海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼筋模塊化預(yù)制安裝技術(shù)

郭新杰，黃炳南

（中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006）

1 工程概況

福建莆田平海灣海上風(fēng)電場(chǎng)二期項(xiàng)目位于莆田市秀嶼區(qū)平海灣內(nèi)，風(fēng)場(chǎng)內(nèi)15個(gè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)分別采用8樁摩擦樁斜樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式及6樁嵌巖樁斜樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，承臺(tái)直徑為16.5 m，承臺(tái)高度為4.6 m。

海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼筋通常由表層鋼筋、內(nèi)部鋼筋、鋼管樁四周及其連接件鋼筋、鋼管樁頂部鋼筋、承臺(tái)底層鋼筋、承臺(tái)頂層鋼筋、基礎(chǔ)環(huán)（或錨栓籠）四周鋼筋共計(jì)7部分組成，主要采用直徑為φ16～32 mm的HRB400型三級(jí)熱軋帶肋螺紋鋼筋，見圖1。

圖1 高樁承臺(tái)配筋圖Fig.1 Reinforcement drawing of high pile cap

2 海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼筋綁扎安裝工藝特點(diǎn)

海上風(fēng)電高樁基礎(chǔ)承臺(tái)主體結(jié)構(gòu)鋼筋的綁扎、安裝是重要關(guān)鍵工序之一，其施工進(jìn)度將決定高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體施工效率。高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)鋼筋具有鋼筋型號(hào)種類及樣式多、布置交錯(cuò)密集、綁扎工程量大的特點(diǎn)，且受鋼筋結(jié)構(gòu)內(nèi)的基礎(chǔ)環(huán)（或錨栓籠）、冷卻水管、靠泊護(hù)舷與風(fēng)機(jī)附屬設(shè)施預(yù)埋件的影響，主體結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎作業(yè)空間有限，逐根穿插綁扎鋼筋工效低，采用傳統(tǒng)工藝在外海海域進(jìn)行單個(gè)承臺(tái)結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎需要有效作業(yè)時(shí)間為15～20 d，同時(shí)本工程所處海域受大風(fēng)、涌浪等自然環(huán)境影響大，年有效工作日短，嚴(yán)重影響海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度，且海上施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

因此，有必要研制一種海上風(fēng)電高樁承臺(tái)主體結(jié)構(gòu)鋼筋模塊化預(yù)制安裝工藝，減少海上鋼筋綁扎作業(yè)時(shí)間，提高外海海域海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)鋼筋施工工效及質(zhì)量，確保在有限合適的施工窗口期內(nèi)優(yōu)質(zhì)高效地完成海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工[1-3]。

3 鋼筋模塊化預(yù)制安裝總體方案的制定

根據(jù)海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋形式及布置特點(diǎn)，在陸上鋼筋加工制作場(chǎng)內(nèi)對(duì)本工程承臺(tái)部分結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行模塊化預(yù)制生產(chǎn)，然后采用3 000 t多功能運(yùn)輸駁船將鋼筋模塊運(yùn)輸至海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)旁進(jìn)行安裝。通過采用承臺(tái)鋼筋模塊化預(yù)制安裝工藝，將高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋海上綁扎施工作業(yè)部分工作轉(zhuǎn)移至陸上進(jìn)行，縮短海上作業(yè)時(shí)間，減小惡劣海況及天氣對(duì)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋現(xiàn)場(chǎng)綁扎施工的影響，確保承臺(tái)鋼筋綁扎質(zhì)量[4]。

4 鋼筋模塊化預(yù)制安裝施工技術(shù)

4.1 施工工藝

本工程海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋總重為92.4 t，其中承臺(tái)封底承重結(jié)構(gòu)鋼筋現(xiàn)場(chǎng)綁扎29.6 t，承臺(tái)主體結(jié)構(gòu)陸上模塊化預(yù)制鋼筋32.74 t，海上現(xiàn)場(chǎng)綁扎鋼筋30.06 t。承臺(tái)主體結(jié)構(gòu)模塊化預(yù)制鋼筋在陸上出運(yùn)碼頭進(jìn)行集中制作，并對(duì)模塊化鋼筋進(jìn)行臨時(shí)加固，海上施工現(xiàn)場(chǎng)采用350 t全回轉(zhuǎn)起重船及研制的專用吊具進(jìn)行鋼筋模塊的安裝施工[5-8]。

4.2 預(yù)制技術(shù)

1）高樁承臺(tái)基礎(chǔ)底板3層鋼筋網(wǎng)模塊預(yù)制

本工程高樁承臺(tái)基礎(chǔ)底板3層圓形鋼筋網(wǎng)設(shè)計(jì)為3層×77根/層φ20 mm@200 mm鋼筋，徑向鋼筋之間角度為60°，3層圓形鋼筋網(wǎng)總重量為6.88 t，采取在陸上鋼筋預(yù)制場(chǎng)內(nèi)按照φ15.4 m直徑、3層圓形鋼筋網(wǎng)進(jìn)行模塊組拼預(yù)制，3層圓形鋼筋網(wǎng)之間采用綁扎及短筋焊接工藝進(jìn)行拼接組合，同時(shí)在3層圓形鋼筋網(wǎng)頂部采用φ48.5 mm×3.5 mm的鋼管進(jìn)行加固連接，確保承臺(tái)底板3層圓形鋼筋網(wǎng)整體吊裝剛度。承臺(tái)底板3層圓形鋼筋網(wǎng)開孔位置需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際樁位圖，采用CAD繪圖法進(jìn)行各個(gè)承臺(tái)底層鋼筋的下料及鋼筋網(wǎng)的開孔，避免了承臺(tái)底板鋼筋在陸上模塊化預(yù)制時(shí)出現(xiàn)臨時(shí)下料不足的現(xiàn)象，確保高樁承臺(tái)基礎(chǔ)底板3層鋼筋網(wǎng)預(yù)制模塊在海上施工現(xiàn)場(chǎng)能夠順利就位安裝，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工耗時(shí)，見圖2。

圖2 承臺(tái)底板3層鋼筋網(wǎng)預(yù)制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural drawing of reinforced mesh prefabricated module on the third floor of bearing platform base plate

2）高樁承臺(tái)基礎(chǔ)側(cè)面主筋及箍筋模塊預(yù)制

本工程高樁承臺(tái)側(cè)面主筋設(shè)計(jì)采用240根φ20 mm@1.5°，鋼筋直立長度4 100 mm，箍筋設(shè)計(jì)為27根φ16 mm@150 mm鋼筋，承臺(tái)側(cè)面主筋與箍筋總重量為4.81 t，在陸上鋼筋預(yù)制場(chǎng)內(nèi)將高樁承臺(tái)基礎(chǔ)側(cè)面主筋與箍筋之間采用綁扎及短筋焊接工藝進(jìn)行拼接組合成模塊，承臺(tái)側(cè)面主筋與箍筋預(yù)制組合模塊沿垂直方向每間隔2 m采用φ48.5 mm×3.5 mm的鋼管在水平方向按照八邊形進(jìn)行加固連接，確保承臺(tái)側(cè)面主筋與箍筋預(yù)制組拼模塊的整體吊裝剛度，見圖3。

圖3 承臺(tái)側(cè)面主筋與箍筋預(yù)制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural drawing of main reinforcement and stirrup prefabricated module on the side of bearing platform

3）風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)外環(huán)向鋼筋模塊預(yù)制

本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)豎向主筋設(shè)計(jì)為140根φ25 mm@2.57°的鋼筋，采用逐根穿越基礎(chǔ)環(huán)抗剪環(huán)預(yù)留孔位的鋼筋安裝施工工藝。

高樁承臺(tái)內(nèi)部基礎(chǔ)環(huán)外環(huán)向鋼筋被基礎(chǔ)環(huán)與鋼管樁樁頂連接件之間的連接板分成上、下2層，其中上層環(huán)向鋼筋設(shè)計(jì)為140根φ25 mm@2.57°、2×140 根 φ25 mm@2.57°、3×140 根 φ25 mm@2.57°及4根φ28 mm@150 mm的鋼筋，總重量為6.14 t。該環(huán)向鋼筋內(nèi)直徑為6 400 mm，對(duì)環(huán)向鋼筋采用φ48.5 mm×3.5 mm的鋼管在水平方向按照八邊形進(jìn)行加固連接，基礎(chǔ)環(huán)外環(huán)向鋼筋之間采用綁扎及短筋焊接工藝進(jìn)行拼接組合成模塊，見圖4。

圖4 基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)環(huán)向上層鋼筋預(yù)制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural drawing of the prefabricated module of the upper reinforcement in the circular direction outside the foundation ring

高樁承臺(tái)內(nèi)部基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)箍筋采用兩種規(guī)格型號(hào)鋼筋，并分成上、下2層，其中上層為5根φ28 mm@150 mm，下層為9根φ20 mm@150 mm的鋼筋，總重量為0.98 t。箍筋直徑為6 400 mm，被基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)有連接件將箍筋分成8段，因此，首先需要將箍筋進(jìn)行卷圓分成8段，然后按照設(shè)計(jì)箍筋位置分別進(jìn)行分段箍筋綁扎安裝，箍筋綁扎時(shí)與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)抗剪環(huán)豎向主筋綁扎牢固。

4）風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)鋼筋模塊預(yù)制

本工程高樁承臺(tái)內(nèi)部基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)鋼筋與基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)鋼筋結(jié)構(gòu)形式類似，箍筋直徑為5 500 mm，總重量為9.06 t。由于基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)部鋼筋直徑為5 500 mm，而基礎(chǔ)環(huán)頂部法蘭內(nèi)徑為5 390 mm，因此，在鋼筋模塊化預(yù)制時(shí)，將箍筋按照直徑為5 200 mm進(jìn)行加工制作，并與承臺(tái)主筋及環(huán)向鋼筋之間進(jìn)行連接加固，將模塊化預(yù)制鋼筋安裝至基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)部時(shí)，對(duì)箍筋按搭接位置按照長短錯(cuò)開切斷，然后采用搭接焊的形式，將內(nèi)箍直徑由5 200 mm搭接至5 500 mm。采用φ48.5 mm×3.5 mm的鋼管在水平方向按照八邊形進(jìn)行模塊化預(yù)制鋼筋加固連接，確保風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)鋼筋預(yù)制組拼模塊的整體吊裝剛度。

5）風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)承臺(tái)面層箍筋及基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)鋼筋網(wǎng)片模塊預(yù)制技術(shù)

本工程基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)承臺(tái)面層箍筋設(shè)計(jì)為31根φ25 mm@150 mm的環(huán)形箍筋，施工時(shí)需要將其與承臺(tái)面層主筋140根φ28 mm@2.57°進(jìn)行綁扎連接，基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)承臺(tái)面層箍筋設(shè)計(jì)為9根φ25mm@120 mm的環(huán)形箍筋，施工時(shí)需要將其與承臺(tái)面層主筋140根φ28 mm@2.57°進(jìn)行綁扎連接；基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)鋼筋網(wǎng)設(shè)計(jì)為2層×20根φ20 mm@150 mm的鋼筋網(wǎng)片，該鋼筋網(wǎng)片焊接于承臺(tái)面層主筋端部，以上鋼筋總重量為4.87 t。在陸上鋼筋預(yù)制場(chǎng)內(nèi)將基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)承臺(tái)頂面箍筋、基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)2層鋼筋網(wǎng)分別拼接組合成模塊，并采用φ25 mm鋼筋對(duì)基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)承臺(tái)頂面箍筋、基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)2層鋼筋網(wǎng)預(yù)制模塊進(jìn)行環(huán)向加固連接，確?；A(chǔ)環(huán)外側(cè)承臺(tái)頂面箍筋預(yù)制組拼模塊的整體吊裝剛度，基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)承臺(tái)面層箍筋采用逐根綁扎工藝。

4.3 吊架及吊索具設(shè)計(jì)

本工程海上風(fēng)電高樁承臺(tái)鋼筋預(yù)制模塊根據(jù)其各自體積形狀及重量分別采用新研制的圓環(huán)桁架式結(jié)構(gòu)工裝吊架及槽鋼結(jié)構(gòu)工裝吊架，配合350 t全回轉(zhuǎn)起重船在海上將其吊入鋼套箱內(nèi)進(jìn)行安裝施工。其中圓環(huán)桁架式結(jié)構(gòu)工裝吊架組成如下：鋼桁架主弦桿采用HN244×175×7×11型鋼，連接弦桿采用HN148×100×6×9型鋼，主弦桿直徑分別為φ14.599 m、φ10.687 m、φ6.775 m，以適應(yīng)不同直徑的鋼筋預(yù)制模塊吊裝，鋼桁架高度為1.6 m，鋼桁架重量為15.5 t，槽鋼結(jié)構(gòu)工裝吊架組成見圖5，鋼桁架采用 [20a槽鋼。

圖5 鋼筋模塊工裝吊架結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural drawing of reinforcement module tooling hanger

鋼筋模塊吊索具配置時(shí)考慮吊架、吊具及鋼筋預(yù)制模塊重量，按照35 t吊重進(jìn)行計(jì)算，鋼筋預(yù)制模塊采用4點(diǎn)吊工藝，每根鋼絲繩安全起吊重量為8.75 t，吊裝鋼筋預(yù)制模塊用鋼絲繩直徑為32.5 mm。

5 施工工效分析

本工程海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼筋通過采用在陸上鋼筋加工場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行模塊化集中預(yù)制、海上安裝技術(shù)，縮短了承臺(tái)鋼筋綁扎及安裝作業(yè)時(shí)間，降低了海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，在有效施工窗口期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)承臺(tái)基礎(chǔ)鋼筋施工完成時(shí)間僅為5 d，與按照在海上施工現(xiàn)場(chǎng)逐根綁扎承臺(tái)鋼筋的傳統(tǒng)施工工藝需要15 d有效窗口期相比縮短了10 d，在施工工效方面取得了顯著成效，見表1。

表1 海上現(xiàn)場(chǎng)綁扎與預(yù)制安裝工效對(duì)比表Table 1 Comparison of work efficiency of binding and prefabrication installation on site

6 結(jié)語

研發(fā)的海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼筋模塊化預(yù)制安裝施工技術(shù)在國內(nèi)福建莆田平海灣海上風(fēng)電場(chǎng)二期項(xiàng)目工程高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼筋施工過程中，通過技術(shù)論證首次應(yīng)用于實(shí)踐，將高樁承臺(tái)主體結(jié)構(gòu)占比52%數(shù)量的鋼筋進(jìn)行陸上模塊化集中預(yù)制、海上安裝施工，可操作性強(qiáng)，減少了高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼筋海上綁扎、安裝作業(yè)時(shí)間及惡劣海況、氣候條件對(duì)施工的影響，施工安全風(fēng)險(xiǎn)小，顯著提高了高樁承臺(tái)鋼筋海上綁扎、安裝的施工效率及施工質(zhì)量。對(duì)今后海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼筋施工具有借鑒意義。