直连接板、水平连接板以及环形钢筋笼连接为整体。
7.进一步，所述中心钢管和预埋钢管上分别加工有便于水平连接板连接的定位孔。
8.进一步，所述垂直连接板和水平连接板上分别加工有多个减重孔，用于减少钢材用料，且方便连接与浇筑成型。
9.进一步，所述钢管混凝土桩包括外壳管桩、内壳管桩和桩钢筋笼，所述内壳管桩内置于外壳管桩的内部，且所述内壳管桩的外周面设有抗剪键，所述外壳管桩的内周面设有
抗剪键，所述桩钢筋笼内置于外壳管桩和内壳管桩之间的空腔区域，通过浇筑混凝土将外壳管桩、内壳管桩和桩钢筋笼连接为整体。
10.进一步，所述预制支撑桩腿的倾斜角度为2
°
～4
°
。
11.一种海上钢管混凝土高桩承台风机基础的施工方法，包括以下步骤：
12.1)确定沉桩机位点，对定位桩进行沉桩施工，达到设计深度后安装定位架并进行调平定位；
13.2)将预先在陆地制作好的预制支撑桩腿整体拖运至沉桩机位点，通过起重机将预制支撑桩腿吊起并穿过定位架的桩套筒，将预制支撑桩腿缓慢下沉至泥面，通过打桩设备将预制支撑桩腿沉桩至设计深度；
14.3)拆除定位架，此时仍保留定位桩；
15.4)将预先在陆地制作好的预制承台整体托运至风场机位，其中，在陆地浇筑预制承台时，在预制承台的中心钢管的中心处预留有贯穿的装配定位孔，通过起重机将预制承台的装配定位孔穿过定位桩，进而将预制承台调运至预制支撑桩腿上方指定高程位置，将预制承台的预埋钢管与对应的预制支撑桩腿对接，并对环向焊缝进行焊接；
16.5)在预制支撑桩腿上安装辅助灌浆设备，采用自动泵送将高强灌浆料通过灌浆管灌入辅助灌浆设备，接着再通过辅助灌浆设备灌入步骤4)中预埋钢管与预制支撑桩腿对接位置处，待高强灌浆料强度满足要求后回收辅助灌浆设备，完成预埋钢管与预制支撑桩腿的连接；
17.6)拔出定位桩；
18.7)将装配定位孔采用混凝土浇筑封堵，完成钢管混凝土高桩承台风机基础的整体施工作业。
19.进一步，在步骤2)中，在预制支撑桩腿拖运至沉桩机位点前对预制支撑桩腿进行预处理，在预制支撑桩腿的钢管连接段的外周面加工多个用于灌注高强灌浆料的圆孔，在钢管连接段内部，且位于圆孔下方预设的位置焊接用于封堵高强灌浆料的封隔板，并采用肘板加强。
20.进一步，在步骤7)中，在装配定位孔的底部焊接封板，在装配定位孔内放置钢筋笼，接着贯入混凝土进行浇筑封堵，从而完成钢管混凝土高桩承台风机基础的整体施工作业。
21.本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
22.1、本发明采用预制化、模块化技术应用，通过将高桩承台风机基础分隔成多个典型模块进行模块化预制与安装，有利于提高高桩承台风机基础制造、运输、安装的效率，进而降低成本，提升高桩承台风机基础的商业应用价值。
23.2、本发明的预制支撑桩腿采用钢管混凝土组合桩，利用了钢管与混凝土两者的优势作用，降低钢管的使用量，钢管的直径与厚度均得到优化降低，同时提高了桩基础的承载力与桩强度。
24.3、本发明的预制承台采用模块化预制，既提高了海上施工作业效率，降低了施工成本，且其内部通过内置的环形钢筋笼以及通过多个水平连接板组成的环向预埋环，大大增强了预制承台的结构强度。
附图说明
25.图1为本发明的钢管混凝土高桩承台风机基础的整体结构示意图。
26.图2为本发明的钢管混凝土高桩承台风机基础的剖面图。
27.图3为本发明的预制承台除环形钢筋笼外的结构示意图。
28.图4为本发明的环形钢筋笼的结构示意图。
29.图5为本发明的钢管混凝土桩的结构示意图。
30.图6为本发明的高强灌浆料连接段的内部结构示意图。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的使用方式不限于此。
32.如图1至图5所示，本实施例提供一种海上钢管混凝土高桩承台风机基础，包括预制承台1和多个预制支撑桩腿2，预制承台1顶部连接中心塔筒，多个预制支撑桩腿2沿周向均布于预制承台1的下方，并分别与预制承台1底部的多个预埋钢管102一一对应连接，且每个预制支撑桩腿2由上至下向外倾斜设置，风机载荷通过预制承台1传至预制支撑桩腿2；所述预制支撑桩腿2包括由上至下依次连接的钢管连接段201、钢管混凝土桩202和钢管桩203，所述钢管连接段201、钢管混凝土桩202和钢管桩203的外径相同，所述钢管连接段201与对应的预埋钢管102焊接并采用高强灌浆料加强连接，从而形成高强灌浆料连接段204，钢管连接段201和钢管混凝土桩202焊接后并局部加强处理，钢管混凝土桩202和钢管桩203焊接后并局部加强处理。
33.预制承台1包括中心钢管101、预埋钢管102、垂直连接板103、水平连接板104以及环形钢筋笼105，所述预埋钢管102有多个，本实施例以6个为例，沿周向均布于中心钢管101的周围，每个预埋钢管102由上至下向外倾斜设置，且其倾斜角度与预制支撑桩腿2的倾斜角度相同，每个预埋钢管102和中心钢管101之间连接有垂直连接板103，两个相邻的预埋钢管102之间由上至下连接有多个水平连接板104，本实施例以四个为例，由多个水平连接板104形成四层环向预埋环结构，每个水平连接板104与中心钢管101连接，所述环形钢筋笼105套设在多个预埋钢管102的外侧，通过浇筑混凝土将中心钢管101、预埋钢管102、垂直连接板103、水平连接板104以及环形钢筋笼105连接为整体。
34.中心钢管101和预埋钢管102上分别加工有便于水平连接板104连接的定位孔(图中未示出)。
35.垂直连接板103和水平连接板104上分别加工有多个减重孔1041，一方面有利于减轻重量，另一方面也便于焊接操作与混凝土浇筑成型。
36.钢管混凝土桩202包括外壳管桩2021、内壳管桩2022和桩钢筋笼2023，所述内壳管桩2022内置于外壳管桩2021的内部，且所述内壳管桩2022的外周面以及外壳管桩2021的内周面均设有抗剪键2024，所述桩钢筋笼2023内置于外壳管桩2021和内壳管桩2022之间的空腔区域，通过浇筑混凝土将外壳管桩2021、内壳管桩2022和桩钢筋笼2023连接为整体。
37.预制支撑桩腿2的倾斜角度为2
°
～4
°
，优选3
°
，便于预制承台1与预制支撑桩腿2的顺利对接与安装。
38.本实施例还提供一种海上钢管混凝土高桩承台风机基础的施工方法，包括以下步骤：
39.1)将起重船、运输船航至风场机位，确定沉桩机位点，对定位桩进行沉桩施工，达到设计深度后安装定位架并进行调平定位；
40.2)将预先在陆地制作好的预制支撑桩腿整体拖运至沉桩机位点，在预制支撑桩腿2拖运至沉桩机位点前对预制支撑桩腿进行一定的预处理，如图6所示，即在预制支撑桩腿的钢管连接段的外周面加工4～6个用于灌注高强灌浆料的圆孔2011，在钢管连接段201内部，且位于圆孔2011下方预设的位置焊接用于封堵高强灌浆料的封隔板2013，并采用肘板加强2012；将预制支撑桩腿整体拖运至沉桩机位点后，通过起重机将预制支撑桩腿吊起并穿过定位架的桩套筒，将预制支撑桩腿缓慢下沉至泥面，将打桩设备安置于预制支撑桩腿顶部，通过打桩设备将预制支撑桩腿沉桩至设计深度，按照上述操作，依次将其余预制支撑桩腿贯入设计深度；
41.3)将定位架拆除回放至运输船上，此时仍保留定位桩；
42.4)在预制支撑桩腿顶部安装自动化焊接设备与辅助限位器；将预先在陆地制作好的预制承台整体托运至风场机位，其中，在陆地浇筑预制承台时，如图1所示，在预制承台的中心钢管的中心处预留有贯穿的装配定位孔3，通过起重机将预制承台的装配定位孔穿过定位桩，进而将预制承台调运至预制支撑桩腿上方指定高程位置，采用辅助限位器将预制承台的预埋钢管与对应的预制支撑桩腿对接，通过自动化焊接设备对环向焊缝2014位置进行焊接，完成后拆除自动化焊接设备与辅助限位器，并回收至运输船；
43.5)在预制支撑桩腿上安装辅助灌浆设备，辅助灌浆设备顶端连着灌浆管，采用自动泵送将高强灌浆料通过灌浆管灌入辅助灌浆设备，接着再通过辅助灌浆设备灌入步骤4)中预埋钢管与预制支撑桩腿的对接位置处，待高强灌浆料充满且强度满足要求后回收辅助灌浆设备，以此加强焊接过渡段的连接强度，此时完成预埋钢管与预制支撑桩腿的连接；
44.6)通过拔桩器将定位桩拔出，回收至运输船；
45.7)在预制承台中间的装配定位孔底部焊接封板，在装配定位孔内放置钢筋笼，然后贯入混凝土进行装配定位孔封堵，最终完成钢管混凝土高桩承台风机基础的整体施工作业。
46.本发明具有陆上模块预制、便于建造、结构重量较轻、安装方便快速、建造与施工成本低等优点；预制承台内置由多个水平连接板组成的环向预埋环结构，降低了整个预制承台的制造成本与安装成本，且预制支撑桩腿采用钢管桩与混凝土组合的结构形式，降低了桩的直径尺寸，节约了钢材用料，通过剪力键将钢管与混凝土进行浇筑连接组合，这样既发挥了钢管对混凝土的套笼作用，也利用了混凝土对钢管的支撑作用，使得桩结构强度得到提升，基础的整体重量得到降低，节约建造成本，加快施工周期。
47.以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种海上钢管混凝土高桩承台风机基础，其特征在于：包括预制承台和多个预制支撑桩腿，多个预制支撑桩腿沿周向均布于预制承台的下方，并分别与预制承台底部的多个预埋钢管一一对应连接，且每个预制支撑桩腿由上至下向外倾斜设置，所述预制支撑桩腿包括由上至下依次连接的钢管连接段、钢管混凝土桩和钢管桩，所述钢管连接段与预埋钢管连接并采用高强灌浆料加强连接。2.根据权利要求1所述的海上钢管混凝土高桩承台风机基础，其特征在于：所述预制承台包括中心钢管、预埋钢管、垂直连接板、水平连接板以及环形钢筋笼，所述预埋钢管有多个，沿周向均布于中心钢管的周围，每个预埋钢管由上至下向外倾斜设置，且其倾斜角度与预制支撑桩腿的倾斜角度相同，每个预埋钢管和中心钢管之间连接有垂直连接板，两个相邻的预埋钢管之间由上至下连接有多个水平连接板，每个水平连接板与中心钢管连接，所述环形钢筋笼套设在多个预埋钢管的外侧，通过浇筑混凝土将中心钢管、预埋钢管、垂直连接板、水平连接板以及环形钢筋笼连接为整体。3.根据权利要求2所述的海上钢管混凝土高桩承台风机基础，其特征在于：所述中心钢管和预埋钢管上分别加工有便于水平连接板连接的定位孔。4.根据权利要求2所述的海上钢管混凝土高桩承台风机基础，其特征在于：所述垂直连接板和水平连接板上分别加工有多个减重孔，用于减少钢材用料，且方便连接与浇筑成型。5.根据权利要求1所述的海上钢管混凝土高桩承台风机基础，其特征在于：所述钢管混凝土桩包括外壳管桩、内壳管桩和桩钢筋笼，所述内壳管桩内置于外壳管桩的内部，且所述内壳管桩的外周面设有抗剪键，所述外壳管桩的内周面设有抗剪键，所述桩钢筋笼内置于外壳管桩和内壳管桩之间的空腔区域，通过浇筑混凝土将外壳管桩、内壳管桩和桩钢筋笼连接为整体。6.根据权利要求1所述的海上钢管混凝土高桩承台风机基础，其特征在于：所述预制支撑桩腿的倾斜角度为2
°
～4
°
。7.根据权利要求1～6任一项所述的海上钢管混凝土高桩承台风机基础的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定沉桩机位点，对定位桩进行沉桩施工，达到设计深度后安装定位架并进行调平定位；2)将预先在陆地制作好的预制支撑桩腿整体拖运至沉桩机位点，通过起重机将预制支撑桩腿吊起并穿过定位架的桩套筒，将预制支撑桩腿缓慢下沉至泥面，通过打桩设备将预制支撑桩腿沉桩至设计深度；3)拆除定位架，此时仍保留定位桩；4)将预先在陆地制作好的预制承台整体托运至风场机位，其中，在陆地浇筑预制承台时，在预制承台的中心钢管的中心处预留有贯穿的装配定位孔，通过起重机将预制承台的装配定位孔穿过定位桩，进而将预制承台调运至预制支撑桩腿上方指定高程位置，将预制承台的预埋钢管与对应的预制支撑桩腿对接，并对环向焊缝进行焊接；5)在预制支撑桩腿上安装辅助灌浆设备，采用自动泵送将高强灌浆料通过灌浆管灌入辅助灌浆设备，接着再通过辅助灌浆设备灌入步骤4)中预埋钢管与预制支撑桩腿对接位置处，待高强灌浆料强度满足要求后回收辅助灌浆设备，完成预埋钢管与预制支撑桩腿的连接；
6)拔出定位桩；7)将装配定位孔采用混凝土浇筑封堵，完成钢管混凝土高桩承台风机基础的整体施工作业。8.根据权利要求7所述的海上钢管混凝土高桩承台风机基础的施工方法，其特征在于，在步骤2)中，在预制支撑桩腿拖运至沉桩机位点前对预制支撑桩腿进行预处理，在预制支撑桩腿的钢管连接段的外周面加工多个用于灌注高强灌浆料的圆孔，在钢管连接段内部，且位于圆孔下方预设的位置焊接用于封堵高强灌浆料的封隔板，并采用肘板加强。9.根据权利要求7所述的海上钢管混凝土高桩承台风机基础的施工方法，其特征在于，在步骤7)中，在装配定位孔的底部焊接封板，在装配定位孔内放置钢筋笼，接着贯入混凝土进行浇筑封堵，从而完成钢管混凝土高桩承台风机基础的整体施工作业。

技术总结

本发明公开了一种海上钢管混凝土高桩承台风机基础及其施工方法，包括预制承台和多个预制支撑桩腿，多个预制支撑桩腿沿周向均布于预制承台的下方，并分别与预制承台底部的多个预埋钢管一一对应连接，且每个预制支撑桩腿由上至下向外倾斜设置，所述预制支撑桩腿包括由上至下依次连接的钢管连接段、钢管混凝土桩和钢管桩，所述钢管连接段与预埋钢管连接并采用高强灌浆料加强连接。本发明能够有效解决现有的高桩承台基础结构重量大，海上施工工期长，安装流程多且繁琐，制造与安装成本高等问题。制造与安装成本高等问题。制造与安装成本高等问题。