海上风机单桩基础设计关键技术，水平荷载

海上风电基础型式众多，单桩基础具有结构简单、受力明确、建造及施工工艺简单、施工周期短、经济性好等优点，且风机建成后占海面积较小、对海洋环境影响较少，是目前海上风电场应用最为广泛的风电机组基础型式。据统计，目前全球海上风电机组80%以上的基础都是采用单桩型式。随着海上风电机组容量不断增大，轮毂高度及载荷不断增加，单桩基础不断向大直径方向发展，桩径达6~10m。大直径单桩基础具有承载力高、沉降量小且均匀等特点，同时兼顾经济性，具有广泛的应用空间。

单桩基础的应用和特点

单桩基础，这里特指单立柱单桩基础，是桩（承）式基础机构中最简单、应用最为广泛的一种基础型式。

海上单桩基础要承受组合载荷，包括结构体的轴向力（自重）、重复的水平载荷、弯曲力矩和扭矩。整个载荷随环境条件和机械运行情况的变化而变化。

基础必须能够在海上风机的生命周期内（一般25年甚至更长），在预设场址上基础顶部承受的大量来自各个方向、具有不同幅度和频率的风力和流体动力（海浪、洋流、潮汐等）所带来的载荷和冲刷作用，以及插入海床内的部分受到的海床反作用力。另外，在特殊海域范围内，还需考虑浮冰等带来的载荷变化和撞击影响。甚至，还应根据地理环境特点按概率考虑地震载荷的影响，以及锤击沉桩施工、船舶停靠或事故撞击等载荷影响。

在选择风电机组基础型式时，通常要综合考虑到风电机组基础使用的海水深度、地质条件、环境条件、加工制造能力、施工装备能力以及经济性等因素。根据基础型式特点及实际工程经验，单桩基础一般适用于水深在0~40m范围内、海床较为坚硬的的水域。

单桩基础设计关键技术

根据《海上风电场工程风电机组基础设计规范》（NB/T10105-2018）选用荷载工况、荷载组合、荷载作用分项系数与组合系数，并进行结构强度计算。一般考虑四种极限状况，包括正常使用极限状况(SLS)、承载能力极限状况(BLS)、疲劳极限状况(FLS)和偶然(事故)极限状况(ALS)，进行不断迭代优化的程序化设计。单桩基础主要设计流程见下图。

图1 单桩基础主要设计流程

海上风机单桩基础设计是一个影响因素多、相互关系复杂的体系化工作，涉及到的主要关键技术及问题如下。

1承载能力设计

由于海上风电机组结构属于典型的高耸结构(轮毂高度一般近百米)，通常水平环境荷载及弯矩主导地位。因此，单桩基础的竖向抗压、竖向变形一般较容易满足，而水平变形相对不容易满足，过大变形将严重影响风电机组设备的正常工作，极端情况下甚至会发生单桩基础倾斜、倒塌等严重事故。桩基承载能力计算一般采用《港口工程桩基规范》(JTS 167-4-2012)推荐的方法，主要分为轴向荷载能力、水平荷载能力两方面。

01、轴向荷载能力

按照承载能力极限状态进行结构分析计算，能够获得极端海洋环境作用下桩顶最大轴向荷载。单桩最终轴向承载能力包括桩端承载能力、轴摩擦能力两部分。

此外，需考虑施工因素(如锤击沉桩等)，选择合适的t/D，避免单桩基础施工时出现强度及稳定问题。

02、水平荷载能力

直观上认为，海浪载荷对海上风机的影响力会高于载荷。然而，经过分析发现，就所产生的倾覆力矩而言，与转子推力对风载荷的反应相比，海浪载荷通常只产生很小的作用。这是因为与整体塔筒长度相比，海浪载荷产生的弯曲力矩的力臂较小，在考虑对基础系统上的整体倾覆力作用时，转子推力的力臂较长。

p-y曲线法在传统桩基水平变形分析中应该广泛，被美国石油协会（API）所采用。但在使用该方法设计海上风电机组单桩基础时应谨慎，因为该方法的使用可能会超出其验证的范围。并且该规范是在长桩获得的、有限经验数据而建立的方法，弯曲效应很明显。与此相反，现有的海上风机单桩基础，尤其是大直径单桩基础，其长度直径比低于10，刚性性能明显。因此，p-y曲线法在设计海上风机单桩基础时存在局限和不确定性。目前，较多应用三维有限元数值仿真分析方法，对单桩基础的水平荷载能力进行分析，确定基础最小埋深。

2结构体系避振设计

单桩支撑结构整体刚度相对较柔，不满足设计要求的支撑结构自振频率极易导致结构发生较大振动，从而降低机组设计寿命。

在避振设计中，基础支撑结构通常有3种可选方式，见下图。

图2 作用在风电机组上不同激振频率对应的能量谱密度

一是“柔-柔”型式，即海上风电整机结构固有频率小于1P下限。这种形式过于太灵活，固有频率易与波浪谱、风谱的主频重合，在波浪和风等外界载荷作用下发生共振；

二是“刚-刚”型式，即固有频率大于3P上限（对三叶片风机而言）。这种型式过于死板、沉重，虽然能避开共振，但工程量大、造价高。

三是“刚-柔”型式，即固有频率大于1P上限且小于3P下限，处于远离1P和3P的约10%范围内。这种型式可兼顾避振与技术经济性。

研究表明，桩径D比壁厚t对固有频率的影响更显著，在基础避振中，应重点对单桩基础的直径开展对比设计分析。

此外，海上风电整机结构(风机+塔筒+基础+地基整体结构)固有频率需要避开风轮转动频率(1P)和叶片通过频率(nP)范围，并考虑一定的安全裕量。整机固有频率应考虑水深、冲刷深度、海生物附着厚度、结构腐蚀、阻尼、附属结构质量和海水附加质量等因素变化的影响，确定整机固有频率的上限和下限，确保整机n阶固有频率的上、下限符合：

下限不小于1.05倍风轮转动激励频率；或

上限不大于0.95倍风轮转动激励频率。