海砂混凝土-FRP材质的海上浮式风电基础

海砂混凝土-frp材质的海上浮式风电基础
技术领域
1.本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种海砂混凝土-frp材质的海上浮式风电基础。


背景技术：

2.我国海上风能资源丰富、风力稳定且风速较高，在我国海洋强国和开发利用可持续发展的清洁能源的背景要求下，利用浮式风电开发利用海上风能成为了我国海上能源开发利用的重要趋势。而海洋环境复杂多变，不仅有恶劣的风浪流载荷，也有高盐度高腐蚀性的特点，这极易威胁到海上浮式风电基础的结构安全性和使用寿命，针对这一问题，需要设计一种新型材质的海上浮式风电基础。
3.目前广泛使用的海上浮式风电基础形式之一为钢铁材质，而我国工程建设日益增多，钢铁价格逐步上涨，经济成本提升。由于海洋具有高盐度、高腐蚀性和恶劣复杂的海况，传统的钢铁材质的浮式风电基础在海洋环境下极易发生钢铁结构腐蚀的现象，导致浮式风电基础的结构强度和力学性能发生变化，进步导致海上浮式风电的安全性和使用寿命降低。因此，本专利发明了一种海砂混凝土-frp材质的海上浮式风电基础，能有效降低浮式风电基础的经济成本，也能提高浮式风电基础抵抗复杂海洋环境影响，增强浮式风电基础的结构强度、力学性能和抗腐蚀性，改善浮式风电基础的动力响应性能，提升海上浮式风电基础的经济性、安全性和使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明提供一种海砂混凝土-frp材质的海上浮式风电基础，能够提升浮式风电基础的动力响应性能，并增强结构强度、力学性能和抗腐蚀性，提升海上浮式风电基础的经济性、安全性和使用寿命。
5.本发明的技术方案是，一种海砂混凝土-frp材质的海上浮式风电基础，包括底浮箱和其周边均匀分布的至少3根立柱，且底浮箱及立柱均采用海砂混凝土浇筑的壁面围合而成，底浮箱和立柱内部中空，海砂混凝土内嵌frp纤维包裹的钢筋。
6.进一步地，所述frp纤维包裹钢筋时钢筋位于中心，frp纤维由缠绕并粘合在钢筋上；frp纤维的厚度应≤0.6mm。
7.进一步地，海砂混凝土内部横向及竖向交错布置frp纤维包裹的钢筋。
8.进一步地，海砂混凝土浇筑的壁面两侧点阵分布有多个栅格，栅格采用frp纤维交错塑造压制成型。
9.进一步地，frp栅格的厚度为4~8mm；栅格大小为200*200mm，栅格可为“田
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字形或“口
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字形，栅格宽度为100m~300mm。
10.进一步地，frp纤维是采用玻璃纤维、碳纤维与树脂材料胶合后，缠绕或拉拔成型。
11.进一步地，海砂混凝土中含有粗骨料及细骨料，其中粗骨料为10~20mm的海底砂石，细骨料为4~10mm的海砂。
12.进一步优选地，其底浮箱包括3跟条状结构均匀从中心向四周延伸而成，立柱位于条状结构远离中心的一端。
13.本发明具有以下有益效果：1.frp纤维包裹在钢筋上能保护钢筋不被海洋的腐蚀，并能显著提高结构的抗拉和抗剪切性能，使结构在恶劣的海洋环境损伤大幅度减小。
14.2.采用海砂为主要骨料制成海砂混凝土具有开采方便、价格较低的优点，能避免河沙稀缺和运输费用较高的缺点，较大程度减小了工程成本。
15.3.海砂制备的混凝土更能适应海洋的弱碱性环境，能有效降低结构被海水侵蚀的速度，能较好保证结构的完整性和动力学性能，大幅增大了维修周期。
16.4.frp栅格通过混凝土浇筑时内嵌固定在浮式风电基础的外壁面，能提升构件局部部位的截面受弯、受剪及混凝土抗压强度，提升结构的力学性能。
17.5.海砂混凝土-frp材质的海上浮式风电基础相对于传统钢铁材质，其底部浮箱浇筑壁面浇筑的更厚，使浮式风电基础与塔筒相连部分能抵抗更多由风机塔筒带来的弯矩，提高了安全性。
18.6.海砂混凝土-frp材质的海上浮式风电基础相对于传统钢铁材质的浮式风电基础重量更集中于基础底部，重心更低，增大了浮式风电的稳性。
19.7. 海砂混凝土外壳点阵布置frp栅格，加强混凝土外壳的结构刚度，在混凝土外壳产生裂缝时frp栅格也能连接裂缝，防止混凝土结构脱落，保证整体结构的完整性，提升使用寿命。
20.8. 底浮箱和立柱内部中空，可存放浮式风机能量转换装置或者维修工具。
附图说明
21.图1是实施例1中海上浮式风电基础立体图。
22.图2 是实施例1中的海砂混凝土-frp材质与内部结构示意图。
23.图3是本实施例1中海砂混凝土-frp材质的浮式风电基础壁面结构示意图。图中：1—贯通筋，2—箍筋，3—海砂混凝土， 4—frp栅格。
24.图4是实施例1中frp纤维缠绕包裹钢筋的示意图，图中：5—钢筋，6—frp纤维。
25.图5为两种材质的浮式风电基础的纵荡运动对比。
26.图6为两种材质的浮式风电基础的垂荡运动对比图。
27.图7为两种材质的浮式风电基础的纵荡摇动对比图。
28.图8为两种材质的浮式风电基础的塔基弯矩对比图。
具体实施方式
29.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
30.实施例1：一种海砂混凝土-frp材质的海上浮式风电基础，其结构图如图1所示，包括底浮箱和其周边均匀分布的3根立柱；其中底浮箱采用3跟条状结构均匀从中心向四周延伸连接而成，立柱位于条状结构远离中心的一端。
31.该结构的立柱处海砂混凝土壁厚为200mm，底部浮箱壁厚为400mm，frp栅格为“田
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字形，大小为200*200mm，海砂混凝土由粗骨料及细骨料制成，其中粗骨料为10~20mm的海底砂石，细骨料为4~10mm的海砂。
32.其底浮箱及立柱均采用海砂混凝土浇筑的壁面围合而成，底浮箱和立柱内部中空，底浮箱和立柱内部可存放维修设备和储能装置，海砂混凝土内嵌frp纤维包裹的钢筋。
33.壁面细节图如图3所示。其中钢筋采用frp纤维缠绕包裹，包括贯通筋和箍筋，贯通筋和箍筋均在海砂混凝土灌注时固定在设计位置，其中贯通筋是沿着风电海砂混凝土基础结构的周向布置，箍筋则是沿着风电海砂混凝土基础结构的竖直方向布置。贯通筋抵抗竖直方向的受拉和剪切力，箍筋抵抗周向的受拉和剪切力，frp纤维缠绕包裹钢筋可保护钢筋不被海水或海砂混凝土的盐度腐蚀，并可提升混凝土结构的力学性能。
34.frp纤维由自动化机器将其密缠绕并粘合在钢筋上，成型方便快速并降低了经济成本。
35.frp栅格是由自动化机器塑造压制成型，其栅格大小由所固定的位置所决定。frp栅格安放固定在的海砂混凝土的外壁处。frp栅格可以提前布置，一体浇筑成型，可防止海砂混凝土产生裂缝并导致混凝土结构脱落。
36.海砂混凝土-frp材质的海上浮式风电基础底浮箱壁厚为立柱壁厚的2倍，重心更靠下，稳性更好。
37.本设计采用的海砂混凝土-frp材质，海砂混凝土的外壳内部盐度与海水相似，不易被海上腐蚀，frp材质的筋缠绕钢筋可提升钢筋的拉伸性能，同时保护其不被海砂混凝土的盐度腐蚀，同时在海砂混凝土外壳点阵布置frp栅格，加强混凝土外壳的结构刚度，在混凝土外壳产生裂缝时frp栅格也能连接裂缝，防止混凝土结构脱落，提升使用寿命。
38.采用本发明提供的海砂混凝土-frp材质与传统钢铁材质的海上浮式风电基础进行对比，计算在波高2m，风速11.4m/s下的发电工况下采用钢铁材质和海砂混凝土-frp材质的动力响应，两种材质的浮式风电基础的纵荡运动对比、垂荡运动对比、纵荡摇动对比及塔基弯矩对比如图5~图8所示。
39.由上图可得出，采用海砂混凝土-frp材质的浮式风电基础，相对于钢铁材质的浮式风电基础，纵摇运动幅度减小约10%，塔基最大弯矩减小约8%，即采用海砂混凝土-frp材质的浮式风电基础拥有更好的动力响应性能，提升了浮式风电基础的力学性能和安全性。
40.以上示意性的对本发明进行及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种海砂混凝土-frp材质的海上浮式风电基础，其特征在于：包括底浮箱和其周边均匀分布的至少3根立柱，且底浮箱及立柱均采用海砂混凝土浇筑的壁面围合而成，底浮箱和立柱内部中空，海砂混凝土内嵌frp纤维包裹的钢筋。2.根据权利要求1所述的海上浮式风电基础，其特征在于：所述frp纤维包裹钢筋时钢筋位于中心，frp纤维由缠绕并粘合在钢筋上；frp纤维的厚度应≤0.6mm。3.根据权利要求1所述的海上浮式风电基础，其特征在于：海砂混凝土内部横向及竖向交错布置frp纤维包裹的钢筋。4.根据权利要求1所述的海上浮式风电基础，其特征在于：海砂混凝土浇筑的壁面点阵分布有多个栅格，栅格采用frp纤维交错塑造压制成型。5.根据权利要求4所述的海上浮式风电基础，其特征在于：frp栅格的厚度为4~8mm。6.根据权利要求1~5任意一项所述的海上浮式风电基础，其特征在于：frp纤维是采用玻璃纤维、碳纤维与树脂材料胶合后，缠绕或拉拔成型。7.根据权利要求1~5任意一项所述的海上浮式风电基础，其特征在于：海砂混凝土中含有粗骨料及细骨料，其中粗骨料为10~20mm的海底砂石，细骨料为4~10mm的海砂。8.根据权利要求1所述的海上浮式风电基础，其特征在于：其底浮箱包括3跟条状结构均匀从中心向四周延伸而成，立柱位于条状结构远离中心的一端。9.根据权利要求8所述的海上浮式风电基础，其特征在于：立柱混凝土外壳壁厚为200~300mm，底部浮箱混凝土外壳壁厚为300~400mm；frp栅格布置间隔为2~3m。

技术总结
本发明提供了一种海砂混凝土-FRP材质的海上浮式风电基础，包括底浮箱和其周边均匀分布的至少3根立柱，且底浮箱及立柱均采用海砂混凝土浇筑的壁面围合而成，底浮箱和立柱内部中空，海砂混凝土内嵌FRP纤维包裹的钢筋。海砂混凝土内部横向及竖向交错布置FRP纤维包裹的钢筋。海砂混凝土浇筑的壁面两侧点阵分布有多个栅格单元，栅格单元采用FRP纤维交错塑造压制成型。本发明采用上述结构及材质，能够提升浮式风电基础的动力响应性能，并增强结构强度、力学性能和抗腐蚀性，提升海上浮式风电基础的经济性、安全性和使用寿命。安全性和使用寿命。安全性和使用寿命。


技术研发人员：樊天慧 薛洋洋 曾俊杰 刘运志 杜昱宏 马远 方剑虎 熊仁树 滕华灯 王凯
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/5/26