本發(fā)明涉及一種海上風(fēng)機(jī)大直徑鋼管樁基礎(chǔ)的裝配式翼板套筒及施工方法，屬于海上風(fēng)電基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的增長以及環(huán)境污染日益加劇，全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣黾?。海上風(fēng)能具有風(fēng)速高、風(fēng)力持久穩(wěn)定、風(fēng)切變小，而且無視覺、噪音污染及不占用陸地等優(yōu)點(diǎn)，成為世界各國能源開發(fā)的重點(diǎn)。隨著我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，超大直徑單樁基礎(chǔ)由于其承載力大、安全度高、經(jīng)濟(jì)性好、施工便利等優(yōu)點(diǎn)，已成為海上風(fēng)機(jī)最常用基礎(chǔ)型式。

目前，超大直徑鋼管單樁基礎(chǔ)樁徑高達(dá)5.0-6.5m。海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)主要承受風(fēng)、浪、流等水平荷載作用，在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮其水平承載性能。然而，隨著樁徑的增加，相應(yīng)的計(jì)算沖刷坑深度和半徑也在增加，設(shè)計(jì)時從偏于安全的角度出發(fā)完全忽略掉沖刷范圍內(nèi)覆土的水平抗力作用；更重要的是，實(shí)際工程中為了防止沖刷，一般采用防沖刷墊覆蓋在泥面表層，使得超大直徑風(fēng)電樁基不存在沖刷情況，換言之，真實(shí)泥面至真實(shí)水平承載力計(jì)算起始位置范圍內(nèi)的土體是完好存在的，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工方法忽略該軟弱土體的水平抗力作用使得工程造價成本較高，造成了不必要的浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

目的：在于針對上層軟弱土體強(qiáng)度低、抗水平承載能力差等原因，提出一種用于提高海上風(fēng)機(jī)大直徑鋼管樁基礎(chǔ)水平承載力的裝配式翼板套筒及其施工方法，通過裝配式翼板套筒增加樁身土抗力受力面積以解決軟弱土體抗水平承載力低的問題，同時還可以儲備較高的安全富裕度以應(yīng)對不可抗力因素(如臺風(fēng)等)造成的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)傾斜等問題，具有效果顯著、工藝簡單、應(yīng)用方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種海上風(fēng)機(jī)大直徑鋼管樁基礎(chǔ)的裝配式翼板套筒，包括：鋼套筒、鋼箱-混凝土翼板、翼板貫入靴、施工頂板、定位板，所述多塊鋼箱-混凝土翼板分別嵌入鋼套筒外側(cè)均勻分布的定位板溝槽內(nèi)，鋼箱-混凝土翼板與定位板通過兩列螺栓進(jìn)行錨固；所述鋼箱-混凝土翼板底端設(shè)置有等腰三角形結(jié)構(gòu)的翼板貫入靴；所述鋼套筒頂部設(shè)置有圓環(huán)結(jié)構(gòu)的施工頂板。

作為優(yōu)選方案，所述鋼箱-混凝土翼板的數(shù)量設(shè)置為兩塊或四塊。

作為優(yōu)選方案，所述的鋼套筒壁厚2～3cm，鋼套筒高度與沖刷坑計(jì)算深度一致。

作為優(yōu)選方案，所述鋼箱-混凝土翼板由鋼箱和內(nèi)部填充的混凝土組成；所述鋼箱由壁厚1～2cm的鋼板拼接而成；所述混凝土設(shè)置為c30及其以上強(qiáng)度的碎石混凝土。

作為優(yōu)選方案，所述鋼箱-混凝土翼板近鋼套筒一側(cè)預(yù)留兩列螺栓孔位，第1列螺栓孔位距鋼箱-混凝土翼板外側(cè)邊緣25cm，第1列第1個螺栓孔位距離鋼箱-混凝土翼板頂部邊緣為10cm，第2列螺栓孔位與第1列螺栓孔位水平間距為15cm，第2列第1個螺栓孔位距離鋼箱-混凝土復(fù)合翼板頂部邊緣為25cm；每一行螺栓孔位之間的間距為30cm；螺栓孔位直徑不大于螺栓直徑2mm；所述螺栓直徑為24mm。

作為優(yōu)選方案，所述鋼箱整體外觀尺寸厚度為30～40cm，高度與鋼套筒高度一致。

作為優(yōu)選方案，所述翼板貫入靴由兩片厚度均為1cm、夾角呈60°的鋼板組成并焊接于鋼箱-混凝土翼板底部，尖角朝下。

作為優(yōu)選方案，所述定位板長度與鋼套筒高度一致，寬度為21.8cm，厚度為3cm；每對定位板的間距比鋼箱厚度大4～8mm；定位板通過焊接方式固定于鋼套筒外側(cè)；定位板預(yù)先開設(shè)兩列螺栓孔位，其中遠(yuǎn)離鋼套筒的那1列螺栓孔位距離定位板外側(cè)邊緣距離10cm，其余螺栓孔位相對間距與鋼箱-混凝土翼板上的螺栓孔位位置相一致。

作為優(yōu)選方案，所述每對定位板外側(cè)焊接一對抗拉裂加勁肋板；所述加勁肋板厚度為1～2cm，寬度為40cm，長度與定位板長度一致，一邊焊接在定位板上且與第1列螺栓距離為7cm，另一邊焊接在鋼套筒外側(cè)壁。

作為優(yōu)選方案，所述施工頂板內(nèi)徑與鋼套筒內(nèi)徑一致，長度為50cm，通過焊接方式固定在鋼套筒頂部，施工頂板下面焊接20塊抗失穩(wěn)加勁肋板；所述的每塊抗失穩(wěn)加勁肋板厚度為1～2cm，呈直角三角形結(jié)構(gòu)，兩個直角邊尺寸為20cm×(20～50)cm，直角短邊尺寸焊接在鋼套筒外側(cè)壁，直角長邊焊接于施工頂板下側(cè)；每個四分之一鋼套筒圓弧邊按照等角度均勻布置5塊抗失穩(wěn)加勁肋板。

作為優(yōu)選方案，所述裝配式翼板套筒中鋼材的強(qiáng)度均為q345。

一種海上風(fēng)機(jī)大直徑鋼管樁基礎(chǔ)的裝配式翼板套筒施工方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟一：預(yù)制鋼箱的寬度取為0.5～1倍的鋼管樁直徑；在陸上預(yù)制工地事先按照尺寸制作好4個鋼箱并內(nèi)部添加混凝土形成鋼箱-混凝土翼板，制作過程中預(yù)留兩列螺栓孔位；按照尺寸設(shè)計(jì)要求制作好翼板貫入靴，并焊接在鋼箱-混凝土翼板底端；

步驟二：預(yù)制鋼套筒的內(nèi)徑與鋼管樁外徑之間的間隙距離控制在泥面下樁長的1/2000～1/1000范圍內(nèi)，并在鋼套筒四個呈90°的對角邊成對焊接帶有兩列螺栓孔位的定位板，完成后在每對定位板外側(cè)按要求焊接抗拉裂加勁肋板；

步驟三：根據(jù)尺寸要求預(yù)制圓環(huán)形施工頂板、抗失穩(wěn)加筋肋板和施工套筒，并與上述兩步制作完成的成品一起裝船運(yùn)輸至打樁船上；在打樁船上開展鋼箱-混凝土翼板與鋼套筒的螺栓拼裝作業(yè)，隨后在鋼套筒頂部焊接施工頂板并設(shè)置抗失穩(wěn)加勁肋板；

步驟四：將制作完成的裝配式翼板套筒吊裝穿過鋼管樁并自然下放至不能繼續(xù)下沉為止；裝配式翼板套筒在下沉過程中要始終保持其中一對鋼箱-混凝土翼板與水平作用荷載方向垂直，另外一對則與水平荷載作用方向平行；

步驟五：將施工套筒吊裝穿過鋼管樁自然下放并與施工頂板表面接觸，隨后采用靜壓或者錘擊方式，通過施工套筒將裝配式翼板套筒下壓至施工頂板與泥面齊平為止；施工完成后將施工套筒從鋼管樁中抽出進(jìn)行回收利用。

作為優(yōu)選方案，施工套筒壁厚與鋼套筒一致，內(nèi)徑介于施工頂板內(nèi)、外直徑范圍內(nèi)，長度取為泥面至打樁船施工平臺之間的垂直高度。

有益效果：本發(fā)明提供的海上風(fēng)機(jī)大直徑鋼管樁基礎(chǔ)的裝配式翼板套筒，其優(yōu)點(diǎn)如下：翼板寬度大，可以極大地增加表層軟弱土體的水平抗力作用有效寬度，有效寬度可達(dá)2-3倍鋼管樁直徑，效果非常顯著；通過鋼箱-混凝土復(fù)合翼板方式不但可以極大地降低用鋼量，更可以有效提高截面抵抗矩，提高了結(jié)構(gòu)體系的安全度；通過裝配的方式，使得裝配式翼板套筒的關(guān)鍵部件均可以提前單獨(dú)預(yù)制并現(xiàn)場拼裝，從而極大地降低了裝置的制作難度、運(yùn)輸難度和造價成本；通過施工套管進(jìn)行下壓施工，且施工套管可回收利用，施工簡單，實(shí)用性強(qiáng)，工作量大大減少，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝配式翼板套筒-鋼管樁-施工套筒整體示意圖。

圖2為本發(fā)明裝配式翼板套筒立體側(cè)視圖。

圖3為本發(fā)明裝配式翼板套筒立體仰視圖。

圖4為本發(fā)明裝配式翼板套筒立體透視圖。

圖5為本發(fā)明裝配式翼板套筒俯視圖。

圖6為本發(fā)明裝配式翼板套筒正視圖。

圖7為本發(fā)明裝配式翼板套筒中鋼箱結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。

圖8為本發(fā)明裝配式翼板套筒連接部位局部放大圖。

圖9為本發(fā)明裝配式翼板套筒中鋼箱-混凝土翼板螺栓孔位示意圖。

圖10為本發(fā)明裝配式翼板套筒中定位板螺栓孔位示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本實(shí)施例包括超大直徑鋼管樁1、裝配式翼板套筒2和施工套管3。所述裝配式翼板套筒2的總高度與沖刷坑計(jì)算深度一致。

如圖2、圖3和圖4所示，裝配式翼板套筒2主要由鋼套筒2-1和鋼箱-混凝土翼板2-2通過定位板2-4和螺栓2-5進(jìn)行拼裝連接；每對定位板2-4兩側(cè)分別焊接抗拉裂加勁肋板2-6；為降低裝配式翼板套筒2的貫入阻力，在鋼箱-混凝土翼板2-2底部加樁翼板貫入靴2-3。最后在鋼套筒2-1頂部焊接施工頂板2-7和抗失穩(wěn)加勁肋板2-8。

如圖2-圖6所示，鋼套筒2-1的內(nèi)徑與鋼管樁1的外徑之間間隙距離為泥面下樁長lb的1/2000～1/1000，這是由于設(shè)計(jì)要求樁身在泥面處變形為lb/500，本發(fā)明的裝置是為了提高水平承載力，降低變形，那么設(shè)定樁樁身變形達(dá)到0.5倍的允許值(lb/500)時必須開始發(fā)揮作用；同時考慮到各構(gòu)件制作精度誤差和施工空間需要，設(shè)定最小間隙為0.25倍的樁身變形允許變形值(lb/500)。鋼套筒2-1為q345鋼，壁厚為2～3cm，不宜過薄以免發(fā)生屈曲變形，也不宜過厚以免不必要的材料浪費(fèi)。

如圖7所示，鋼箱2-2-1的高度lh與裝配式翼板套筒2的總高度一致；鋼箱2-2-1的整體寬度lw取為0.5～1倍鋼管樁1的直徑；鋼箱2-2-1的整體外觀尺寸厚度lt為30～40cm，根據(jù)下式進(jìn)行確定：

式中：lt為鋼箱2-2-1的整體外觀尺寸厚度；su為軟土土體不排水剪切強(qiáng)度，從偏于安全的角度取為12kpa～24kpa；lw為鋼箱2-2-1的寬度；σ拉表示q345鋼材抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)鋼管樁1的直徑在5-7m范圍內(nèi)時，一般lt為30～40cm。

鋼箱2-2-1中每塊鋼板厚度t取為1～2cm，同時需要滿足下式抗剪要求：

式中：t為鋼箱2-2-1中每塊板的厚度，如圖8所示；σ剪表示q235鋼材抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

如圖8所示，鋼箱-混凝土翼板2-2內(nèi)的混凝土2-2-2采用c30及以上強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的混凝土澆筑成型，并至少28天之后方可進(jìn)行拼裝使用。

如圖9所示，鋼箱-混凝土翼板2-2在制作過程中預(yù)留2列螺栓孔位。第1列孔位距鋼箱-混凝土復(fù)合翼板2-2外側(cè)邊緣25cm，第1列第1個孔位距離鋼箱-混凝土復(fù)合翼板2-2頂部邊緣為10cm，第2列孔位與第1列孔位水平間距為15cm，第2列第1個孔位距離鋼箱-混凝土復(fù)合翼板2-2頂部邊緣為25cm；每一列的螺栓之間彼此間距為30cm。螺栓孔位直徑比螺栓2-5直徑略大，但不得超過2mm；所述螺栓2-5的直徑為24mm左右。

兩列螺栓孔位不在同一水平線上，采用交錯布置，可使得連接處的構(gòu)件受力更為合理，不會產(chǎn)生整體剪切破壞。對螺栓孔位距離限定，主要是為了安裝和定位的便利；同一列螺栓間距雖然定為30cm，但是整體上來看兩列螺栓，螺栓間距其實(shí)只有15cm，從經(jīng)濟(jì)性角度是相對合理的，否則材料成本、施工成本會增加。

如圖2～圖6所示的定位板2-4共8塊，每塊定位板2-4采用q345鋼材制作，長度與鋼套筒2-1總高度一致，寬度約為21.8cm，厚度為3cm；定位板2-4通過焊接方式預(yù)先成對固定于鋼套筒2-1外側(cè)，相鄰兩對定位板2-4夾角為90°；每對定位板2-4間凈距比鋼箱-混凝土復(fù)合翼板2-2厚度大4～8mm。

如圖10所示定位板2-4預(yù)先開兩列螺栓孔位，其中遠(yuǎn)離鋼套筒2-1的那1列螺栓孔位距離定位板2-4外側(cè)邊緣距離10cm，其余開孔相對間距與鋼箱-混凝土復(fù)合翼板2-2開孔完全一致的。

如圖8所示，每對定位板2-4外側(cè)焊接一對抗拉裂加勁肋板2-6；所述抗拉裂加勁肋板2-6厚度為1～2cm，寬度為40cm，長度與定位板2-4長度一致，一邊焊接在定位板2-4上，與第1列螺栓2-5距離為7cm，另一邊焊接在鋼套2-1外側(cè)壁。

如圖3～圖5所示，所述施工頂板2-7呈圓環(huán)形，內(nèi)徑與鋼套筒2-1內(nèi)徑一致，寬度為50cm，通過焊接方式固定在鋼套筒2-1頂部，施工頂板2-7下面焊接20塊抗失穩(wěn)加勁肋板2-8；所述的每塊抗失穩(wěn)加勁肋板2-8厚度為1～2cm，呈三角形狀，兩個直角邊尺寸為20cm×(20～50)cm，直角短邊尺寸焊接在鋼套筒2-1外側(cè)壁，直角長邊焊接于施工頂板2-7下側(cè)；每個四分之一鋼套筒2-1圓弧邊按照等角度均勻布置5塊抗失穩(wěn)加勁肋板2-8。

如圖2～圖4，圖6所示，所述翼板貫入靴2-3由兩片厚度均為1cm、夾角呈60°的鋼板組成并焊接于鋼箱-混凝土復(fù)合翼板2-2底部，尖角朝樁端方向。

本實(shí)施案例的裝配式翼板套筒施工方法的具體步驟如下：

①在陸上事先按照尺寸制作好4個鋼箱2-2-1并內(nèi)部灌入規(guī)定強(qiáng)度的混凝土2-2-2形成鋼箱-混凝土復(fù)合翼板2-2，制作過程中預(yù)留兩列螺栓孔位；按照尺寸設(shè)計(jì)要求制作好翼板貫入靴2-3并焊接在鋼箱-混凝土復(fù)合翼板2-2底端；

②根據(jù)尺寸要求預(yù)制鋼套筒2-1，并在其四個呈90°的對角邊成對焊接帶有兩列螺栓孔位的定位板2-4，完成后在每對定位板外側(cè)按要求焊接抗拉裂加勁肋板2-6；

③根據(jù)尺寸要求預(yù)制圓環(huán)形施工頂板2-7、抗失穩(wěn)加勁肋板2-8和施工套筒3，并與上述2步制作完成的成品一起裝船運(yùn)輸至打樁船上。在打樁船上開展鋼箱-混凝土復(fù)合翼板2-2與鋼套筒2-1的螺栓2-5拼裝作業(yè)，隨后在鋼套筒2-1頂部焊接施工頂板2-7并設(shè)置抗失穩(wěn)加勁肋板2-8。

④將制作完成的裝配式翼板套筒2吊裝穿過鋼管樁1并自然下放至不能繼續(xù)下沉為止；裝配式翼板套筒2在下沉過程中要始終保持其中一對鋼箱-混凝土復(fù)合翼板2-2與水平作用荷載方向垂直，另外一對則與水平荷載作用方向平行。

⑤將施工套筒3吊裝穿過鋼管樁1自然下放并與施工頂板2-7表面接觸，隨后采用靜壓或者錘擊方式，通過施工套筒3將裝配式翼板套筒2下壓至施工頂板與泥面齊平為止。施工完成后將施工套筒3從鋼管樁1中抽出進(jìn)行回收利用。

所述的施工套筒3采用q345強(qiáng)度鋼材制作，壁厚與鋼套筒2-1一致，內(nèi)徑介于施工頂板2-7內(nèi)、外直徑范圍內(nèi)，長度取為泥面至打樁船施工平臺之間的垂直高度。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。