单桩基础设计的优化原则与挑战

（一）设计方法

海上风电场风力机支持结构的设计同其他在海上作业的结构一样，基于4种设计极限状态，即最大极限状态（ULS）、疲劳极限状态（FLS）、故障极限状态（ALS）和正常使用极限状态（SLS）。使用下列一种设计方法：

（1）根据载荷和载荷效应的线性组合，确定部分安全系数并进行设计。

（2）联合载荷效应和直接载荷模拟过程，确定部分安全系数并进行设计。

（3）通过测试的辅助设计。

（4）基于概率原理的设计。

只有方法（1）和方法（2）可以用于基础的一系列设计。方法（1）是最常用的方法。它结合了材料的阻力系数（与材料类型有关；是否属于ULS、FLS等；基础类型；材料的可检验性）和作用载荷上的载荷系数（是否ULS或FLS；固定载荷还是变化载荷）。

方法（2）也结合了阻力和载荷系数，但是并没有规定怎样的载荷组合方式从而得到具体的重现周期。例如，考虑用DNV-OS-J101进行海上风电场及风机结构设计。

表6-2-2　ULS载荷组合

表6-2-2用方法（1）在最大极限状态下描述了5种载荷情况。载荷情况1表示50年风况重复，5年海浪重复以及5年水流重复。给出的环境载荷因素随着劳动力而增长，结构阻力随阻力系数降低，这些情况下的结构仍需要满足强度标准，如钢的屈服强度。

在方法（2）中同样使用了阻力系数，但组合方式与方法（1）不同。通过仿真计算得出与50年重现周期相关的最大似然估计，所得结果接受与方法（1）相同的强度检验。

虽然方法（1）较传统，但更简单易懂。当设计海上风电场结构基础时，需考虑几千种载荷组合运行情况，方法（2）有应用的局限性。

（二）设计极限状态

1.最大极限状态

最大极限状态与最大载荷阻力相关，对结构的整个寿命中所有可能发生的极端负荷情况进行测试。对于20年寿命而言，一般设计50年或100年的重现周期。50年重现周期对于海上风电场来说是最大值。这样，基础结构在合理的范围内且产生的故障不会引起灾难性破坏。最大极限状态在海上风电基础结构中不受控制。一般而言，其疲劳状态是受控的。

2.疲劳极限状态

疲劳极限状态对应于循环载荷失效。即所谓的疲劳损伤在材料上产生重复压力。疲劳极限状态由振幅和频率控制，与频率呈线性关系（振幅相同时），与振幅呈三次方或四次方关系。海上风电单桩基础疲劳损伤为主。风机单桩基础的支撑结构有着与海浪频率及叶片扫过时的固有频率十分接近的固有频率，这导致结构具有很强的疲劳敏感性。

旋转叶片产生大量阻尼（此处为气动阻尼），使叶片看起来像个大风扇，气动阻尼可高达5%，与结构阻尼的1%相比是非常高的。然而，若风和海浪分布不呈直线（即“未对准”案例），气动阻尼不会对海浪产生阻尼影响。在这种情况下，当设计频率接近固有频率时，结构/土壤/辐射效应必须提供必要的阻尼，这是十分重要的。一个固有频率在0.3Hz左右的典型单桩结构，离波能量频率值不远。

阻尼是关键，对于单桩型的支撑结构，研究结构的非气动阻尼作用十分重要。只在中心有偏离的情况下考虑阻尼作用。较高的非气动阻尼将显著减少钢材量。因为规范通常只关注常规的结构阻尼因数，导致这一点长期被海上风电业忽略，造成单桩基础的过度设计。

3.正常使用极限状态

正常使用极限状态相当于正常运行时可使用的偏差标准。长时间工作导致结构强度的增加，因而允许有适当变形。目前，在工业界存在广泛争议的是海床正常操作情况下的变形度允许范围。虽然尚没有固定的数值，但可以看出一个小的变形度将意味着数米的额外单桩长度。对于一个大型风电场，额外的钢材料可算成几百万欧元的成本。目前正在进行这方面的研究，这也是设计方和认证方争论的焦点，此问题还没有真正得到解决。

4.其他设计考虑因素

（1）冲刷防护。选择合适的冲刷防护系统是单桩基础设计中的必要部分。

在静态冲刷保护下土壤不会产生凹陷，避免了需要提前摆放过滤器石头（石头直径60mm）。由于加入防护系统，在材料和安装上会增加成本，但因为单桩的固定位置在海床上或者相当接近海床，防护系统对此具有一定的优势。如果每个机位的单桩长度减少1～2m，对于50个机位来说，就可为项目节省1～2个单桩长度，即100万～200万英镑的投入，这还不算省去的石头成本。

动态冲刷保护不需要提前摆放过滤器，但需额外增加桩的长度。这些因素都要在早期基础设计过程中予以考虑。

（2）灌浆连接。连接片与单桩顶部的灌浆连接对于单桩基础设计是个薄弱环节。自从挪威船级社在2009年9月发行的标准DNV-OS-J101中出现了公式错误，人们为了找出原因做了很多工作，并提出解决办法以及修订设计标准。简单来看，设计缺陷在于灌浆连接的直径大于单桩顶部及连接片壳体的壁厚。灌浆接点并不一定是混合接点，如果这是主要原因，则灌浆接点及接点周围的各个零件必须有更高的强度、刚度和持久性。水泥在接点不能承受或者仅能承受张力，长时间以后水泥会产生裂缝，从而导致极小的纵向承载力。如何克服这些问题，有三种解决方案：①在单桩顶部配备带支架的过渡段，并且将垂直载荷通过轴承转移到单桩顶部；②在单桩上部配备有剪切键的过渡段，剪切键能够转移垂直载荷并且可以通过水泥灌浆来压缩；③改变过渡段的几何尺寸并使单桩的上部变为锥形连接，从而通过压缩的水泥灌浆带来垂直载荷。选择其中一种解决方案，既可以用来作为缓解办法和也可以作为一种新的结构。

如果一个单桩项目采用了不带过渡段的单桩，这意味着会直接在焊到单桩顶部的法兰上打桩。此外，海上风电场还需要安装二次结构，如船泊位、J形管、工作平台等，笼状结构也是必需的。若无法达到安装条件，可以通过采用楔形补偿法兰环来安装单桩。(www.xing528.com)

5.小结

（1）疲劳极限来源于单桩及其过渡部件上的附属装置的焊接细节。焊件之间的摩擦带来较强的应力集中，大大减少了所需的板尺寸。

（2）使用较低品位的钢，因为其疲劳程度独立于屈服应力。

（3）单桩基础的设计过程就是桩直径优化的过程（以期达到所需刚度和最优的固有频率），同时，设计过程也是基于疲劳计算的最小化壁厚过程。

（三）结论与建议

1.欧洲的经验教训

（1）技术项目发展是由工程师带动的。

（2）决定承包策略使其适合具体的标准（多项承包、工程总包、公司服务提供、目标控制、融资模式、项目团队资质、承包商资质、时间限制、早期产品等）。

（3）一开始就要把事情做对。

（4）鱼和熊掌不能兼得，不要期望同时用有经验的人和无经验的人而保持高质量和低成本。

（5）详细的土壤调查是工作的重中之重。

（6）无风电机组无工程。因此，要尽早地给出项目中具体的风电机组，从而进行具体的地基设计。

（7）保证项目中最昂贵部分的市场竞争力，基于信任和经验选择好的顾问。

（8）了解并接受海上风电行业还只是一个新的未经测试的行业。

（9）接受海上风电行业并不能像海上石油和天然气工业一样获得资源，我们需要更为廉价而可行的解决方案。

（10）在设计、建设以及运行风电场时，务必将安全问题放在首位。

（11）承包商的本能就是追求利益的最大化，因此不要忘记乘上相应的“系数”。

（12）不要忘记承包商总追求利益的最大化而不是工程的利益。

（13）不要相信最低的价格能够具有最好的质量，否则往往适得其反。

2.中国海上风电

（1）造价：与欧洲相比，中国具有相对较低的劳动力成本。在其他部分中，这是中国的巨大优势。在材料价格方面，以结构钢材为例，其价格与欧洲相当，甚至更高。

（2）单桩是低劳动密集型的产品，但是却要求相对大型的钢材，类似于一个导管架。因此，单桩的制造能够利用到中国的竞争优势，但是它只是制造和施工最为简单的子结构。

（3）单桩在中国的适用性，无论在哪里都取决于土壤条件、风、海浪的条件、水深和涡轮大小。如果风和海浪情况确实比北海（作者对这里的情况比较熟悉）友好，中国将很有可能将单桩推到超过35m深的位置，使其出力达到4MW，但是对于大型风机则不可能。因此，针对欧洲和中国的海浪、风和土壤条件进行详尽的比较研究将具有很大的价值。

（4）风场土壤条件是一个重要的决定因素。中国靠近主要城市的大河口具有非常厚的砂石沉淀，这意味着，淤泥沉积物延伸至海岸附近，导致土壤的顶部非常柔软，因而不适合建单桩基础。在这种情况下，单桩基础要建得更远一些才更合适。

（5）另外，制造的限制也很重要。欧洲最大的单桩直径为6m，壁厚120mm。如果中国能够将单桩直径制造为6m，壁厚150mm，就有应用的价值。

（6）设计中必须考虑台风。总的来说，导管架结构更加适合抵御恶劣的环境条件。

（7）波浪载荷对重要的风电场场址意义重大。中国跨越式发展的可能性就在于整个单桩产业，最终归结到导管架结构的批量制造。导管架结构容易扩展到适合一定尺寸范围内的风力机型号和海水深度。单桩结构只有当支撑结构疲劳不敏感时才可使用，即小范围内固有频率的改变不影响组件尺寸。导管架结构比较适合疲劳敏感的结构。

（8）总的来说，标准化是关键。但是这以环境条件变化比较平缓或者保持不变为前提。若环境条件变化比较平缓，能够简单地标出基础承受最差情况；若环境条件保持不变，能够设计出管理条件，所选场址的水位变化必须在一个较小的范围内，如果水深范围过大则超出了规定的标准。中国未必具有如此理想的区域，但中国接近理想的区域与拥有剧烈的风、波浪以及时常变化土壤特征的北海相比，更适合海上风电的标准化建设。