海上風電機組高承臺群樁基礎設計特點及關鍵力學問題

林毅峰，陸忠民，黃　俊，周　旋

（上?？睖y設計研究院有限公司，上?！?00434）

海上風電機組高承臺群樁基礎設計特點及關鍵力學問題

林毅峰，陸忠民，黃俊，周旋

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海200434）

海上風電機組高承臺群樁基礎是我國首次提出并獲得廣泛應用的新型海上風電機組基礎結構型式，該基礎由樁基、混凝土承臺、基礎預埋環、連接件和靠泊構件等組成。在闡述基礎結構總體布置及其特點的基礎上，從高聳結構、大型動力設備基礎和海洋工程的角度，分析了基礎的工程特性和載荷分配傳遞體系。從水動力載荷、系統整體載荷仿真、樁基巖土力學和承臺結構分析等方面，提煉出基礎設計的若干關鍵力學問題，包括：大直徑承臺結構尺度和群樁影響下的承臺波浪載荷分析、基于CFD技術和Bladed軟件的海上風電機組-塔架-高承臺群樁基礎載荷分析、大直徑超長鋼管樁土塞效應對承載力的影響、地基基礎對系統整體頻率影響和承臺鋼筋混凝土非線性有限元分析等。

海上風電機組；高承臺群樁基礎；波浪載荷；超長大直徑鋼管樁；土塞效應；風電機組載荷仿真

海上風能是海洋可再生能源的重要形式，是目前技術最成熟、最具備大規模商業化開發價值的海洋可再生能源。截至2015年底，全球海上風電累計裝機容量為12.105 GW,分布在全球15個國家。中國累計海上風電項目裝機容量1 014.68 MW，位居全球第四。我國海上風能資源儲量巨大，5～50 m水深、70 m高度海上風電開發潛力約5億kW，大力發展海上風電對優化調整能源結構和節能減排具有重大意義。根據規劃，“十三五”期間我國海上風電裝機容量預計達到20 GW，我國海上風電已經進入大規?？焖侔l展的階段。

鑒于對工程投資和安全的重大影響，海上風電機組支撐結構和地基基礎一直是海上風電開發的重要內容和研究熱點。海上風電機組常用的基礎結構型式包括大直徑單樁（monopile）、多樁導管架（jacket)、三腳架(tripod)和高承臺群樁基礎（high-rise cap with multiple piles foundation）等。其中高承臺群樁基礎是在亞洲第一個海上風電項目上海東海大橋100 MW海上風電示范項目設計中，上?？睖y設計研究院針對中國沿海深厚軟土和淺覆蓋層巖石海床地基條件，并結合我國近海工程施工經驗和設備而首次提出的一種新型海上風電機組基礎型式[1]，該基礎類型在我國東海大橋海上風電場、上海臨港海上風電場、江蘇響水、福建南日島、平海灣等海上風電項目中獲得了廣泛應用，是目前我國海上風電場風電機組基礎的主要型式之一。由于我國海上風電發展較晚，目前相關的海上風電機組地基基礎設計理論和方法滯后于工程實踐，尚未發布適合于海上風電機組地基基礎的技術規范，現有設計主要參考國外相關標準和我國港口、海洋石油行業技術規范。雖然海上風電機組高承臺群樁基礎在結構型式上借鑒了跨海大橋、高樁碼頭等基礎型式，但是由于海上風電機組荷載及其運行要求的特殊性，導致高承臺群樁基礎具有不同于常規橋梁、碼頭等基礎的顯著工程特性，給設計帶來了若干新的挑戰。本文結合我國海上風電場設計實踐，對海上風電機組高承臺群樁基礎的設計特點和關鍵力學問題進行分析論述。

1　基礎總體布置及特點

海上風電機組高承臺群樁基礎主要由樁基、混凝土承臺、基礎預埋環、連接件和靠泊構件等組成，如圖1所示。打入海床的多根樁基通常采用鋼管樁或者混凝土灌注樁，根據受力需要樁基可以采用傾斜布置以提高結構整體側向剛度。在樁基頂部采用整體套箱擋水圍堰工藝進行現場混凝土整體澆筑或預制裝配式完成鋼筋混凝土承臺建造，通過承臺將多根樁基連成整體。承臺高程根據潮位、防撞和結構整體受力確定。在承臺中埋設一個鋼結構預埋環，上部風電機組塔架通過法蘭與預埋環連接。在樁基和預埋環之間采用鋼結構連接件進行連接[2]，通過鋼結構連接件和承臺混凝土的聯合承載提高基礎荷載傳遞和承載性能。

高承臺群樁基礎是根據我國海洋工程施工技術現狀和海上風電場特殊建設條件提出的一種新型海上風電機組基礎型式，與國外普遍采用的大直徑單樁基礎相比具有以下特點：由于基樁直徑通常不大于2 m，目前我國海洋工程施工企業具有較多的施工船機設備和豐富的施工經驗可以滿足這種樁基礎的施工要求，有效解決了大直徑單樁施工受大型昂貴進口打樁設備的制約，且海上施工經驗豐富，施工可靠性高；由于采用多根傾斜布置的中小直徑樁基，基礎結構具有優異的側向承載能力，可以有效解決我國東部沿海普遍分布的深厚軟土地基海床地質條件下基礎側向承載性能不足的問題；防撞性能優異，由于我國海上風電場通航條件的復雜性，風電機組防船舶撞擊的要求普遍比歐洲海上風電場高，高承臺群樁基礎可以根據通航條件合理設置承臺高程，確保船舶撞擊在承臺而不是樁基上，通過承臺的整體協同作用將撞擊力分配給群樁共同承載，從而顯著提供了基礎的防撞性能；基礎防腐耐久性能優異，根據潮位條件將承臺設置在腐蝕環境環境最惡劣的浪濺區，從而可以充分利用高性能混凝土優異的防腐耐久性，同時將樁基礎鋼結構部分盡量布置在水下，可以充分發揮陰極防護的效果。目前我國已經建成的幾個采用高承臺群樁基礎的海上風電場中，承臺直徑14～20 m，通常采用8～10根鋼管樁作為基樁，樁直徑1.6～2.2 m，壁厚20～30 mm，樁長60～90 m。過渡段直徑4.5～6.5 m。圖2為建成后的上海東海大橋海上風電場高承臺群樁基礎。

圖1　高承臺群樁基礎總體布置

圖2　東海大橋海上風電場高承臺群樁基礎

2　基礎工程特性

2.1受力特性

由于結構特性、運行要求和環境載荷的特殊性，海上風電機組地基基礎同時具有高聳結構、大型動力設備基礎和海洋工程三種顯著的工程特性[3]。首先，海上風電機組及其支撐塔架是典型的高聳結構，目前主流的3～6 MW單機容量的海上風電機組，塔架高度70～100 m，風機葉輪直徑90～150 m，這樣一個高聳結構傳遞給下部基礎的荷載中傾覆力矩占主導地位，其數值可以達到（10～20）×104kN· m，而上部結構自重只有3 000～6 000 kN，水平荷載1 500～4 000 kN，這種高聳結構基礎受力表現出顯著的大偏心特性，不僅導致群樁基礎同時出現受壓和受拔，而且軸向受力極端不均勻；其次，海上風電機組基礎支撐著一個巨大的轉動風輪，具有明顯的動力設備基礎特點，其基礎設計除了滿足常規結構的強度和變形要求外，還需要滿足頻率控制要求，確保風電機組-塔架-地基基礎整體系統頻率能夠避開上部風機葉輪轉動的激振頻率，避免發生共振。風機葉輪的激振頻率主要取決于風輪轉速。目前主流風電機組通常采用三葉片轉輪，要求風電機組-塔架-地基基礎系統避開葉輪轉動1P和3P的共振頻率區。由于葉輪轉速范圍比較寬泛，導致非共振區通常非常狹窄，給系統頻率控制帶來了較苛刻的要求。以某3 MW海上風電機組為例，其頻率分析的坎貝爾圖見圖3。該風機葉輪轉速范圍8.3～17.3 rpm，由此可以得到風輪轉動1周的頻率1P為0.138 3～0.288 3 Hz，3P為0.415 0～0.865 0 Hz，則1P和3P范圍均為風機葉輪激振的共振頻率帶（圖中無陰影區域），為避免共振，系統基頻應落在圖中非共振區域（陰影區域），該非總振區域可分為3部分：大于3P的頻率區，1P～3P之間的頻率區和低于1P的頻率區。在設計中如果將系統基頻設置在大于3P的區間，則往往會由于剛度過高增加造價，而系統基頻落在小于1P的頻率區時結構剛度不足。因此合理的設計通常是將系統頻率設置在1P～3P之間，即體系允許的基頻范圍為0.288 3～0.415 0 Hz，設計中考慮5%安全裕度后的允許頻率范圍0.302 7～0.394 3 Hz，允許的頻帶寬度僅為0.09 Hz；同時，由于海上風電機組基礎直接承受波浪、海流、海冰、海床運動等復雜海洋環境作用，在結構受力、防腐耐久性方面具有典型的海洋結構工程特點。綜上所述，海上風電機組同時具有高聳結構、大型動力設備基礎和海洋結構工程三種受力特性，而且這三種特性的耦合導致其具有不同于常規建筑、橋梁等基礎的顯著工程特性，給基礎的設計原則、控制標準和分析方法帶來了新的問題。

圖3　海上風電機組葉輪激振坎貝爾分析圖

2.2載荷分配和傳遞

海上風電機組高承臺群樁基礎的載荷分配和傳遞體系如圖4所示。上部風電機組傳遞到基礎預埋環頂部的傾覆力矩M和作用在承臺和樁基上的波浪、水流載荷是基礎的控制性載荷。傾覆力矩M通過預埋環傳遞到承臺頂部，由于承臺剛度很大，在力矩作用下承臺產生整體剛體轉動，將力矩M轉換為群樁樁頂的軸向受壓和受拉載荷Q，然后樁頂軸向載荷通過樁-土之間的軸向阻力fs和端部阻力fp傳導到海床地基中；同時，作用在承臺上的波流側向載荷和通過預埋環傳遞下來的風電機組水平載荷FH，通過承臺的整體平動轉換為群樁樁頂的側向剪力Q，然后通過樁-土之間的側向抗力ft傳遞到地基中；另一方面，直接作用在基樁上的波流載荷同樣通過樁-土之間側向抗力傳遞ft到地基中。

圖4　載荷分配與傳遞

3　基礎設計關鍵力學問題

3.1水動力載荷

波浪和水流力是海上風電機組基礎承受的主要水動力載荷，由于我國海上風電場流速一般不大，波浪載荷通常是基礎設計的控制性水動力載荷。波浪誘導下的流場特性計算和結構尺寸效應是波浪水動力載荷分析的關鍵，高承臺群樁基礎由于同時存在大中尺度承臺和小尺寸基樁，導致波浪水動力載荷計算的特殊性和復雜性。如果可以準確地獲得波浪誘導下的流場特性,則波浪載荷可以采用流載的計算方法獲得。雖然根據波高、水深和波周期，已經發展了線性波、stokes高階波、流函數、孤立波和橢余波等多種波浪理論適用于不同環境條件下波動誘導流場的分析[4-5]，但是由于高承臺群樁基礎上部中小尺度承臺和下部小尺度群樁的影響，導致基礎部位的波浪誘導流場水體質點運動紊亂，流場特性難以通過上述波浪理論準確分析。另一方面，雖然小直徑基樁的波浪載荷可以根據morrison公式進行較準確的計算，但是由于承臺直徑D與波長L的比值D/L往往接近或超過0.20,承臺結構對波浪場的影響已經不能忽略。波浪遇到承臺結構會產生繞射,生成繞射波場,同時承臺大尺度結構在波流激勵下會產生運動,生成向外輻射的波動場,繞射波場、輻射波場及結構運動相互耦合導致承臺的波浪水動力載荷非常復雜。目前我國海洋工程波浪載荷計算規范的主要方法是以深水微幅線性波理論和小構件morrison公式基礎，通過引進各種修正系數來考慮不同水深、波高、波長和結構尺度的影響[6]，這種簡化計算方法往往偏保守地高估了波浪載荷，不能準確評估高承臺群樁基礎的波浪載荷。在設計實踐中需要借助于三維CFD方法或物理模型試驗進行對比驗證。下面給出兩個實際工程高承臺群樁基礎波浪載荷試驗與分析成果。

案例1：承臺波浪載荷規范計算值與物理模型試驗值對比分析，該工程為一個單機容量3.0 MW的高承臺群樁基礎，承臺直徑D=14 m，厚度S=4.50 m，設計水深d=16.55。表1給出了3種不同波況下承臺波浪載荷的規范計算值與物理模型試驗值的對比，結果表明，按規范方法計算得到的承臺波浪載荷均顯著高于試驗值，計算誤差隨之D/L值的增大而顯著增加，當D/L=0.19接近morrison方程適用的臨界值時，誤差高達40%，這表明規范提供的大直徑承臺波浪載荷計算方法顯著高估了波浪載荷，導致設計偏于保守。

表1　承臺波浪載荷計算值與試驗值對比

案例2：群樁對承臺波浪載荷影響分析。一個單機容量6.0 MW的基礎，承臺直徑18 m，厚度5.3 m，布置了10根直徑1.70 m、斜度5：1的鋼管樁。采用波浪水池物理模型試驗分別對單獨承臺結構、承臺和群樁整體結構進行了承臺波浪載荷測試，通過對比兩種試驗情況下的結果，分析群樁的存在對承臺波浪載荷的影響。以單獨承臺測量值為基準，將兩種試驗條件下的測量值進行無量綱化處理，結果見表2。試驗結果表明，在群樁影響下，承臺水平向波浪載荷總體上有所降低，但是波浪上托載荷總體上增加，在工況4下增加了27%。

表2　群樁對承臺波浪載荷影響的試驗測試成果

3.2風電機組-塔架-地基基礎整體載荷分析

風電機組及其塔架傳遞到基礎頂面的基礎載荷是海上風電機組基礎的主要設計載荷。風力發電機和上部塔架主要受到風荷載的作用，而下部基礎則受到波浪和潮流荷載的作用，由于風電機組-塔架-地基基礎是一個整體耦合的動力系統，地基基礎的剛度、質量和作用在基礎上波流載荷對上部風電機組和塔架結構的動力特性會產生較顯著的影響，引起風電機組內部控制器采取相應控制策略調整運行狀態，從而導致風電機組荷載也發生聯動變化。因此，海上風電機組載荷體系是一個受風、浪、流、地基特性等因素共同作用影響的動力體系，風機基礎的載荷計算與傳統意義上單一類型的海洋結構、高聳結構、動力設備基礎結構存在顯著差別，需要采用一個完整的風電機組-塔架-地基基礎動力學模型，開展風、波浪、水流和風電機組飼服控制系統共同作用下的整體動力時程分析，才能正確獲得基礎載荷數據[7]。整體載荷分析是海上風電機組設計的關鍵技術，涉及到空氣動力學、結構（機械）動力學、水動力學、電氣控制等多學科交叉。海上風電機組載荷分析流程見圖5。

圖5　海上風電機組整體載荷分析流程

英國garrad hassen公司開發的bladed軟件是國際普遍采用的海上風電載荷分析工具。但是Bladed軟件只提供了基于morrision方法的細長桿件波浪水動力載荷計算方法，如前所述該方法無法正確評估承臺波浪載荷，因此無法直接應用bladed軟件開展高承臺群樁基礎整體載荷分析，需要借助于其他高級水動力學分析軟件聯合balded才能完成載荷分析。在上海東海大橋海上風電示范項目中，采用通用有限元+Blade聯合分析方法完成了世界上首個海上風電機組高承臺群樁基礎整體載荷分析，主要分析過程如下：首先基于CFD方法和大型三維有限元通用軟件建立了包括波浪數值水槽和風電機組-塔架-高承臺群樁基礎有限元模型，見圖6。通過波浪數值水槽造波，開展流固耦合仿真，獲得了風電機組輪轂中心、塔筒頂部、塔筒底部及高承臺群樁基礎各截面的波浪載荷時程；然后利用Blade軟件，基于DNV-GL[8]或IEC61400-3[9]規范完成風載和飼服控制系統作用下的載荷仿真，見圖7，最后根據DNV-GL規范，按式（1）將浪載和風載單獨作用下的載荷進行疊加，即可得到風-浪共同作用下的載荷。

式中：Ftotal,max為風載和浪載同時作用下的力或力矩；Fwind,mean為風載作用下的最大力或力矩；Fwind,mean為風載作用下的平均力或力矩；Fwave,max為浪載作用下的最大力或力矩。

計算結果顯示，風載、浪載和風浪聯合作用下塔筒底部最大力矩分別為73 600 kN、1 100 kN和82 500 kN，由于風浪耦合作用的影響，風浪共同作用下的最大力矩大于風和浪單獨作用下載荷簡單直接疊加值，增加幅度為9.5%。

3.3樁基巖土力學問題

海上風電機組高承臺群樁基礎設計中的關鍵巖土力學問題表現為基樁承載力評估中的土塞效應、抗拔承載和樁基剛度對系統頻率影響3個方面。

圖6　風電機組-塔筒-高承臺群樁基礎-波浪數值水槽有限元模型

圖7　風電機組-塔筒-高承臺群樁基礎blade模型

作為一個以承受巨大風電機組傾覆力矩和水平波浪載荷為主的高聳結構，海上風電機組高承臺群樁基礎的樁基同時承受巨大壓力和拔力，軸向上拔力往往超過10 000 kN,在深厚軟土海床中通常采用直徑2 m左右，入土深度超過70 m的大直徑超長鋼管樁。由于大直徑超長鋼管樁工程應用不多，目前尚未完全掌握其承載機理，相應的承載力計算方法也缺少工程實踐的檢驗。大直徑開口鋼管樁在沉樁過程中，樁周土體涌入樁內形成土塞，樁徑越大涌入土量越多。海上風電場高承臺群樁基礎沉樁結果表明，樁徑2 m左右的大直徑鋼管樁沉樁結束后樁內土塞的高度基本與樁外土體相同。土塞與樁內壁之間的摩擦承載機理是一個復雜的問題，如何合理計算內壁摩擦阻力對正確評估樁基礎整體承載力有重要影響。巖土工程界提出了多種土塞承載力的簡化分析方法[10]。我國樁基礎設計規范中通過采用樁端土塞系數對按實心截面計算的樁端總阻力進行修正，綜合反映樁芯內側土塞側阻和樁端環壁端阻的總效應[11]。這種方法是考慮到敞口樁樁內土塞高度、內壁側阻不易確定等復雜性而提出的綜合簡化方法計算方法。我國港口工程樁基礎設計規范對于樁徑大于1.50 m的敞口鋼管樁給出的樁端土塞系數取值范圍0～0.25，該系數取值范圍較寬給設計取用帶來了較大不確定性。由于缺少大量工程實測數據的驗證，上述這些簡化分析方法的可靠性和合理性仍有待驗證。雖然我國海上風電場開展了一些大直徑超長鋼管樁基承載力試驗來獲取樁基設計參數，但是在常規測試中往往難以將樁內外壁側阻力實測數值進行分離，仍然無法準確評估土塞效應，即使在這種條件下，若干現場實測結果表明，樁身內外側實測的總摩阻力與設計規范推薦的外側摩阻力經驗值的比值可以高達2倍，這表明內側摩阻力不容忽略。在后續工作中，需要通過挖除樁內土塞或設置雙層分離樁壁的手段分別測試內外壁阻力，以驗證和修正現有的計算理論和方法。

在巨大的傾覆力矩作用下高承臺群樁基礎的基樁中會出現受拔樁，且樁基承載力設計往往受抗控制。在設計實踐中通常采用對抗壓側阻力進行折減來計算抗拔側阻力。目前我國港口工程樁基規范對砂性土和粘性土抗拔側阻折減系數分別取為0.5～0.6和0.7～0.8。需要注意的是，除了海上風電機組基礎外，目前大直徑超長鋼管樁用于抗拔在工程實踐中很少應用，樁基抗拔側機理和抗拔側摩阻力的取值缺少經過足夠工程實踐驗證的經驗。超長和大直徑的尺寸效應、抗拔和承壓狀態下樁土相互作用機理的差異，往往會導致超長鋼管樁抗拔承載力設計參數取值低于已有經驗值[12]?，F有的一些海上風電場大直徑超長鋼管樁現場抗拔承載力測試表明，淺部和中部土層的抗拔折減系數往往明顯低于規范推薦的取值范圍，而深部土體的折減系數大于規范建議數值。

如前所述，為避免風電機組葉輪轉動導致的共振，需要對風電機組-塔架-地基基礎系統的頻率進行控制，而系統允許的非共振頻率的帶寬通常都很狹窄。結構頻率主要取決于系統的質量和剛度，因此樁基礎剛度對系統頻率計算會產生較大影響。高承臺群樁基礎采用p-y、t-z和q-z曲線分別模擬側向、軸向和樁端的樁-土相互作用，這3條曲線的力學模型是在樁周設置一系列的離散非線性彈簧模擬樁土相互作用，以彈簧剛度曲線來描述樁土相互作用下的荷載-變形關系。結構頻率計算通常歸結為對線性系統特征值的處理，因此需要對樁-土相互作用的非線性行為進行線性化處理，這種處理需要全面考慮不同載荷工況下的剛度差異對系統頻率的影響。另一方面，由于海上勘察手段的限制和長期動力循環載荷作用下巖土力學強度退化等影響，巖土工程參數存在較大變異性，需要合理評估這些參數的不確定性對系統頻率的影響[8]。因此，相對于上部風電機組和塔架而言，對樁基礎剛度的準確評估是系統頻率分析的最大困難和風險。在設計實踐中，需要通過敏感性分析來評估樁基礎剛度變化對系統頻率的影響，通常情況下以樁土相互作用彈簧曲線的初始剛度、巖土力學參數取值上限和海床無沖刷代表系統頻率的上限，以極限載荷對應的樁土相互作用彈簧曲線的剛度、巖土力學參數取值下限和海床最大沖刷代表系統頻率的下限。

3.4承臺結構分析

在海上風電機組高承臺群樁基礎中，承臺的主要作用是將風電機組基礎載荷和波浪載荷傳遞和分配給下部樁基礎。為增強承臺結構的強度和剛度，通常在預埋環和鋼管樁之間設置連接鋼梁，利用承臺混凝土和連接鋼梁的協同承載實現載荷的正常傳遞和分配。極限載荷工況下承臺結構在巨大力矩作用下呈現出非常復雜的三維受力性狀，需要采用鋼筋混凝土三維非線性有限元方法進行結構分析和設計[13]。下面給出一個具體工程案例分析成果。

一個單機容量6 MW的基礎，承臺直徑18 m，厚度5.3 m，布置了4根直徑3.20 m的鋼管樁，基預埋環直徑6.3 m，預埋環和鋼管樁之間采用4根鋼梁連接。圖8為承臺主受彎平面內最大主應力云圖，預埋環左側埋深區域和右側下部存在較大范圍的超過1.6 MPa的區域，這部分區域受力超過混凝土抗拉強度，需要根據拉應力圖形面積采用非桿件體系鋼筋混凝土結構配筋方法進行結構設計。圖9為連接鋼梁的von mises等效應力，結果表明在混凝土和鋼梁聯合承載下，連接鋼梁的應力水平較低，最大值為67 MPa。

圖8　承臺主受彎平面最大應力/N·m-2

圖9　連接件等效應力/N·m-2

除了極限載荷，承臺結構需要承受風電機組20～25 a運行期間的往復循環動載荷和波浪循環載荷，因此需要合理評估承臺結構疲勞承載性能。海洋混凝土結構的疲勞分析可以采用簡化疲勞設計法和詳細疲勞分析兩種方法。DNV船級社推薦的簡化疲勞設計法通過將疲勞載荷作用下混凝土最大壓、拉應力與材料設計強度的比值控制在一定范圍內來實現混凝土結構的疲勞壽命[14]。詳細疲勞設計基于Miners損傷疊加原理和混凝土材料的S-N曲線，采用疲勞載荷譜進行詳細的疲勞設計，可以給出混凝土結構疲勞壽命設計值[15]。

4　小結

高承臺群樁基礎是我國首次提出的一種新型海上風電機組基礎型式，在我國海上風電場建設中獲得了廣泛的應用，是目前我國海上風電場的主要基礎型式之一。該基礎具有結構承載機理明確、布置靈活、安全性高、海上施工資源豐富等優點，適合我國軟土海床和復雜通航條件的海上風電建設條件。本文對基礎設計面臨若干關鍵力學問題進行了分析，主要結論如下：

（1）由于承臺尺寸較大，現有設計規范給出的基于morision方法修正的波浪載荷計算方法高估了承臺水平波浪載荷，在D/L接近0.20臨界值的條件下規范計算值比試驗值增加了40%，需要采用物理模型試驗、CFD或繞射理論對承臺波浪載荷進行合理評估。群樁基礎對承臺波浪托載荷產生較大影響，某些波況下考慮群樁影響的承臺波浪上托力增大了27%。

（2）高承臺群樁基礎采用大直徑超長鋼管樁，若干現場足尺樁基承載力測試結果表明，樁內土芯的土塞效應對內壁摩阻力和樁端阻力產生較大貢獻。目前的樁基礎設計規范尚不能準確合理評估超長大直徑鋼管樁土塞效應對承載力的影響，需要通過現場足尺內外壁分離的承載力測試開展研究。

（3）需要采用風電機組-塔架-地基基礎整體耦合力學模型，開展風、波浪、水流和風電機組飼服控制系統共同作用下的整體動力時程分析獲取基礎設計載荷。采用基于CFD方法的通用有限元軟件和風電機組載荷仿真專用工具Bladed的聯合分析，解決了整體耦合分析中承臺波浪載荷分析問題，完成了整體載荷仿真。計算結果表明，風浪共同作用下的最大力矩大于風和浪單獨作用下載荷簡單直接疊加。

（4）承臺結構在風電機組傾覆力矩作用下表現為復雜的三維受力狀態，產生較大范圍的超出混凝土抗拉強度的拉應力區。應采用鋼筋混凝土三維非線性有限元方法進行混凝土和連接件聯合承載分析，并根據拉應力圖形面積采用非桿件體系鋼筋混凝土結構配筋方法進行結構設計，并應對承臺結構進行疲勞強度分析。

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LIN Yi-feng,LU Zhong-min,HUANG Jun,ZHOU Xuan
Shanghai Investigation,Design&Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200434,China

High-rise cap with multiple pile foundation for offshore wind turbines is composed of piles,concrete cap,embeded foundation ring,connecting pieces and berthing components,which is a totally new type of wind turbine foundation initially put forward by Chinese researchers and widely applied in many fields.Based on the introduction of the overall layout and characteristics of this foundation type,the load-distributed system and engineering features are analyzed taking the towering structure,large-scale dynamic equipment foundation and marine engineer factors in consideration.The key mechanical problems are summarized towards hydrodynamic loads,integral simulation,geotechnical and structural analysis,which include wave load analysis of concrete cap considering the influence of large-dimension structure and multi-piles,load analysis of offshore wind turbine-tower-high-rise cap with multiple piles foundation based on CFD and Bladed tool,influences led by soil plugging effect of large-diameter steel piles,the integral frequency change induced by soil foundation and the non-linear FEM analysis of the steel-concrete cap.

offshore wind turbine generators;high-rise cap with multiple pile foundation;wave loading;over-length and large-diameter steel pile;soil plugging effect;load simulation of wind turbine generators

P742

A

1003-2029（2016）05-0029-08

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.006

2016-07-21

國家自然科學基金資助項目（11232012）；上海市自然科學基金資助項目（14ZR1427500）；上海市科委科技攻關計劃資助項目（11dz1200202，13dz1202204）

林毅峰(1975-)，男，工學博士、教授級高級工程師，從事海洋新能源和海洋工程勘測設計和科研。E-mail：lyf@sidri.com