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摘要：随着经济社会的持续快速发展，海上风力发电事业迎来了前所未有的重大发展机遇，如何采取有效方法与措施，切实优化海上风电场基础结构设计总体成效，成为业内广泛关注的焦点课题之一。基于此，本文首先介绍了海上风电场基础结构设计的基本内容，分析了海上风电场基础结构荷载及样式，并结合相关实践经验，分别从风机运行荷载以及海洋环境荷载等多个角度与方面，就海上风电场基础结构设计方法展开了探讨，阐述了个人对此的几点浅见，望对海上风电场基础结构设计有所裨益。
关键词：海上风电场；基础结构；设计方法；对策
引言：
当今社会，经济发展质量显著提升，能源结构调整进程持续深化，对海上风力发电提出了更高要求，使海上风电场的整体运行效能面临着更多的不确定性因素。当前形势下，必须宏观审视海上风电场基础结构设计的核心要素与关键环节，综合施策，切实提升基础结构设计水平。本文就此展开了探讨。
1海上风电场基础结构设计简述
风能是一种清洁能源，在国家能源结构体系中占据着关键地位，对于降低传统能源消耗，减少污染物排放等方面发挥着不可替代的重要作用。海上具有丰富的风能资源，对于有效收集风能资源具备良好的先天性条件，在海上风力发电技术日趋现代化的背景下，海上风电场建设事业得以大力推进实施。长期以来，国家相关部门高度重视海上风电场的建设与发展，在基础结构设计标准化建设、方法过程控制、设计效果评价等方面制定并实施了一系列重大方针政策，为高质高效地推进海上风电场建设提供了基本遵循与方向引导，在海上风力发电技术领域取得了令人瞩目的现实成就，积累了丰富而宝贵的实践经验，为新时期海上风能资源挖掘与利用注入了强大动力与活力[1]。同时，广大海上风力发电企业及科研机构同样在创新基础结构设计方法，优化基础结构设计流程等方面进行了大量卓有成效的研究与探索，效果显著，使海上风电场的整体综合效益进一步优化提升。尽管如此，受主客观等多方面要素的影响，当前海上风电场基础结构设计实践中依旧存在诸多短板与不足，阻碍着其整体效益的优化提升，必须给予高度重视。上述背景下，深入探讨海上风电场基础结构设计问题，具有极为深刻的现实意义。
2海上风电场基础结构荷载及样式分析
2.1基础结构荷载分析
海上风电场基础结构的荷载分析是实施相关设计工作的首要环节与步骤，对于从整体角度把握基础结构的稳定性与可靠性具有关键作用。在当前技术条件下，基础结构荷载的主要内容可分为风轮机运转荷载与海洋环境荷载两个方面，上述两种类型的荷载方式具有不同的适用环境、不同的设计技术方法以及不同的参照标准与要求，在实际运行状态中的影响范围也存在显著差异。以风轮机运转荷载为例，由于其动能主要来自于风力推动，在风机叶片的转动下发出相应作用，因此应全面考量并妥善处理单桩结构下的动力耦合响应问题，通过概率分布调整优化其倾覆力矩[2]。
2.2固定式结构分析
在海洋环境下，海上风电场受流体力学的影响极为显著，这使得海上风电场基础结构与陆地风电场基础结构存在显著差区别，应根据海洋环境实际综合选择相应的结构样式，固定式结构便是其中之一。海上风电场基础结构具有较大的水平荷载及倾覆力矩，而竖向荷载却较小，这有助于优化提升固定式结构的稳定性与可靠性。在固定式结构方式下，其原材料成本及设计过程相对简便，可通过有限元分析方法验算单桩结构下筒形基础的抗拔能力，在三维数据分析模型的支持下对瞬态循环荷载进行优化调整，防止其荷载刚度出现退化问题[3]。
2.3浮动式结构分析
部分海域深度较大，海底环境复杂，起伏波动显著，无法为海上风电场固定式结构结构的运用营造良好条件，此时可采用相对灵活的浮动式结构结构样式。浮动式结构设计应重点考虑基础结构的纵向摇动和横向摇动情况。在相关领域的基础研究中，部分发达国家研发出了三浮体结构、张力腿结构等多种浮动式结构，大大提升了海上风电场基础结构的可靠性与稳定性。同时，可通过采用三维集中质量模型等技术方法，对气动阻尼、剪力作用、响应幅值、耦合动力、叶片螺距等数据技术参数指标进行精准计算，有效控制浮动式基础结构的疲劳寿命。
3海上风电场基础结构设计方法探讨
3.1风机运行荷载设计
现代科学技术的快速发展，为海上风电场基础结构设计中的风机运行荷载设计提供了更为丰富的技术手段，使技术人员在设计工具与方法方面具备了更为广阔的选择余地，使得传统模式下难以完成的荷载设计任务具备了更大的可行性。在风机运行荷载设计中，应积极引进现代信息化设计手法，搭建基于计算机技术、网络技术、数据分析处理技术的可视化信息管理平台，将复杂抽象的海上风电场基础结构受力状态直观形象地展现出来，提高风机运行荷载设计技术参数的准确性与全面性。通常情况下，海上风电场风轮机可分为横向轴与纵向轴两种模式，其中以前者应用相对广泛。在此环节，应将风轮转动、风机偏航及叶片弯曲振动等参数予以充分考虑，计算相应的塔顶荷载，防止荷载频率过大或过小[4]。
3.2海洋环境荷载设计
海洋环境荷载设计的主要影响因素包括风力、波浪、冰雪、沉降及地震等。由于海洋环境下风力的形成条件更加优越，空气流动阻力相对较小，因此需要在准确把握和分析风轮机阻力荷载与运行荷载外，还要考虑不同风向条件下的拖拽力及涡激升力（如图1所示）。研究表明，在纵向风环境中海上风电场基础结构所遭遇到的脉动拖拽力更为显著，其受力状况与涡激升力的频率与振幅之间呈正相关关系。在波浪荷载方面，其通常用有义波高和峰值周期来表示。海上风电场基础样式不同决定着塔架结构样式的差异，因此应对波浪荷载的涡激振动进行有效计算。此外，还应在研判海床地层性质的基础上，统筹协调海上风电场抗冰设计及抗震设计等要素，防止海底海水频繁流动而对基础结构造成的冲刷与侵蚀效应。
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图1 荷载工况设计流程示意图
3.3基础构造设计
随着结构力学与流体力学等方面基础研究的不断深化，海上风电场基础结构设计方法趋于多样化，实现了基础结构设计效果的持续优化提升，为优化海上风电场整体运行效果做出了突出贡献。在当前技术条件下，海上风电场基础结构设计方法主要包括工作应力法、荷载抗力系数法、规范应力法等等。上述不同的设计方法所参照的技术标准与规范各不相同，但所取得的设计效果所差无几。以工作应力法为例，其主要通过区分荷载类型与内力性质，采用集中化的荷载评价分析过程，确定荷载系数及安全系数，并对基础结构的荷载效应和许用应力进行仿真模拟，使最终形成的设计方案更具针对性和实效性。再如荷载抗力系数法，其采用极限状态设计理念，将海上风电场基础结构设计效果置于各种模型化的极端条件下，分析其疲劳状态曲线，得出相应的设计参数。
3.4荷载及安全系数设计
在现代海上风电场基础结构设计中，荷载及安全系数设计始终占据着关键地位，其设计过程中的主要影响因素包括基础结构的安全系数、材料性能的疲劳系数、基础结构失效的危害性及修复难度系数等。与海洋石油平台不同，海上风电场基础结构设计所采取的荷载及安全系数设计标准应更具专业化、规范化特征，并在极限荷载系数、疲劳设计系数等方面做出差异化处理。放眼国际范围内的海上风电场基础结构设计，部分发达国家和地区在充分考虑海底土质及海床构造特点、环境荷载、安装施工成本等方面要素的基础上，创造性地开发出多类型、多模块的荷载及安全设计方法，取得了良好设计效益[5]。
4结语
综上所述，受设计方法、结构样式、效果评价等方面要素的影响，当前海上风电场基础结构设计实践中依旧存在诸多方面的薄弱环节与不足之处，阻碍着基础结构整体性能的优化提升。因此，有关人员应该从海上风电场的客观实际需求出发，充分遵循基础结构设计基本原理与规律，创新设计方式方法，强化设计过程控制，切实优化基础结构设计效果，为全面有效发挥海上风电场的整体效益保驾护航。
参考文献：
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[2]苗慧峰，孙光菲.渤海湾跨海大桥桥区水域通航安全风险及防控建议[J].应用能源技术，2019，17（11）：303-304.
[3]黄智军.李向阳.青岛港海上风电场通航安全风险评价与海事监管研究[J]，上海海事大学学报（社会科学版），2020（01）：115-116.
[4]元国凯，李强.基于模糊控制理论的海上风电场建设施工期风险点的识别与控制[J].交通企业管理，2019，36（03）：40-43.
[5]范骏杰，陈元林，吴比翼，范玉鹏.基于AIS和GIS的海上风电场船舶监控系统软件设计方法分析[J].中外船舶科技（专业版），2019（20）：91-95+100.