一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112177031 A(43)申请公布日 2021.01.05

(21)申请号 202011026802.1(22)申请日 2020.09.25

(71)申请人 上海交通大学

地址 200240 上海市闵行区东川路800号(72)发明人 张璐璐　杨昊庆　魏鑫　

(74)专利代理机构 上海恒慧知识产权代理事务

所(特殊普通合伙) 31317

代理人 徐红银　赵楠(51)Int.Cl.

E02D 27/42(2006.01)E02D 27/52(2006.01)E02D 31/06(2006.01)

权利要求书1页 说明书5页 附图2页

CN 112177031 A(54)发明名称

一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础(57)摘要

本发明提供一种带放射肋板及防冲刷罩的

包括：管桩为空心圆柱体，海上风电机单桩基础，

管桩的外侧壁设有多个肋板，多个肋板沿管桩的外侧壁向外呈放射状分布；圆筒部件，套于肋板的外侧，圆筒部件与管桩之间通过肋板连接，圆筒部件的内壁与肋板的上边连接，增强单桩基础整体性；用于避免波浪对海床冲刷的锥状罩体，锥状罩体套设于管桩上，且位于圆筒部件的上方，锥状罩体的大端与圆筒部件相接触，且锥状罩体的大端的外径与圆筒部件的外径相匹配，锥状罩体的小端的内径与管桩的外径相匹配。本发明提高了单桩基础承载力和抗滑抗倾覆稳定性，同时通过设置锥状罩体能避免冲刷，增加桩基的增加稳定性和抗冲刷能力。

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权　利　要　求　书

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1.一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，其特征在于，包括：管桩，所述管桩为钢质空心圆柱体，所述钢质空心圆柱体的外侧壁设有多个肋板，多个所述肋板沿所述钢质空心圆柱体的外侧壁向外呈放射状分布；

圆筒部件，套于所述肋板的外侧，所述圆筒部件与所述管桩之间通过所述肋板连接，其中，所述圆筒部件的内壁与所述肋板的上边连接，且所述圆筒部件的长度与所述肋板的上边的长度相同；

用于分散水流冲击的锥状罩体，所述锥状罩体套设于所述管桩上，且位于所述圆筒部件的上方，所述锥状罩体的大端与所述圆筒部件相接触，且所述锥状罩体的大端的外径与所述圆筒部件的外径相匹配，所述锥状罩体的小端的内径与所述管桩的外径相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，其特征在于，所述肋板、所述锥状罩体上设有通孔，使得所述肋板与所述锥状罩体形成连通器。

3.根据权利要求2所述的一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，其特征在于，所述肋板设有至少一个第一通孔，所述第一通孔贯通所述肋板的厚度方向；

所述锥状罩体上至少设有一个第二通孔，所述第二通孔贯通所述锥状罩体的厚度方向；

通过所述第一通孔、所述第二通孔使所述肋板与所述锥状罩体形成便于桩体打入海床的连通器结构。

4.根据权利要求3所述的一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，其特征在于，所述肋板设有多个第一通孔时，多个所述第一通孔沿所述肋板的长度方向均匀分布。

5.根据权利要求3所述的一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，其特征在于，所述锥状罩体上设有多个第二通孔时，多个所述第二通孔沿所述锥状罩体的轴向均匀分布。

6.根据权利要求3所述的一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，其特征在于，所述肋板为直角梯形肋板，其中，所述直角梯形肋板的下底边与所述管桩的外侧壁连接，所述直角梯形肋板的锐角端朝向下设置，多个所述直角梯形肋板沿所述管桩的外侧壁向外呈放射状分布，多个所述直角梯形肋板的锐角端形成位于所述管桩的外侧壁的锥形部。

7.根据权利要求6所述的一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，其特征在于，所述锥状罩体、所述圆筒部件和所述管桩之间形成一空腔，所述直角梯形肋板的直角端位于该空腔内，所述直角梯形肋板的锐角端位于该空腔的下方。

8.根据权利要求7所述的一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，其特征在于，所述直角梯形肋板的锐角端，其锐角的大小根据桩体打入海床的贯入阻力的情况调整。

9.根据权利要求6所述的一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，其特征在于，多个所述直角梯形肋板围绕所述管桩的下端周向均匀设置，在所述管桩的下端形成所述锥形部。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，其特征在于，所述锥状罩体、所述圆筒部件和所述管桩之间的连接为圆滑过渡。

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说　明　书

一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础

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技术领域

[0001]本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础。

背景技术

[0002]能源是现代社会和经济发展的基础，然而随着人口数量的增长和社会经济的日益发展，对能源的消耗也同样飞速的增长，能源危机渐渐显现。开发清洁高效的可再生能源是世界各国大力发展的战略目标，风能作为一种可再生能源，是各国重点发展的新能源之一。海上风能发电作为风能利用的一种，在近些年来得到飞速的发展，其具有陆上风能发电的绝大部分优点，且具有发电量大、使用限制少、不占用陆上土地等优势。[0003]在海上风电项目的索赔事件中，单桩基础相关问题占到了35％，其中绝大多数都发生在深水海域。这一定程度上是因为开发商在建设过程中过于自信，为降低成本仍采用基本的单桩基础，而忽略了其可靠性和适用性。[0004]大直径单桩基础是海上风电基础的主流，施工方便且经济效益较好，但单桩基础一般适用水深小于25m的海域，而随着近海风电资源的逐渐开发，深水海域风电开发是大势所趋，制约单桩基础向深水海域应用的主要存在以下因素：单桩基础需具备较大的承载力和抗滑抗倾覆稳定性；施工船舶在沉桩施工时受波浪、海风等影响，难以控制单桩垂直度；桩周土体受海洋冲刷严重，会降低稳定性并促使桩倾斜发生事故。[0005]现有技术中，也有不少人对传统单桩进行了改进，比如，申请号为201910633302.5的中国发明专利，其公开了一种海上风电机组加强复合式单桩基础及施工方法，又如，申请号为201810001208.3的中国发明专利，其公开一种海上风电复合式单桩基础及其施工方法。这些专利技术均对单桩基础做了一些改进，能够带来一定的效果，但是其总体的承载力、抗滑抗倾覆的稳定性以及抗冲刷等性能还需进一步提高。发明内容

[0006]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础。

[0007]为实现上述发明目的，本发明一种带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础，包括：

[0008]管桩，所述管桩为钢质空心圆柱体，所述钢质空心圆柱体的外侧壁设有多个肋板，多个所述肋板沿所述钢质空心圆柱体的外侧壁向外呈放射状分布；[0009]圆筒部件，套于所述肋板的外侧，所述圆筒部件与所述管桩之间通过所述肋板连接，其中，所述圆筒部件的内壁与所述肋板的上边连接，且所述圆筒部件的长度与所述肋板的上边的长度相同；[0010]用于分散水流冲击的锥状罩体，所述锥状罩体套设于所述管桩上，且位于所述圆筒部件的上方，所述锥状罩体的大端与所述圆筒部件相接触，且所述锥状罩体的大端的外

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径与所述圆筒部件的外径相匹配，所述锥状罩体的小端的内径与所述管桩的外径相匹配。[0011]优选地，所述肋板、所述锥状罩体上设有通孔，使得所述肋板与所述锥状罩体形成连通器。

[0012]优选地，所述肋板设有至少一个第一通孔，所述第一通孔贯通所述肋板的厚度方向；

[0013]所述锥状罩体上至少设有一个第二通孔，所述第二通孔贯通所述锥状罩体的厚度方向；

[0014]通过所述第一通孔、所述第二通孔使所述肋板与所述锥状罩体形成便于桩体打入海床的连通器结构。[0015]优选地，所述肋板设有多个第一通孔时，多个所述第一通孔沿所述肋板的长度方向均匀分布。

[0016]优选地，所述锥状罩体上设有多个第二通孔时，多个所述第二通孔沿所述锥状罩体的轴向均匀分布。[0017]优选地，所述肋板为直角梯形肋板，其中，所述直角梯形肋板的下底边与所述管桩的外侧壁连接，所述直角梯形肋板的锐角端朝向下设置，多个所述直角梯形肋板沿所述管桩的外侧壁向外呈放射状分布，多个所述直角梯形肋板的锐角端形成位于所述管桩的外侧壁的锥形部。

[0018]优选地，所述锥状罩体、所述圆筒部件和所述管桩之间形成一空腔，所述直角梯形肋板的直角端位于该空腔内，所述直角梯形肋板的锐角端位于该空腔的下方。[0019]优选地，所述直角梯形肋板的锐角端，其锐角的大小根据桩体打入海床的贯入阻力的情况调整。[0020]优选地，多个所述直角梯形肋板围绕所述管桩的下端周向均匀设置，在所述管桩的下端形成所述锥形部。[0021]优选地，所述锥状罩体、所述圆筒部件和所述管桩之间的连接为圆滑过渡。[0022]与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：[0023]本发明上述单桩基础结构简单，适用于深水海域；通过设置锥状罩体形成防护罩体(防护罩体位于海床上方)，能分散水流冲击，避免冲刷，增加桩基的整体性，能有效避免冲刷而导致稳定性降低促使桩倾斜发生事故的情况；以及通过在管桩的四周设置呈放射状分布的肋板，改善钢桩的水平承载力，降低桩身的位移和弯矩，确保施工时单桩基础垂直度，提高了单桩基础承载力和抗滑抗倾覆稳定性，解决了施工船舶在沉桩施工时受波浪、海风等影响，难以控制单桩垂直度的问题；并且，在肋板的外壁套设圆筒部件，增加了肋板的整体性，圆筒部件作为整个单桩的裙边半露于海床外，能分散水流冲击，避免冲刷，增加稳定性和抗冲刷能力。上述结构针对海上风电机复杂的海洋环境，具有多重功效，具有施工难度低、地质条件适应力强的特点，减小了海上风机受波浪、海风等复杂海洋环境影响发生事故的可能性，在海洋风电中应用前景广阔。[0024]本发明上述单桩基础的结构，在肋板、防护罩上开设通孔，形成连通器结构，便于钢桩打入海床。

[0025]本发明上述单桩基础的结构，肋板设计为直角梯形肋板结构，并将直角梯形肋板的锐角端朝向下设置，在管桩的下端形成锥形部，增大桩土接触压强，从而减小贯入阻力。

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附图说明

[0026]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0027]图1是本发明一优选实施例的带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础的结构示意图；

[0028]图2是图1的底部透视图；

[0029]图3是本发明一优选实施例的带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础的施工状态示意图；

[0030]图中标记分别表示为：1为管桩、2为肋板、3为锥状罩体、4为圆筒部件、5为第一通孔、6为第二通孔、7为海床。具体实施方式

[0031]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0032]参照图1所示，为本发明一优选实施例的带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础的结构示意图，结合图2所示，图中包括管桩1，在管桩1上设有多个肋板2、圆筒部件4和锥状罩体3。管桩1为钢质空心圆柱体，钢质空心圆柱体的直径和壁厚可以根据实际工况选择。相应的，肋板2也可以为钢板。

[0033]多个肋板2设置于管桩1的外侧壁上，并沿管桩1的外侧壁向外呈放射状分布。作为一优选方式，将每个肋板2的底边与管桩1的外侧壁焊接，肋板2的另一端为自由端向外延伸。肋板2与管桩1垂直布置。通过在管桩1的外侧壁上设置肋板2，改善钢桩的水平承载力，能降低桩身的位移和弯矩，确保施工时单桩垂直度，提高了单桩基础承载力和抗滑抗倾覆稳定性。

[0034]圆筒部件4套于肋板2的外侧，圆筒部件4与管桩1之间通过肋板2连接，其中，圆筒部件4的内壁与肋板2的上边连接。在肋板2的外壁套设圆筒部件4，增加了肋板2的整体性，圆筒部件4作为整个单桩的裙边半露于海床外，能分散水流冲击，避免冲刷，增加稳定性和抗冲刷能力。

[0035]锥状罩体3套设于管桩上，且位于圆筒部件4的上方，锥状罩体3的大端与圆筒部件4相接触，且锥状罩体3的大端的外径与圆筒部件4的外径相匹配，锥状罩体3的小端的内径与管桩1的外径相匹配，使锥状罩体3的小端与管桩1紧密配合。锥状罩体3用于分散水流冲击，起到防护作用。锥状罩体3沿管桩1延伸的高度一般小于圆筒部件4沿管桩1延伸的高度。锥状罩体3可以由一块钢板绕管桩1的一周构成锥形结构，对海床上方用钢板包裹，进行焊封处理，形成防护罩结构。在肋板2的上方(即位于海床上方)设置锥形罩体形成防护罩体，能分散水流冲击，避免冲刷，增加桩基的整体性，解决了桩周土体受海洋冲刷严重，会降低稳定性并促使桩倾斜发生事故的问题。作为一优选方式，锥状罩体3的圆形敞口端与管桩1的外侧壁可以采用一体成型，锥状罩体3的底部与圆筒部件4上端的圆周面可以采用一体成型。锥状罩体3可以采用钢材质制成。

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上述实施例中，圆筒部件4的内壁与肋板2的上边一体成型；肋板2的底边与管桩1

的外侧壁也可以一体成型。在具体施工时，将圆筒部件4半露于海床外，并通过铺上砂石，增加砂石的稳定性。圆筒部件4可以采用钢材料制成。[0037]上述结构针对海上风电机复杂的海洋环境，具有多重功效，在海洋风电中应用前景广阔。在具体实施时肋板2可设置四个、八个也可以采用其他数量。[0038]在其他部分优选实施例中，肋板2、锥状罩体3上设有通孔，使得肋板2与锥状罩体3形成连通器，便于钢桩打入海床。在肋板2设有至少一个第一通孔5，第一通孔5贯通肋板2的厚度方向。锥状罩体3上至少设有一个第二通孔6，第二通孔6贯通锥状罩体3的厚度方向。作为一优选实施例，参照图1、图2所示，在肋板2设有多个第一通孔5时，多个第一通孔5沿肋板2的长度方向均匀分布。在锥状罩体3上设有多个第二通孔6时，多个第二通孔6沿锥状罩体3的轴向均匀分布。通过增设第一通孔5、第二通孔6的数量，增加海水的体积流量。第二通孔6与第一通孔5的孔径相同，也可以不同。在单桩基础下沉和打入海床过程中，海水可以通过上述的第一通孔5、第二通孔6形成连通，减少桩周土体的海洋冲刷，提高稳定性并促使桩倾斜发生事故。

[0039]在其他部分优选实施例中，肋板2为直角梯形肋板，其中，直角梯形肋板的下底边与管桩1的外侧壁连接，可以采用焊接，直角梯形肋板的锐角端朝向下设置，多个直角梯形肋板沿管桩1的外侧壁向外呈放射状分布，多个直角梯形肋板围绕管桩1的下端周向均匀设置，多个直角梯形肋板的锐角端形成位于管桩1的外侧壁的锥形部，在管桩1的下端形成锥形部。锥状罩体3、圆筒部件4和管桩1之间形成一空腔，直角梯形肋板的直角端位于该空腔内，直角梯形肋板的锐角端位于该空腔的下方。增大桩土接触压强，从而减小贯入阻力，在施工的过程中有利于向下打入。作为一优选方式，直角梯形肋板的锐角端，其锐角的大小根据桩体打入海床的贯入阻力的情况调整。[0040]在其他部分优选实施例中，直角梯形肋板的高度小于管桩1的高度，可以根据实际情况进行调整，比如，直角梯形肋板的高度(即下底边长度)占管桩1高度的1/4-1/2。[0041]在其他部分优选实施例中，直角梯形肋板的直角端与管桩1连接，直角梯形肋板、圆筒部件4的上端齐平；直角梯形肋板的锐角端的锐角大小根据桩体打入海床的贯入阻力的情况调整，一般来说，锐角越小，越有利于减小贯入阻力，但是锐角太小的话对稳定性有一定影响。

[0042]上述带放射肋板及防冲刷罩的海上风电机单桩基础采用以下施工步骤：[0043]在陆地上完成肋板、管桩、圆筒部件和锥状罩体的预制；在肋板和锥状罩体打上通孔，将放射肋板、管桩和圆筒部件焊接为一体式结构。[0044]起吊一体式结构，将一体式结构的下端部穿入深海区域海床7下方一定深度，具体是将其肋板2插入到海床7，参照图3所示，并使得圆筒部件半露于海床面。

[0045]接着向一体式结构圆筒部件的外围以及在圆筒部件的内部抛投填充防冲刷配重物，充满圆筒部件。

[0046]将锥状罩体绑上重物，吊起锥状罩体，穿入管桩，使得锥状罩体自由下落至底端，与圆筒部件接触，完成单桩基础的安装。

[0047]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影

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响本发明的实质。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

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说　明　书　附　图

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图3

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