沈明明，李書磊，楊丹丹，徐俠劍

(洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電以其低碳、環(huán)保、無(wú)污染的特點(diǎn)備受全球各國(guó)的高度重視，尤其是海上風(fēng)電，全球約2/3面積為海洋，海上風(fēng)能資源豐富。在我國(guó)，陸上風(fēng)電已趨于飽和，海上風(fēng)電正處于高速發(fā)展階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在2022年，海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量將會(huì)達(dá)到1 000萬(wàn)kW，成為累計(jì)裝機(jī)量最大的國(guó)家[1]。

為了滿足海上風(fēng)電高速發(fā)展的需求，充分發(fā)揮和利用海洋資源，根據(jù)不同的地質(zhì)特點(diǎn)以及水深，人們已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用了不同的海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式，例如，重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、吸力樁式基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)等[2]。單樁基礎(chǔ)以其自重輕、受力明確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，單樁基礎(chǔ)由鋼管樁和附屬結(jié)構(gòu)件組成，附屬結(jié)構(gòu)件又包括內(nèi)平臺(tái)、外平臺(tái)、靠船構(gòu)件、上部爬梯和犧牲陽(yáng)極。其中內(nèi)平臺(tái)安裝于鋼管樁內(nèi)部，外平臺(tái)、靠船構(gòu)件、上部爬梯和犧牲陽(yáng)極的安裝方式有兩種，一種是獨(dú)立安裝于已預(yù)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(duì)比兩種安裝方式，介紹集成套籠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。

1 集成套籠的結(jié)構(gòu)

集成套籠指的是將外平臺(tái)、靠船構(gòu)件、爬梯及犧牲陽(yáng)極焊接于圈梁結(jié)構(gòu)上，顧名思義，集成套籠由圈梁結(jié)構(gòu)、外平臺(tái)、靠船構(gòu)件、上部爬梯和犧牲陽(yáng)極組成，集成套籠結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 集成套籠結(jié)構(gòu)圖

圈梁結(jié)構(gòu)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(nèi)部均勻布置6處燕尾卡槽。圈梁結(jié)構(gòu)是承載外部平臺(tái)、靠船構(gòu)件、爬梯及犧牲陽(yáng)極的載體，通過下部6個(gè)燕尾卡槽連接到鋼管樁。

外平臺(tái)由矩形管和方管拼焊而成，外平臺(tái)焊接于圈梁結(jié)構(gòu)的最上層圈梁外側(cè)，平臺(tái)四周用鋼管焊有一圈圍欄，平臺(tái)框架上面敷設(shè)一層鋼格柵，外平臺(tái)是塔筒與樁頂法蘭連接用的載人平臺(tái)，外平臺(tái)上還布置有吊機(jī)支座、運(yùn)維艙以及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)箱等。

靠船構(gòu)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(jié)構(gòu)，靠泊鋼管間焊接有爬梯結(jié)構(gòu)，爬梯上方安裝有防墜落裝置速差器，兩根靠泊鋼管外側(cè)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(jié)構(gòu)進(jìn)入到外平臺(tái)。

上部爬梯由鋼管和方鋼焊接而成，爬梯上焊接有護(hù)籠，上部爬梯位于靠船構(gòu)件和外平臺(tái)之間，是安裝或檢修人員由靠船構(gòu)件進(jìn)入到外平臺(tái)的通道。

犧牲陽(yáng)極利用活性金屬與鋼管樁及附屬構(gòu)件之間所形成的電位差，從而起到對(duì)鋼管樁及附屬構(gòu)件防腐保護(hù)的作用，通過支架將其安裝焊接于圈梁結(jié)構(gòu)的最下層圈梁外側(cè)。

2 集成套籠的優(yōu)點(diǎn)

集成套籠是將外平臺(tái)、靠船構(gòu)件、爬梯以及犧牲陽(yáng)極焊接于圈梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，圈梁結(jié)構(gòu)的最下層圈梁內(nèi)側(cè)布置6處燕尾槽結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的在鋼管樁上焊接6個(gè)牛腿?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，只需將集成套籠吊裝至鋼管樁6個(gè)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(dú)立安裝式的附屬構(gòu)件是需要在鋼管樁上焊接固定外平臺(tái)、靠船構(gòu)件、爬梯和犧牲陽(yáng)極的生根件，在鋼管樁上的焊接工作較多，相比獨(dú)立安裝式的附屬構(gòu)件，集成套籠的優(yōu)點(diǎn)比較明顯。

2.1 對(duì)鋼管樁損傷小

鋼管樁的實(shí)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(fēng)機(jī)塔筒，塔筒頂部安裝風(fēng)機(jī)。由此可看出，鋼管樁的受力狀態(tài)比較復(fù)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(fù)雜的疲勞載荷作用下，如何確保風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)壽命達(dá)到27年，這就對(duì)鋼管樁的制造標(biāo)準(zhǔn)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(dú)立安裝式的附屬構(gòu)件需要在樁身上焊接的生根件數(shù)量較多，在樁身上進(jìn)行焊接工作本身就會(huì)對(duì)樁身母材造成一定損傷，生根件數(shù)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(shí)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(jié)構(gòu)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(gè)牛腿，很容易避免上文提到的焊縫距離和開孔距離問題。對(duì)比獨(dú)立安裝式的附屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)，集成套籠結(jié)構(gòu)減少了在鋼管樁上的焊接工作量，減少了對(duì)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(tái)、靠船構(gòu)件、爬梯及犧牲陽(yáng)極焊接于圈梁結(jié)構(gòu)上形成整體的集成套籠結(jié)構(gòu)，與獨(dú)立安裝式的附屬構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式對(duì)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(fēng)險(xiǎn)，質(zhì)量和安全性更高。

2.3 無(wú)需試裝

獨(dú)立安裝式的附屬構(gòu)件需要安裝于鋼管樁的生根件中，配合面較多，安裝復(fù)雜。為避免出現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法裝配的情況，對(duì)生根件的定位尺寸及附屬構(gòu)件的制作精度要求較高，并且所有附屬構(gòu)件(包括外平臺(tái)、靠船構(gòu)件、爬梯及犧牲陽(yáng)極)均需在制造廠內(nèi)完成預(yù)裝配，因此獨(dú)立安裝式的附屬構(gòu)件的制造精度要求高，對(duì)工人的技術(shù)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(gè)燕尾卡槽，燕尾卡槽直接插到鋼管樁的6個(gè)牛腿中，燕尾卡槽制作時(shí)預(yù)留間隙，可彌補(bǔ)制作偏差，因此集成套籠無(wú)需廠內(nèi)預(yù)裝，對(duì)制造精度和工人的技能水平要求相對(duì)較低。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)施工方便

近年來(lái)，由于國(guó)家對(duì)海上風(fēng)電行業(yè)的高度重視，甚至出臺(tái)了一系列的貼補(bǔ)政策，國(guó)內(nèi)各大電能企業(yè)積極響應(yīng)，紛紛投資建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)，這直接導(dǎo)致海上施工船緊張，海上施工費(fèi)用上漲明顯。獨(dú)立安裝式的附屬構(gòu)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(jìn)行施工，施工難度大，施工周期較長(zhǎng)，施工成本高。

集成套籠的安裝工作相對(duì)較簡(jiǎn)單，只需一次吊裝工作即可完成外平臺(tái)、靠船構(gòu)件、爬梯及犧牲陽(yáng)極塊的安裝工作，集成套籠的6個(gè)燕尾卡槽落到鋼管樁上6個(gè)牛腿，安裝方式簡(jiǎn)單、安裝速度快、安裝周期短、施工成本低。

3 集成套籠的缺點(diǎn)

相比較獨(dú)立安裝式的附屬構(gòu)件，集成套籠的優(yōu)點(diǎn)眾多，但是其也存在一些缺點(diǎn)，例如集成套籠增加了圈梁結(jié)構(gòu)，所需鋼板原材料增多，產(chǎn)品重量增大，集成套籠體積大，不易運(yùn)輸?shù)取?/p>

4 單樁基礎(chǔ)附屬構(gòu)件的發(fā)展趨勢(shì)

通過對(duì)集成套籠和獨(dú)立安裝式附屬構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)的介紹，可以看出集成套籠的缺點(diǎn)是容易被接受的，集成套籠的優(yōu)點(diǎn)是各大設(shè)計(jì)院和建造單位所關(guān)心和關(guān)注的。因此，集成套籠是單樁基礎(chǔ)附屬構(gòu)件的發(fā)展主流。

5 總結(jié)

本文對(duì)集成套籠的組成、各組成部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及各部分的功能作用做了詳細(xì)介紹。通過對(duì)比獨(dú)立安裝式的附屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)，集成套籠具有對(duì)鋼管樁損傷小、整體焊接剛性好、無(wú)需試裝、現(xiàn)場(chǎng)施工方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)集成套籠也存在原材料需要量大、產(chǎn)品重量大、產(chǎn)品體積大等缺點(diǎn)。

通過優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，集成套籠才是單樁基礎(chǔ)附屬構(gòu)件發(fā)展的主流方向。