乔超
青岛武船麦克德莫特海洋工程有限公司 山东省青岛市266520
摘要：单桩基础因其结构形式简单、施工技术成熟，在国内外海上风电场中均得到了广泛应用。目前我国已建成的单桩基础风电项目大部分位于江苏沿海地区，这些地区的地基为软基。
关键词：海上风电单桩基础结构设计
前言：海上风电与陆上风电最大的不同在于基础的不同，基础成本约占整个海上风电场投资的25%，因此降低基础成本有利于提高整个风电场的经济性，推动海上风电的发展。欧洲已经为海上风电设计、施工了将近2000 台基础，其中70% 为单桩基础。国内上海东大桥海上风电项目为高桩承台式基础，该基础现场作业时间长、工作量大、成本高。
一、海上风机基础分析
海上风电机组的基础平台由油气工业中的海上采油平台形式发展而来，目前海上风力发电机组的基础有单桩、三脚架、导管架式基础、重力基础、负压桶基和浮动平台结构等几种。每种基础都有其各自的优缺点，适应不同的海况条件，当设计开发大型海上风电场时，设计一种适合海上风机特殊要求和特定海况条件的基础能够节省前期投入。虽然国外在基础设计方面有很多成功经验，但是国内缺乏海上风机基础设计经验，海上风机基础设计研究对推动我国海上风力技术的发展将起到至关重要的作用。海上风机基础的设计是一个复杂的系统工程，涉及到海洋环境、港口航道、市场经济、海洋结构物的设计、近海桩基工程、海上风机基础特殊载荷、结构分析、基础与地基动力相互作用、风机一塔架一地基一基础系统分析等多个方面，包含众多的设计变量，不同的海上风场特性不同，如何处理其中的多种矛盾，做出合理的设计是很有意义的。国内海上风机桩基础设计研究处于起步阶段，海上风机基础设计研究能够为将来海上风力发电提供参考，对将来进行海上风机基础结构优化设计提供借鉴，对中国海上风力发电事业的腾飞具有举足轻重的意义。桩基础是目前国外海上风机普遍采用的一种相对成熟的基础形式，很多企业和组织在海上风机桩基础的设计和工程施工方面有丰富的经验，但是，各个风场的海况条件不同，结合海上采油平台的丰富经验，海上风机基础的设计优化空间还相当大。
二、海上风电单桩基础结构设计关键问题
1.设计需要确定桩的外径、壁厚、长度等参数即可。根据海上风电机组的结构及受力特点，需要对分析系统的振动性能、单桩基础的屈曲强度、疲劳强度及极限强度。因此在单桩基础载荷及地质条件已知的情况下，结构设计关键问题主要包含以下内容：确定单桩各截面的设计高程、确定系统固有频率、确定桩的外径和壁厚、确定桩的入土深度、桩的屈曲计算、桩的疲劳损伤计算以及极限强度计算。这里所说的设计高程为与水位相关的单桩基础设计高程，包含工作平台的高程、单桩顶部高程和过渡段底部高程。工作平台高程的设计原则是确保在海上风电机组寿命期内，极限波浪打不到平台，即确保极限浪高和平台之间有一定的高度差.单桩基础顶部高程设计参考位置为最低潮位，一般位于最低潮位1m 以上，这样单桩的顶部一般能够在海平面以上，方便施工过程中定位过渡段与单桩的连接。过渡段底部高程设计，过渡段与单桩之间通过水泥灌浆连接，灌浆水泥连接段的长度一般为单桩外径的1.5 倍，因此确定单桩外径与单桩基础顶部高程之后即可确定过渡段底面高程。
2.确定系统固有频率。包含单桩基础的风电机组系统第一阶固有频率是非常重要的，若激励源与第一阶固有频率数值相差较少，就会发生共振现象，造成局部应力较大，从而影响结构的安全性。对于海上风电机组来说，激励源主要为波浪和风。对于波浪载荷需要避开主要疲劳波浪载荷的频率，该频率数需分析具体海况的波浪模型。
对于风载荷，由于风驱动叶轮进行旋转，需要避开正常发电频率（风电机组设计时，正常发电频率称为1P），此外每个叶片的扫掠频率也需要避开，一般风电机组有3 个叶片，因此需要避开1P 和3P 数值。该数值位于1P 和3P 之间，同是也避开了主要波浪疲劳载荷的激励。
3.确定单桩基础的外径和壁厚，设计初始阶段，可以综合考虑加工、制造、施工等因素假设单桩的外径，单桩壁厚与外径的初始之比一般可取1:100，概念设计阶段可认为壁厚不变，在详细设计阶段根据计算结果对壁厚进行优化设计。一般情况灌浆水泥的厚度假定为50mm，灌浆的长度与直径（单桩的外径）之比为1.5。设计初期阶段可以假定过渡段的壁厚与单桩基础的壁厚相同根据海上风电机组系统的固有频率计算结果，调整单桩的外径和壁厚，过渡段的外径随着单桩外径的调整而变化。海上风电机组单桩承受横向和轴向载荷的作用，对于单桩基础来说入土深度一般由横向极限载荷确定。风电机组设计规范中并没有规定入土深度的计算方法，一般采用有限元法进行计算，疲劳破坏为结构在交变载荷作用下的突然破坏，疲劳强度计算的流程如下：结合疲劳载荷及结构在单位载荷下的应力生成应力时间历程，利用雨流计数法对应力时间历程进行处理，生成应力循环，结合材料对单个应力循环的疲劳损伤进行计算，最后将各个循环的疲劳损伤叠加计算结构总疲劳损伤。单桩基础为大型焊接结构，疲劳损伤计算流程与一般结构的疲劳损伤计算类似，这里只就疲劳损伤计算的关键问题进行探讨。参考点的应力一般通过有限元法计算得到，因此在划分网格的时候必须在参考点位置生成单元节点，以便于后面的应力处理。疲劳损伤的计算采用Minner 线性累积损伤准则，认为结构的疲劳损伤仅与应力幅值及循环次数相关，与载荷的施加顺序等因素都没有关系，当各循环次数造成的损伤数值大于等于1 时即认为结构发生疲劳破坏。这里有一点需要说明，对于风电行业的大型焊接结构，从这一点上可以看出风电行业的疲劳强度计算是设计过程中一个非常重要的问题。极限强度计算单桩基础极限强度计算主要指结构在极限载荷下的应力及稳定性。必须确保单桩基础焊缝、应力集中区域在极限工况下的最大应力小于材料的屈服极限，计算结果的判断需要考虑材料的安全系数。为了确保结构的稳定性，单桩基础在泥面处的变形必须限制在一定的范围内。极限强度计算一般通过有限元方法完成，创建单桩基础的三维有限元模型，海床的三维有限元模型，对桩施加载荷得到位移和应力，可以根据计算结果对桩的入土深度进行调整。
三、进一步研究
海上风力发电结构受到长期的复杂的周期性载荷，会对地基土层产生影响。海上风力发电所涉及的领域非常广泛，许多工程问题还有待于进一步的研究和探讨，本文的研究工作仅是对海上风电结构分析的一个初步探讨。自于时间以及作者的能力有限，本文尚存在一些不足之处有待进一步探讨和研究。论文工作还需要从以下几方面进一步拓展：(1)主要针对单桩结构进行研究，还需开展其他形式的海上风力机结构形式的研究。(2)对风轮叶片结构进行了简化处理，在实际工程中风轮转动势必会对结构产生一定的影响，这种影响的大小还需要进一步研究探讨。(3)由于自然风在时间和空间上具有随机性和多变性，而规范中的风载荷公式是一种简化设计，没有考虑风涡激振动对结构的影响，这一工作还需要后续进一步研究。
国内海上风电处于起步阶段，海上风电基础设计是海上风电场建设的重要环节，迫切需要开发出适合国内海况、海床地质条件、加工制造及施工等条件的安全经济基础形式。本文就单桩基础设计关键问题进行探讨。
参考文献：
[1]姚兴佳，隋红霞，刘颖明，王晓东．海上风电技术的发展与现状．上海电力．2017(2)
[2]李晓燕，余志．海上风力发电进展．太阳能学报．2019(2)
[3]刘琦，许移庆．我国海上风电发展的若干问题初探．上海电力．2019(2)
作者简介：乔超?，男，1985年-，山东青岛人，学士，结构工程师。研究方向：海洋工程。