水上风力发电塔架基础和结构及其安装施工方法 技术领域 本发明涉及基础工程技术领域， 特别涉及一种水上风力发电塔架基础和结构及其 安装施工方法。
背景技术 水上风力发电塔的基础主要有单桩基础、 重力基础和导管架群桩基础 ； 上部结构 主要采用单节塔筒、 上下双节或多节塔筒形式。风机的水上拼装需要使塔筒底部与风机基 础之间的准确对位、 塔筒之间的准确对位、 塔筒顶部与机舱之间的准确对位和第三片叶片 与机舱轮毂之间的准确对位。传统的起重船仅依靠锚缆系统对船体定位固定， 受海上的波 浪、 潮流等作用力的影响， 当安装塔架上部结构时， 船体轻微的晃动会引起 50 米以上高度 处的数米位移， 施工非常困难， 安全也不能保证， 所以需要大型特种作业船舶和大型起重机 械进行水上分体拼装或整体安装。
现有水上风力发电塔架结构重量大， 材料费用高。且由于塔架结构重量大， 其制 作、 运输、 安装以及风力发电设备安装需要大型运输船舶、 大型特种作业船舶和大型起重机 械， 施工装备台班占用费用很高， 不利于水上风力发电这种清洁低碳能源的推广。发明内容
本发明的目的在于提供一种水上风力发电塔架基础和结构及其安装施工方法， 在 保持塔架的功能， 同时降低其成本， 并结合现有的常规水上施工装备提供施工船只容易搁 浅的浅水或静水区域安装施工水上风力发电塔架。
为达到上述目的， 本发明的技术方案是，
水上风力发电塔架基础和结构， 其包括， 水上风力发电塔架的基础， 包括一根中心 桩和若干围绕中心桩并保持一定距离布置的卫星桩 ； 中心桩桩顶略高出水面， 桩底插入水 下泥土中一定深度 ； 卫星桩的桩顶略高出水面， 桩底插入水下泥土中一定深度 ； 中心桩的 桩顶设置一个中心结构节点， 各卫星桩的桩顶上分别设置一个卫星结构节点， 中心结构节 点和卫星结构节点之间， 以及各卫星结构节点之间通过构件连接， 构成水面上结构层 ；
中心桩顶端的正上方设置中心柱， 中心桩和中心柱通过一个连接结构节点连接 ； 中心柱为垂直柱， 柱顶高度应满足在其上方安装风力发电设备的要求 ；
中心柱顶端下方不影响风力发电机叶片运行高度设置一个第一结构节点， 该第一 结构节点和卫星桩桩顶的卫星结构节点之间设置斜柱或斜缆连接， 形成风力发电塔架的空 间对称结构 ； 中心柱顶端设置一个第二结构节点， 在该第二结构节点上安装风力发电设备。
进一步， 所述的中心桩的横截面形式为实心桩， 或为带中心孔的管桩。
又， 所述的卫星桩为垂直桩， 或者， 是围绕中心桩向心布置的斜桩。
另外， 本发明所述的中心柱的横截面形式为带中心孔的管柱， 横截面尺寸应满足 在其内孔穿越电缆、 缆绳以及小型升降设施的要求。
本发明的水上风力发电塔架基础和结构的安装施工方法， 其包括如下步骤 ：1) 在高水位时采用打桩船机设施在水中预定位置打入中心桩和若干卫星桩 ；
2) 利用小型施工船泊在中心桩的桩顶设置一个中心结构节点， 各卫星桩的桩顶上 分别设置一个卫星结构节点， 中心结构节点和卫星结构节点之间通过构件连接， 各卫星结 构节点之间通过构件连接， 构成水面上结构层 ；
3) 在中心柱顶部预先安装一组定滑轮， 并在中心柱顶端下方不影响风力发电机叶 片运行高度预先安装一个第一结构节点， 在中心柱顶端上方预先安装一个第二结构节点 ；
4) 利用打桩船的起重装置起吊中心柱并安装在中心桩的顶部， 中心桩和中心桩通 过一个连接结构节点连接 ；
5) 利用中心柱顶部的定滑轮和相应的缆绳起吊和调整第一结构节点 ；
6) 利用中心柱顶部的定滑轮和相应的缆绳起吊和安装斜柱或斜缆， 使其上端连接 于第一结构节点， 下端分别连接于各卫星结构节点， 形成风力发电塔架的下部空间结构。
进一步， 在打桩船或其他起重船将要停靠的区域铺设软体排或其他材料， 防止打 桩船或其他起重船搁浅时陷入泥土中 ； 在高水位时打桩船或其他起重船驶入并停靠在中心 桩附近。
又， 可以利用低水位或采取重载压仓措施使打桩船或其他起重船在停靠位置搁 浅， 在波浪作用影响较小时利用打桩船或其他起重船上的起重装置将风力发电设备起吊安 装于第二结构节点上。
再有， 还可以利用高水位或采取卸载措施使打桩船或其他起重船摆脱搁浅状态， 然后驶离。
本发明的有益效果
1) 本发明所提供的水上风力发电塔架结构形式， 能够减少构件材料用量， 并保持 塔架的功能。
2) 本发明所提供的水上风力发电塔架结构形式， 可以利用现有的水上打桩施工装 备和驳船进行安装施工， 不需要大型起吊船机和运输船只。
3) 本发明所提供的水上风力发电塔架结构形式， 可以节省材料费用， 减少施工装 备台班费用， 从而达到降低成本的目的。 附图说明
图 1a 为本发明水上风力发电塔架的一实施例的结构示意图 ；
图 1b 为图 1 的 A-A 剖视图 ；
图 2a ～图 2f 为本发明水上风力发电塔架实施例一的安装施工示意图 ；
图 2c 为图 2b 的 B-B 剖视图 ；
图 3a ～图 3e 为本发明水上风力发电塔架实施例一的安装施工示意图 ；
图 3f 为图 3b 的 C-C 剖视图。 具体实施方式
参见图 1a、 图 1b， 本发明的水上风力发电塔架基础和结构， 其包括， 水上风力发电 塔架的基础， 包括由 1 根中心桩 1 和若干围绕中心桩 1 并保持一定距离布置的卫星桩 2 ； 中 心桩 1 为垂直桩， 桩顶略高出水面， 桩底插入水下泥土中一定深度， 既能保持其在安装施工阶段受风力、 水流力、 波浪力等荷载作用的稳定性， 又能为风力发电塔架结构在运行阶段提 供必要的轴向和侧向承载力。中心桩 1 的横截面形式可以是实心桩， 也可以是有中心孔的 管桩。
卫星桩 2 可以是垂直桩， 也可以是围绕中心桩 1 向心布置的斜桩。 卫星桩 2 的桩顶 略高出水面， 桩底插入水下泥土中一定深度， 既能保持其在安装施工阶段受风力、 水流力、 波浪力等侧向荷载作用的稳定性， 又能为风力发电塔架结构在运行阶段提供必要的轴向和 侧向承载力。卫星桩 2 的横截面形式可以是实心桩， 也可以是有中心孔的管桩。
中心桩 1 的桩顶设置 1 个中心结构节点 31， 卫星桩 2 的桩顶上分别设置 1 个卫星 结构节点 32。中心结构节点 31 和卫星结构节点 32 之间通过构件 4 连接， 各卫星结构节点 32 之间通过构件 4 连接， 构成水面上结构层， 与中心桩 1 和卫星桩 2 共同承受施工期间风 力、 水流力、 波浪力、 施工船只靠泊力等侧向荷载作用。
中心桩 1 顶端的正上方设置中心柱 5， 中心桩 1 和中心柱 5 通过中心结构节点 31 连 接。 中心柱 5 为垂直柱， 柱顶高度应满足在其上方安装风力发电设备的要求。 中心柱 5 的横 截面形式为有中心孔的管柱， 横截面尺寸应满足在其内孔穿越电缆、 缆绳以及小型升降设 施的要求。中心柱 5 顶端下方不影响风力发电机叶片运行高度设置 1 个第一结构节点 51， 节点 51 和节点 32 之间设置斜柱 6 或斜缆 6 连接， 形成风力发电塔架的空间对称结构， 承受 风力发电塔架在正常工作期间的重力、 风力、 水流力、 波浪力、 靠船力、 地震作用等荷载。中 心柱 1 顶端设置 1 个第二结构节点 52， 在节点 52 上安装风力发电设备。 实施例 1
参见见图 2a ～图 2f， 本发明水上风力发电塔架基础和结构的一种结构的安装和 施工方法。
1) 采用打桩船和打桩机在水中预定位置打入 1 根中心桩 1， 中心桩 1 为直径 1470mm、 壁厚 20mm 的钢管桩。中心桩 1 为总长 60m 的垂直桩， 其中泥面下 52m 长、 水中 3m 长、 水面上 5m 长 ；
2) 采用打桩船和打桩机在中心桩 1 周围打入 4 根卫星桩 2。 卫星桩 2 都是总长 60m 的斜桩， 其水平方向和垂直方向的倾斜比例为 1 ∶ 20， 桩顶均匀布置于中心高出水面 5m 距 中心桩的轴心 5m 的圆周上。卫星桩 2 都是直径 1470mm、 壁厚 20mm 的钢管桩 ；
3) 利用小型施工船泊在中心桩 1 的桩顶设置 1 个中心结构节点 31， 在卫星桩 2 的 桩顶上分别设置 1 个卫星结构节点 32。然后将中心结构节点 31 和卫星结构节点 32 之间通 过构件 4 连接， 卫星结构节点 32 之间通过构件 4 连接， 构成水面上结构层。其中两个结构 节点 32 之间无构件连接， 留出空间供施工船只靠近 ；
4) 在中心柱 5 的顶端下 0.3m 处预先安装 1 组定滑轮 7， 并在中心柱 5 顶端下方 15m 处预先安装 1 个第一结构节点 51， 在中心柱顶端上方预先安装 1 个第二结构节点 52。中心 柱 5 为直径 1420mm、 壁厚 20mm 的钢管柱， 总长 80m ；
5) 利用打桩船的起重装置起吊中心柱 5 并插入中心桩 1 的顶部 5m， 中心柱 5 和中 心桩 1 通过结构节点 31 连接 ；
6) 利用中心柱 5 顶部的定滑轮 7 和相应的缆绳起吊和调整第一结构节点 51 ；
7) 利用中心柱 5 顶部的定滑轮 7 和相应的缆绳起吊和安装 4 根斜柱 6 ； 斜柱 6 为 直径 1420mm、 壁厚 20mm 的钢管柱， 总长 65.1m， 上端连接于第一结构节点 51， 下端分别插入
卫星桩 2 约 5m， 并通过结构节点 32 连接， 形成风力发电塔架的下部空间结构 ；
8) 在打桩船将要停靠的区域铺设软体排防止打桩船搁浅时陷入泥土中。 在高潮位 时打桩船驶入并停靠在中心桩 1 附近 ；
9) 利用低潮位并采取重载压仓措施使打桩船在停靠位置搁浅以减小波浪作用影 响， 然后采用打桩船上的起重装置将风力发电设备起吊安装于高度 75m 的第二结构节点 52 上；
10) 利用高潮位并采取卸载措施使打桩船摆脱搁浅状态， 然后驶离。
实施例 2
参见图 3a ～图 3f， 本发明水上风力发电塔架基础和结构的另一结构形式的安装 和施工方法。
1) 采用打桩船和打桩机在水中预定位置打入 1 根中心桩 1。中心桩 1 为直径 1470mm、 壁厚 20mm 的钢管桩。中心桩 1 为总长 60m 的垂直桩， 其中泥面下 52m 长、 水中 3m 长、 水面上 5m 长。
2) 采用打桩船和打桩机在中心桩 1 周围打入 4 根卫星桩 2。 卫星桩 2 都是总长 60m 的斜桩， 其水平方向和垂直方向的倾斜比例为 1 ∶ 20， 桩顶均匀布置于中心高出水面 5m 距 中心桩的轴心 5m 的圆周上。卫星桩 2 都是直径 1470mm、 壁厚 20mm 的钢管桩。 3) 利用小型施工船泊在中心桩 1 的桩顶设置 1 个中心结构节点 31， 在卫星桩 2 的 桩顶上分别设置 1 个卫星结构节点 32。然后将中心结构节点 31 和卫星结构节点 32 之间通 过构件连接， 结构节点 32 之间通过构件连接， 构成水面上结构层。其中两个结构节点 32 之 间无构件连接， 留出空间供施工船只靠近。
4) 在中心柱 5 的顶端下 0.3m 处预先安装 1 组定滑轮 7， 并在中心柱 5 顶端下方 15m 处预先安装 1 个第一结构节点 51， 在中心柱顶端上方预先安装一个第二结构节点 52。中心 柱 5 为直径 1420mm、 壁厚 20mm 的钢管柱， 总长 80m。
5) 利用打桩船的起重装置起吊中心柱 5 并插入中心桩 1 的顶部 5m， 中心柱 5 和中 心桩 1 通过中心结构节点 31 连接。
6) 利用中心柱 5 顶部的定滑轮 7 和相应的缆绳起吊和调整第一结构节点 51。
7) 利用中心柱 5 顶部的定滑轮 7 和相应的缆绳起吊和安装 4 根斜缆 6。斜缆 6 为 面积为 88mm2 的钢缆， 总长 60m， 上端连接于第一结构节点 51， 下端分别与卫星结构节点 32 连接， 形成风力发电塔架的下部空间结构。
8) 打桩船驶入并停靠在中心桩 1 附近。
9) 利用内湖或江河波浪作用影响小的时候， 采用打桩船上的起重装置将风力发电 设备起吊安装于高度 75m 的第二结构节点 52 上。
10) 打桩船然后驶离施工区域。
本发明可推广应用于浅海或内湖江河的风力发电工程中， 可以节省材料费用， 减 少施工装备台班占用费用， 从而降低成本， 有利用风力发电这种清洁能源的发展。 由于水上 风力发电塔架结构的主要构件都是大口径钢管， 本发明可为大口径钢管和耐海水耐候钢材 拓展更广泛的应用范围和市场空间。由于水上风力发电需要轻型高效的风力发电设备， 本 发明可为高牌号电工钢钢材拓展更广泛的应用范围和市场空间。