單樁基礎集成套籠的結構特點和發展趨勢的探討

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

風力發電以其低碳、環保、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展階段。據統計，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展的需求，充分發揮和利用海洋資源，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，船停穩后安裝人員或檢修人員佩戴安全帶，安全帶掛于速差器環眼，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。現場安裝時，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，集成套籠的優點比較明顯。

2.1 對鋼管樁損傷小

鋼管樁的實際工作狀態是，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縫和縱縫不小于300 mm，樁身開孔的孔邊緣距離樁身環縫、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，整體受力狀態好，避免出現生根件掉落的風險，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。為避免出現施工現場無法裝配的情況，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 現場施工方便

近年來，由于國家對海上風電行業的高度重視，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、現場施工方便等優點，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。

通過優缺點對比，集成套籠才是單樁基礎附屬構件發展的主流方向。