專利名稱：水上風力發電塔架基礎和結構及其安裝施工方法
技術領域：
本發明涉及基礎工程技術領域，特別涉及一種水上風力發電塔架基礎和結構及其安裝施工方法。
背景技術：
水上風力發電塔的基礎主要有單樁基礎、重力基礎和導管架群樁基礎；上部結構主要采用單節塔筒、上下雙節或多節塔筒形式。風機的水上拼裝需要使塔筒底部與風機基礎之間的準確對位、塔筒之間的準確對位、塔筒頂部與機艙之間的準確對位和第三片葉片與機艙輪轂之間的準確對位。傳統的起重船僅依靠錨纜系統對船體定位固定，受海上的波浪、潮流等作用力的影響，當安裝塔架上部結構時，船體輕微的晃動會引起50米以上高度處的數米位移，施工非常困難，安全也不能保證，所以需要大型特種作業船舶和大型起重機械進行水上分體拼裝或整體安裝。現有水上風力發電塔架結構重量大，材料費用高。且由于塔架結構重量大，其制作、運輸、安裝以及風力發電設備安裝需要大型運輸船舶、大型特種作業船舶和大型起重機械，施工裝備臺班占用費用很高，不利于水上風力發電這種清潔低碳能源的推廣。
發明內容
本發明的目的在于提供一種水上風力發電塔架基礎和結構及其安裝施工方法，在保持塔架的功能，同時降低其成本，并結合現有的常規水上施工裝備提供施工船只容易擱淺的淺水或靜水區域安裝施工水上風力發電塔架。為達到上述目的，本發明的技術方案是，水上風力發電塔架基礎和結構，其包括，水上風力發電塔架的基礎，包括一根中心樁和若干圍繞中心樁并保持一定距離布置的衛星樁；中心樁樁頂略高出水面，樁底插入水下泥土中一定深度；衛星樁的樁頂略高出水面，樁底插入水下泥土中一定深度；中心樁的樁頂設置一個中心結構節點，各衛星樁的樁頂上分別設置一個衛星結構節點，中心結構節點和衛星結構節點之間，以及各衛星結構節點之間通過構件連接，構成水面上結構層；中心樁頂端的正上方設置中心柱，中心樁和中心柱通過一個連接結構節點連接； 中心柱為垂直柱，柱頂高度應滿足在其上方安裝風力發電設備的要求；中心柱頂端下方不影響風力發電機葉片運行高度設置一個第一結構節點，該第一結構節點和衛星樁樁頂的衛星結構節點之間設置斜柱或斜纜連接，形成風力發電塔架的空間對稱結構；中心柱頂端設置一個第二結構節點，在該第二結構節點上安裝風力發電設備。進一步，所述的中心樁的橫截面形式為實心樁，或為帶中心孔的管樁。又，所述的衛星樁為垂直樁，或者，是圍繞中心樁向心布置的斜樁。另外，本發明所述的中心柱的橫截面形式為帶中心孔的管柱，橫截面尺寸應滿足在其內孔穿越電纜、纜繩以及小型升降設施的要求。本發明的水上風力發電塔架基礎和結構的安裝施工方法，其包括如下步驟
1)在高水位時采用打樁船機設施在水中預定位置打入中心樁和若干衛星樁；2)利用小型施工船泊在中心樁的樁頂設置一個中心結構節點，各衛星樁的樁頂上分別設置一個衛星結構節點，中心結構節點和衛星結構節點之間通過構件連接，各衛星結構節點之間通過構件連接，構成水面上結構層；3)在中心柱頂部預先安裝一組定滑輪，并在中心柱頂端下方不影響風力發電機葉片運行高度預先安裝一個第一結構節點，在中心柱頂端上方預先安裝一個第二結構節點；4)利用打樁船的起重裝置起吊中心柱并安裝在中心樁的頂部，中心樁和中心樁通過一個連接結構節點連接；5)利用中心柱頂部的定滑輪和相應的纜繩起吊和調整第一結構節點；6)利用中心柱頂部的定滑輪和相應的纜繩起吊和安裝斜柱或斜纜，使其上端連接于第一結構節點，下端分別連接于各衛星結構節點，形成風力發電塔架的下部空間結構。進一步，在打樁船或其他起重船將要停靠的區域鋪設軟體排或其他材料，防止打樁船或其他起重船擱淺時陷入泥土中；在高水位時打樁船或其他起重船駛入并停靠在中心樁附近。又，可以利用低水位或采取重載壓倉措施使打樁船或其他起重船在停靠位置擱淺，在波浪作用影響較小時利用打樁船或其他起重船上的起重裝置將風力發電設備起吊安裝于第二結構節點上。再有，還可以利用高水位或采取卸載措施使打樁船或其他起重船擺脫擱淺狀態， 然后駛離。本發明的有益效果1)本發明所提供的水上風力發電塔架結構形式，能夠減少構件材料用量，并保持塔架的功能。2)本發明所提供的水上風力發電塔架結構形式，可以利用現有的水上打樁施工裝備和駁船進行安裝施工，不需要大型起吊船機和運輸船只。3)本發明所提供的水上風力發電塔架結構形式，可以節省材料費用，減少施工裝備臺班費用，從而達到降低成本的目的。
附圖說
圖Ia為本發明水上風力發電塔架的一實施例的結構示意圖；圖Ib為
圖1的A-A剖視圖；圖加 圖2f為本發明水上風力發電塔架實施例一的安裝施工示意圖；圖2c為圖沘的B-B剖視圖；圖3a 圖!Be為本發明水上風力發電塔架實施例一的安裝施工示意圖；
圖3f為圖北的C-C剖視圖。
具體實施例方式
參見圖la、圖lb，本發明的水上風力發電塔架基礎和結構，其包括，水上風力發電塔架的基礎，包括由1根中心樁1和若干圍繞中心樁1并保持一定距離布置的衛星樁2 ；中心樁1為垂直樁，樁頂略高出水面，樁底插入水下泥土中一定深度，既能保持其在安裝施工
5階段受風力、水流力、波浪力等荷載作用的穩定性，又能為風力發電塔架結構在運行階段提供必要的軸向和側向承載力。中心樁1的橫截面形式可以是實心樁，也可以是有中心孔的管樁。衛星樁2可以是垂直樁，也可以是圍繞中心樁1向心布置的斜樁。衛星樁2的樁頂略高出水面，樁底插入水下泥土中一定深度，既能保持其在安裝施工階段受風力、水流力、 波浪力等側向荷載作用的穩定性，又能為風力發電塔架結構在運行階段提供必要的軸向和側向承載力。衛星樁2的橫截面形式可以是實心樁，也可以是有中心孔的管樁。中心樁1的樁頂設置1個中心結構節點31，衛星樁2的樁頂上分別設置1個衛星結構節點32。中心結構節點31和衛星結構節點32之間通過構件4連接，各衛星結構節點 32之間通過構件4連接，構成水面上結構層，與中心樁1和衛星樁2共同承受施工期間風力、水流力、波浪力、施工船只靠泊力等側向荷載作用。中心樁1頂端的正上方設置中心柱5，中心樁1和中心柱5通過中心結構節點31連接。中心柱5為垂直柱，柱頂高度應滿足在其上方安裝風力發電設備的要求。中心柱5的橫截面形式為有中心孔的管柱，橫截面尺寸應滿足在其內孔穿越電纜、纜繩以及小型升降設施的要求。中心柱5頂端下方不影響風力發電機葉片運行高度設置1個第一結構節點51， 節點51和節點32之間設置斜柱6或斜纜6連接，形成風力發電塔架的空間對稱結構，承受風力發電塔架在正常工作期間的重力、風力、水流力、波浪力、靠船力、地震作用等荷載。中心柱1頂端設置1個第二結構節點52，在節點52上安裝風力發電設備。實施例1參見見圖加 圖2f，本發明水上風力發電塔架基礎和結構的一種結構的安裝和施工方法。1)采用打樁船和打樁機在水中預定位置打入1根中心樁1，中心樁1為直徑 1470mm、壁厚20mm的鋼管樁。中心樁1為總長60m的垂直樁，其中泥面下5 !長、水中:3m 長、水面上5m長；2)采用打樁船和打樁機在中心樁1周圍打入4根衛星樁2。衛星樁2都是總長60m 的斜樁，其水平方向和垂直方向的傾斜比例為1 20，樁頂均勻布置于中心高出水面5m距中心樁的軸心5m的圓周上。衛星樁2都是直徑1470mm、壁厚20mm的鋼管樁；3)利用小型施工船泊在中心樁1的樁頂設置1個中心結構節點31，在衛星樁2的樁頂上分別設置1個衛星結構節點32。然后將中心結構節點31和衛星結構節點32之間通過構件4連接，衛星結構節點32之間通過構件4連接，構成水面上結構層。其中兩個結構節點32之間無構件連接，留出空間供施工船只靠近；4)在中心柱5的頂端下OJm處預先安裝1組定滑輪7，并在中心柱5頂端下方15m 處預先安裝1個第一結構節點51，在中心柱頂端上方預先安裝1個第二結構節點52。中心柱5為直徑1420mm、壁厚20mm的鋼管柱，總長80m ；5)利用打樁船的起重裝置起吊中心柱5并插入中心樁1的頂部5m，中心柱5和中心樁1通過結構節點31連接；6)利用中心柱5頂部的定滑輪7和相應的纜繩起吊和調整第一結構節點51 ；7)利用中心柱5頂部的定滑輪7和相應的纜繩起吊和安裝4根斜柱6 ；斜柱6為直徑1420mm、壁厚20mm的鋼管柱，總長65. lm，上端連接于第一結構節點51，下端分別插入衛星樁2約5m，并通過結構節點32連接，形成風力發電塔架的下部空間結構；8)在打樁船將要停靠的區域鋪設軟體排防止打樁船擱淺時陷入泥土中。在高潮位時打樁船駛入并停靠在中心樁1附近；9)利用低潮位并采取重載壓倉措施使打樁船在停靠位置擱淺以減小波浪作用影響，然后采用打樁船上的起重裝置將風力發電設備起吊安裝于高度75m的第二結構節點52 上；10)利用高潮位并采取卸載措施使打樁船擺脫擱淺狀態，然后駛離。實施例2參見圖3a 圖3f，本發明水上風力發電塔架基礎和結構的另一結構形式的安裝和施工方法。1)采用打樁船和打樁機在水中預定位置打入1根中心樁1。中心樁1為直徑 1470mm、壁厚20mm的鋼管樁。中心樁1為總長60m的垂直樁，其中泥面下5 !長、水中:3m 長、水面上5m長。2)采用打樁船和打樁機在中心樁1周圍打入4根衛星樁2。衛星樁2都是總長60m 的斜樁，其水平方向和垂直方向的傾斜比例為1 20，樁頂均勻布置于中心高出水面5m距中心樁的軸心5m的圓周上。衛星樁2都是直徑1470mm、壁厚20mm的鋼管樁。3)利用小型施工船泊在中心樁1的樁頂設置1個中心結構節點31，在衛星樁2的樁頂上分別設置1個衛星結構節點32。然后將中心結構節點31和衛星結構節點32之間通過構件連接，結構節點32之間通過構件連接，構成水面上結構層。其中兩個結構節點32之間無構件連接，留出空間供施工船只靠近。4)在中心柱5的頂端下OJm處預先安裝1組定滑輪7，并在中心柱5頂端下方15m 處預先安裝1個第一結構節點51，在中心柱頂端上方預先安裝一個第二結構節點52。中心柱5為直徑1420mm、壁厚20mm的鋼管柱，總長80m。5)利用打樁船的起重裝置起吊中心柱5并插入中心樁1的頂部5m，中心柱5和中心樁1通過中心結構節點31連接。6)利用中心柱5頂部的定滑輪7和相應的纜繩起吊和調整第一結構節點51。7)利用中心柱5頂部的定滑輪7和相應的纜繩起吊和安裝4根斜纜6。斜纜6為面積為88mm2的鋼纜，總長60m，上端連接于第一結構節點51，下端分別與衛星結構節點32 連接，形成風力發電塔架的下部空間結構。8)打樁船駛入并停靠在中心樁1附近。9)利用內湖或江河波浪作用影響小的時候，采用打樁船上的起重裝置將風力發電設備起吊安裝于高度75m的第二結構節點52上。10)打樁船然后駛離施工區域。本發明可推廣應用于淺海或內湖江河的風力發電工程中，可以節省材料費用，減少施工裝備臺班占用費用，從而降低成本，有利用風力發電這種清潔能源的發展。由于水上風力發電塔架結構的主要構件都是大口徑鋼管，本發明可為大口徑鋼管和耐海水耐候鋼材拓展更廣泛的應用范圍和市場空間。由于水上風力發電需要輕型高效的風力發電設備，本發明可為高牌號電工鋼鋼材拓展更廣泛的應用范圍和市場空間。
權利要求
1.水上風力發電塔架基礎和結構，其特征在于包括，水上風力發電塔架的基礎，包括一根中心樁(1)和若干圍繞中心樁(1)并保持一定距離布置的衛星樁O)；中心樁(1)樁頂略高出水面，樁底插入水下泥土中一定深度；衛星樁 (2)的樁頂略高出水面，樁底插入水下泥土中一定深度；中心樁(1)的樁頂設置一個中心結構節點(31)，各衛星樁的樁頂上分別設置一個衛星結構節點(32)，中心結構節點和衛星結構節點之間，以及各衛星結構節點之間通過構件(4)連接，構成水面上結構層；中心樁頂端的正上方設置中心柱(5)，中心樁(1)和中心柱(5)通過一個連接結構節點 (31)連接；中心柱(5)為垂直柱，柱頂高度應滿足在其上方安裝風力發電設備的要求；中心柱( 頂端下方不影響風力發電機葉片運行高度設置一個第一結構節點(51)，該第一結構節點(51)和衛星樁(2)樁頂的衛星結構節點(32)之間設置斜柱(6)或斜纜(6) 連接，形成風力發電塔架的空間對稱結構；中心柱(5)頂端設置一個第二結構節點(52)，在該第二結構節點(52)上安裝風力發電設備。
2.如權利要求1所述的水上風力發電塔架基礎和結構，其特征在于所述的中心樁(1) 的橫截面形式為實心樁，或為帶中心孔的管樁。
3.如權利要求1所述的水上風力發電塔架基礎和結構，其特征在于所述的衛星樁(2) 為垂直樁，或者，是圍繞中心樁向心布置的斜樁。
4.如權利要求1所述的水上風力發電塔架基礎和結構，其特征在于所述的中心柱(5) 的橫截面形式為帶中心孔的管柱，橫截面尺寸應滿足在其內孔穿越電纜、纜繩以及小型升降設施的要求。
5.如權利要求1所述的水上風力發電塔架基礎和結構的安裝施工方法，其包括如下步驟1)在高水位時采用打樁船機設施在水中預定位置打入中心樁(1)和若干衛星樁O)；2)利用小型施工船泊在中心樁(1)的樁頂設置一個中心結構節點(31)各衛星樁的樁頂上分別設置一個衛星結構節點(32)，中心結構節點(31)和衛星結構節點(32)之間通過構件(4)連接，各衛星結構節點之間通過構件(4)連接，構成水面上結構層；3)在中心柱頂部預先安裝一組定滑輪(7)，并在中心柱頂端下方不影響風力發電機葉片運行高度預先安裝一個第一結構節點(51)，在中心柱頂端上方預先安裝一個第二結構節點(52)；4)利用打樁船的起重裝置起吊中心柱( 并安裝在中心樁的頂部，中心樁(1)和中心柱(5)通過一個連接結構節點連接；5)利用中心柱( 頂部的定滑輪(7)和相應的纜繩起吊和調整第一結構節點(51)；6)利用中心柱頂部的定滑輪和相應的纜繩起吊和安裝斜柱(6)或斜纜(6)，使其上端連接于第一結構節點(51)，下端分別連接于各衛星結構節點(32)，形成風力發電塔架的下部空間結構。
6.如權利要求5所述的水上風力發電塔架基礎和結構的安裝施工方法，其特征是，在打樁船或其他起重船將要停靠的區域鋪設軟體排或其他材料，防止打樁船或其他起重船擱淺時陷入泥土中；在高水位時打樁船或其他起重船駛入并停靠在中心樁附近。
7.如權利要求5所述的水上風力發電塔架基礎和結構的安裝施工方法，其特征是，利用低水位或采取重載壓倉措施使打樁船或其他起重船在停靠位置擱淺，在波浪作用影響較小時利用打樁船或其他起重船上的起重裝置將風力發電設備起吊安裝于第二結構節點上。
8.如權利要求5所述的水上風力發電塔架基礎和結構的安裝施工方法，其特征是，利用高水位或采取卸載措施使打樁船或其他起重船擺脫擱淺狀態，然后駛離。
全文摘要
水上風力發電塔架基礎和結構及其安裝施工方法，水上風力發電塔架的基礎，包括一中心樁和若干圍繞中心樁的衛星樁；中心樁樁頂設一個中心結構節點，衛星樁樁頂上設衛星結構節點，中心、衛星結構節點之間，各衛星結構節點之間通過構件連接，構成水面上結構層；中心樁頂端正上方設置中心柱，中心樁和中心柱通過一個結構節點連接；中心柱頂端下方設第一結構節點，第一結構節點和衛星結構節點間設斜柱或斜纜連接，形成風力發電塔架的空間對稱結構；中心柱頂端設第二結構節點，第二結構節點上安裝風力發電設備。本發明在保持塔架功能的同時降低其成本，并結合現有的常規水上施工裝備提供施工船只容易擱淺的淺水或靜水區域安裝施工水上風力發電塔架。
文檔編號E02D7/00GK102337746SQ201010237939
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者王懷忠 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司