一种钢-混凝土混合结构漂浮式风电基础

1.本发明涉及海上风力发电技术领域，尤其涉及一种适用于深海区域的海上风机新型浮式基础。


背景技术：

2.风能作为可再生能源，具有存储丰富、清洁无污染、分布广泛等诸多优点，将在未来改善能源结构、维护绿色生态环境、减缓温室效应中扮演着重要的角色。近年来，我国风电技术也有了较大的发展，风力发电机组整机实现了100kw 到mw级别的跨越式发展，并初步掌握5mw、6mw整机的集成技术。随着潮间带及近海区域风电资源的开发度逐渐饱和以及能源需求的逐步增加，海上风力发电从潮间带和近海区域走向深海区域是必然趋势。
3.同时，作为具有漫长海岸线的沿海大国，我国拥有着广阔的海洋面积，海上风力资源十分丰富，与陆上风电相对比，海上风电还拥有诸多优势：1)海上面积辽阔并且没有多少遮蔽物，风速平稳，风速较高，更有利于达到更高的发电率；2)海上风机可避免对人们的视觉冲击及噪音污染，安装到距离海岸线较远处，几乎不会对人们的生活产生负面影响。3)不占用陆地资源，足够大的海平面，使得更方便建设大型风电场。4)与陆上道路限制相比，由于运输与安装在海上进行的，安装的风机大小没有过多的限制，方便设计更大型的风力发电机，有利于提高发电效率。5)距离沿海城市近，相比陆上风电，成本低、损耗小，有利于缓解东南沿海、内地等人口密集城市的用电压力，优化用电结构。
4.目前，海上浮式平台基本是采用纯钢结构建造，而钢结构具有造价高、易腐蚀、施工工艺要求高和后期维护难等缺点。随着混凝土材料的性能不断改善和提高，在结构体系中采用商品混凝土不仅能使得成本有所下降，还有效增加了结构刚度，使其能够更加高效的承受风电机组工作时的复合荷载。因此，可研究采用混凝土材料设计建造浮式平台，为浮式风机基础平台的发展提供了另一种更经济的选择。
5.此外，由于钢结构材料价格变动较大，加上单价较高的原因，使用纯钢结构设计制造浮式风机基础会因为各个地区的生产制作能力不同，成本会有较大差异。从另一方面，对于浮式风机的使用寿命而言，纯钢结构的基础，设计的使用年限为20年，而国外目前设计使用的钢筋混凝土浮式基础，设计使用年限已超过50年，充分发挥了钢筋混凝土材料的耐久性。随着海上风电的发展，采用成本更低的钢筋混凝土基础结构也是更具有竞争力的选择。


技术实现要素：

6.本发明提出了一种钢-混凝土混合结构漂浮式风电基础：该体系为半潜式浮式风机基础，其主体部分采用钢筋混凝土，连接与锚固部分采用钢材。浮筒、水平连梁主体部分使用预应力混凝土，垂荡板使用钢筋混凝土，浮筒之间采用横撑钢管连接，水平连梁之间使用水平连梁连接，斜撑钢管呈v字形连接浮筒与水平连梁。浮筒上方与横撑、斜撑连接处，采用内外双层圆形钢管包裹混凝土，并使用加劲板连接双层钢管，且在外层圆形钢管上布置栓钉，加强钢与混凝土材料的连接，并在混凝土中施加预应力。水平连梁与两根斜撑连接
处，采用内外双层方形钢管包裹混凝土，并使用加劲板连接双层钢管，且在外层方形钢管上布置栓钉，加强钢与混凝土材料的连接，并在混凝土中施加预应力。为保证结构的强度与水动力性能，水平连梁与其连接的两头垂荡板呈哑铃型分布，一方面保证了水平连梁的抗弯性能，另一方面保证了整个基础的水动力性能。
7.该体系充分发挥了混合结构的优势，在降低成本的同时，具有强度高，刚度大的力学性质，且受力形式合理，连接可靠，水动力性能好，可保证深远海区域风电设施的高效运行，具有广阔的工程应用前景。
8.本发明的技术方案如下：
9.一种钢-混凝土混合结构漂浮式风电基础体系，该体系包含浮筒、过渡段、横撑钢管、斜撑钢管、垂荡板、水平连梁、圆形外钢管、圆形内钢管、栓钉、加劲板、混凝土、预应力筋、方形外钢管、方形内钢管、法兰板、螺栓、普通钢筋。所述的基础结构体系上方为风机塔筒，放置于浮筒处的过渡段上，两者通过法兰板和螺栓连接。
10.所述的过渡段为圆台形钢管构件，圆台上部直径与塔筒底部直径保持一致，采用法兰板和螺栓连接，圆台下部直径与浮筒构件中的圆形内钢管保持一致，采用焊接连接；
11.所述的浮筒和水平连梁采用预应力混凝土，垂荡板采用钢筋混凝土，过渡段、横撑钢管和斜撑钢管采用钢材，浮筒竖直与垂荡板连接，浮筒之间使用横撑钢管连接，垂荡板之间使用水平连梁连接，浮筒与水平连梁采用斜撑钢管呈v 字形连接；
12.所述的横撑钢管和斜撑钢管贯入浮筒内部，与内外双层钢管焊接，圆形外钢管与圆形内钢管通过加劲板连接，并在外层钢管上焊接栓钉，内部浇筑混凝土，在混凝土内布置预应力筋和普通钢筋；
13.所述的斜撑钢管贯入水平连梁内部，与内外双层钢管焊接，方形外钢管与方形内钢管通过加劲板连接，并在外层钢管上焊接栓钉，内部浇筑混凝土，在混凝土内布置预应力筋和普通钢筋；
14.所述的水平连梁用于连接两头垂荡板，其中的混凝土内布置预应力筋，且水平连梁与两头垂荡板在竖直投影下呈哑铃型。
15.本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
16.(1)浮筒、垂荡板、水平连梁主体部分为混凝土，横撑钢管、斜撑钢管、过渡段为钢材，使用钢-混凝土混合结构有利于发挥两种材料优势，整个基础结构强度高，刚度大，水动力性能好，造价成本低，市场竞争力强；
17.(2)局部采用组合结构锚固，浮筒上方与横、斜撑相连接，采用内外双层圆形钢管包裹混凝土，并使用加劲板连接双层钢管，且在外层圆形钢管上布置栓钉，加强钢与混凝土材料的连接，并在混凝土中施加预应力，保证了复杂节点在荷载变化较大的海域上能够发挥其既定的力学性能，为上部风机的正常工作提供了有力保障；
18.(3)局部采用组合结构锚固，水平连梁中部与斜撑相连接，采用内外双层方形钢管包裹混凝土，并使用加劲板连接双层钢管，且在外层方形钢管上布置栓钉，加强钢与混凝土材料的连接，并在混凝土中施加预应力，保证了大跨混凝土梁段在复杂荷载条件下仍能实现其即定功能，与垂荡板一起为整个基础提供良好的水动力性能；
19.(4)在深远海浮式风电基础中，采用钢-混凝土混合结构，由于混凝土在预应力钢筋和钢材约束下，具有良好的耐久性，可延长浮式风电基础的服役寿命，提高其经济效益；
20.(5)混凝土材料的使用有利于增大结构自重，从而使得结构所需的额外压载减少，降低了基础的使用风险，并且混凝土截面较大，可有效抵抗海洋环境下风浪流复杂疲劳荷载；
21.(6)水平连梁截面形式为瘦高型，与两头直径大于浮筒的垂荡板一起提供良好的水动力性能，将使用材料尽量分布于基础外围，不仅使得中部的水平连梁抗弯刚度变大，并且整个结构的回转半径也随之变大，有利于改善其浮式风机基础的纵摇、横摇以及垂荡性能；
22.(7)钢-混凝土混合结构漂浮式风电基础，传力合理，连接可靠，造价成本低且力学性能、水动力性能好，便于大规模应用和推广。
附图说明
23.图1为本发明的整体示意图；
24.图2为本发明的浮筒与横、斜撑连接示意图；
25.图3为本发明的浮筒上方横、斜撑锚固区构造示意图；
26.图4为本发明的水平连梁与斜撑锚固区构造示意图；
27.图5为本发明的过渡段和塔筒连接示意图。
28.图中：1-浮筒、2-过渡段、3-横撑钢管、4-斜撑钢管、5-垂荡板、6-水平连梁、 7-圆形外钢管、8-圆形内钢管、9-栓钉、10-加劲板、11-混凝土、12-预应力筋、 13-方形外钢管、14-方形内钢管、15-法兰板、16-螺栓、17-塔筒。
具体实施方式
29.以下结合附图，对本发明作进一步描述。
30.如图1所示，本发明是一种钢-混凝土混合结构漂浮式风电基础体系，浮筒 (1)竖直与垂荡板(5)连接，浮筒(1)之间使用横撑钢管(3)连接，垂荡板(5)之间使用水平连梁(6)连接，浮筒(1)与水平连梁(6)采用斜撑钢管(4)呈v字形连接；过渡段(2)下部与浮筒(1)内部圆形钢管焊接。
31.如图3所示，浮筒(1)上方锚固区与横撑钢管(3)、斜撑钢管(4)相连接，采用圆形外钢管(7)和圆形内钢管(8)包裹混凝土(11)，并使用加劲板(10)连接双层钢管，且在圆形外钢管(8)上布置栓钉(9)，并在混凝土中施加预应力筋(12)。
32.如图4所示，水平连梁(6)锚固区与斜撑钢管(4)相连接，采用方形外钢管(13)和方形内钢管(14)包裹混凝土(11)，并使用加劲板(10)连接双层钢管，且在方形外钢管(13)上布置栓钉(9)，并在混凝土中施加预应力筋 (12)。
33.如图5所示，风机塔筒底部与过渡段(2)上方通过法兰板(15)和螺栓(16) 连接，过渡段(2)下方与浮筒(1)上方的圆形内钢管(8)焊接。
34.本发明提供了一种钢-混凝土混合结构漂浮式风电基础体系，该体系充分发挥了混合结构的优势，在降低成本的同时，具有强度高，刚度大的力学性质，且受力形式合理，连接可靠，水动力性能好，可保证深远海区域风电设施的高效运行，具有广阔的工程应用前景。
35.以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施
方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、补充或改用类似方式替代，这些也应视作本发明的保护范围。
36.尽管本文较多地使用了1-浮筒、2-过渡段、3-横撑钢管、4-斜撑钢管、5-垂荡板、6-水平连梁、7-圆形外钢管、8-圆形内钢管、9-栓钉、10-加劲板、11-混凝土、12-预应力筋、13-方形外钢管、14-方形内钢管、15-法兰板、16-螺栓等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明的精神相违背的。