單樁基礎集成套籠的結構特點和發(fā)展趨勢的探討

沈明明，李書磊，楊丹丹，徐俠劍

(洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司，河南 洛陽 471039)

0 引言

風力發(fā)電以其低碳、環(huán)保、無污染的特點備受全球各國的高度重視，尤其是海上風電，全球約2/3面積為海洋，海上風能資源豐富。在我國，陸上風電已趨于飽和，海上風電正處于高速發(fā)展階段。據統(tǒng)計，我國在2022年，海上風電累計裝機量將會達到1 000萬kW，成為累計裝機量最大的國家[1]。

為了滿足海上風電高速發(fā)展的需求，充分發(fā)揮和利用海洋資源，根據不同的地質特點以及水深，人們已經開發(fā)并應用了不同的海上風電基礎形式，例如，重力式基礎、單樁基礎、吸力樁式基礎和浮式基礎等[2]。單樁基礎以其自重輕、受力明確、結構簡單的特點被廣泛應用，單樁基礎由鋼管樁和附屬結構件組成，附屬結構件又包括內平臺、外平臺、靠船構件、上部爬梯和犧牲陽極。其中內平臺安裝于鋼管樁內部，外平臺、靠船構件、上部爬梯和犧牲陽極的安裝方式有兩種，一種是獨立安裝于已預焊接于鋼管樁上的生根件上，一種是集成于套籠上整體套在鋼管樁的牛腿上。本文將對比兩種安裝方式，介紹集成套籠的結構特點和優(yōu)缺點。

1 集成套籠的結構

集成套籠指的是將外平臺、靠船構件、爬梯及犧牲陽極焊接于圈梁結構上，顧名思義，集成套籠由圈梁結構、外平臺、靠船構件、上部爬梯和犧牲陽極組成，集成套籠結構見圖1。

圖1 集成套籠結構圖

圈梁結構通常由5層～6層方管組成，各層方管間通過鋼管連接，其中最下層圈梁內部均勻布置6處燕尾卡槽。圈梁結構是承載外部平臺、靠船構件、爬梯及犧牲陽極的載體，通過下部6個燕尾卡槽連接到鋼管樁。

外平臺由矩形管和方管拼焊而成，外平臺焊接于圈梁結構的最上層圈梁外側，平臺四周用鋼管焊有一圈圍欄，平臺框架上面敷設一層鋼格柵，外平臺是塔筒與樁頂法蘭連接用的載人平臺，外平臺上還布置有吊機支座、運維艙以及柴油發(fā)動機箱等。

靠船構件由兩根主靠泊鋼管組成，主靠泊鋼管通過連接鋼管焊接于圈梁結構，靠泊鋼管間焊接有爬梯結構，爬梯上方安裝有防墜落裝置速差器，兩根靠泊鋼管外側各焊有5處～6處系攬柱。安裝船或維修船通過靠泊鋼管停船，將纜繩系到系攬柱，船停穩(wěn)后安裝人員或檢修人員佩戴安全帶，安全帶掛于速差器環(huán)眼，通過爬梯結構進入到外平臺。

上部爬梯由鋼管和方鋼焊接而成，爬梯上焊接有護籠，上部爬梯位于靠船構件和外平臺之間，是安裝或檢修人員由靠船構件進入到外平臺的通道。

犧牲陽極利用活性金屬與鋼管樁及附屬構件之間所形成的電位差，從而起到對鋼管樁及附屬構件防腐保護的作用，通過支架將其安裝焊接于圈梁結構的最下層圈梁外側。

2 集成套籠的優(yōu)點

集成套籠是將外平臺、靠船構件、爬梯以及犧牲陽極焊接于圈梁結構的一個整體結構，圈梁結構的最下層圈梁內側布置6處燕尾槽結構，相應的在鋼管樁上焊接6個牛腿?，F(xiàn)場安裝時，只需將集成套籠吊裝至鋼管樁6個牛腿即可，每層圈梁與鋼管樁之間布置4處鎖緊裝置，避免集成套籠撞擊鋼管樁的情況發(fā)生。而獨立安裝式的附屬構件是需要在鋼管樁上焊接固定外平臺、靠船構件、爬梯和犧牲陽極的生根件，在鋼管樁上的焊接工作較多，相比獨立安裝式的附屬構件，集成套籠的優(yōu)點比較明顯。

2.1 對鋼管樁損傷小

鋼管樁的實際工作狀態(tài)是，底部位于泥面以下，中間部分位于水中，上部位于大氣中；鋼管樁頂部焊接有樁頂法蘭用于連接風機塔筒，塔筒頂部安裝風機。由此可看出，鋼管樁的受力狀態(tài)比較復雜，其所受的力包括軸向壓力、彎矩、扭矩以及海水的波浪力等[3]。在如此復雜的疲勞載荷作用下，如何確保風機基礎的設計壽命達到27年，這就對鋼管樁的制造標準提出了更高的要求。

鋼管樁制作過程中要求焊接在樁體上的生根件距離樁體環(huán)縫和縱縫不小于300 mm，樁身開孔的孔邊緣距離樁身環(huán)縫、縱縫以及生根件焊縫不小于3倍孔徑。獨立安裝式的附屬構件需要在樁身上焊接的生根件數量較多，在樁身上進行焊接工作本身就會對樁身母材造成一定損傷，生根件數量多更加不易保證生根件焊縫與樁身環(huán)縫、縱縫的距離要求，同時也不易保證樁身開孔與各焊縫之間的距離要求，降低了鋼管樁的使用壽命。

集成套籠結構需要在鋼管樁上焊接的工作量較小，只需在鋼管樁上焊接6個牛腿，很容易避免上文提到的焊縫距離和開孔距離問題。對比獨立安裝式的附屬構件結構，集成套籠結構減少了在鋼管樁上的焊接工作量，減少了對鋼管樁的損傷，提高了鋼管樁的使用壽命。

2.2 整體焊接剛性好

外平臺、靠船構件、爬梯及犧牲陽極焊接于圈梁結構上形成整體的集成套籠結構，與獨立安裝式的附屬構件的結構形式對比，其焊接牢固，整體受力狀態(tài)好，避免出現(xiàn)生根件掉落的風險，質量和安全性更高。

2.3 無需試裝

獨立安裝式的附屬構件需要安裝于鋼管樁的生根件中，配合面較多，安裝復雜。為避免出現(xiàn)施工現(xiàn)場無法裝配的情況，對生根件的定位尺寸及附屬構件的制作精度要求較高，并且所有附屬構件(包括外平臺、靠船構件、爬梯及犧牲陽極)均需在制造廠內完成預裝配，因此獨立安裝式的附屬構件的制造精度要求高，對工人的技術水平要求高。

集成套籠則不存在上述問題，集成套籠和鋼管樁的連接是通過套籠下方的6個燕尾卡槽，燕尾卡槽直接插到鋼管樁的6個牛腿中，燕尾卡槽制作時預留間隙，可彌補制作偏差，因此集成套籠無需廠內預裝，對制造精度和工人的技能水平要求相對較低。

2.4 現(xiàn)場施工方便

近年來，由于國家對海上風電行業(yè)的高度重視，甚至出臺了一系列的貼補政策，國內各大電能企業(yè)積極響應，紛紛投資建設海上風電場，這直接導致海上施工船緊張，海上施工費用上漲明顯。獨立安裝式的附屬構件的各部分基本上都是法蘭和插銷連接，配合面較多，有的甚至需要在水下進行施工，施工難度大，施工周期較長，施工成本高。

集成套籠的安裝工作相對較簡單，只需一次吊裝工作即可完成外平臺、靠船構件、爬梯及犧牲陽極塊的安裝工作，集成套籠的6個燕尾卡槽落到鋼管樁上6個牛腿，安裝方式簡單、安裝速度快、安裝周期短、施工成本低。

3 集成套籠的缺點

相比較獨立安裝式的附屬構件，集成套籠的優(yōu)點眾多，但是其也存在一些缺點，例如集成套籠增加了圈梁結構，所需鋼板原材料增多，產品重量增大，集成套籠體積大，不易運輸等。

4 單樁基礎附屬構件的發(fā)展趨勢

通過對集成套籠和獨立安裝式附屬構件的結構特點及優(yōu)缺點的介紹，可以看出集成套籠的缺點是容易被接受的，集成套籠的優(yōu)點是各大設計院和建造單位所關心和關注的。因此，集成套籠是單樁基礎附屬構件的發(fā)展主流。

5 總結

本文對集成套籠的組成、各組成部分的結構特點以及各部分的功能作用做了詳細介紹。通過對比獨立安裝式的附屬構件結構，集成套籠具有對鋼管樁損傷小、整體焊接剛性好、無需試裝、現(xiàn)場施工方便等優(yōu)點，同時集成套籠也存在原材料需要量大、產品重量大、產品體積大等缺點。

通過優(yōu)缺點對比，集成套籠才是單樁基礎附屬構件發(fā)展的主流方向。