海上风电机组高承台群桩基础设计特点及关键力学问题

林毅峰，陆忠民，黄　俊，周　旋

（上海勘测设计研究院有限公司，上海　200434）

海上风电机组高承台群桩基础设计特点及关键力学问题

林毅峰，陆忠民，黄俊，周旋

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

海上风电机组高承台群桩基础是我国首次提出并获得广泛应用的新型海上风电机组基础结构型式，该基础由桩基、混凝土承台、基础预埋环、连接件和靠泊构件等组成。在阐述基础结构总体布置及其特点的基础上，从高耸结构、大型动力设备基础和海洋工程的角度，分析了基础的工程特性和载荷分配传递体系。从水动力载荷、系统整体载荷仿真、桩基岩土力学和承台结构分析等方面，提炼出基础设计的若干关键力学问题，包括：大直径承台结构尺度和群桩影响下的承台波浪载荷分析、基于CFD技术和Bladed软件的海上风电机组-塔架-高承台群桩基础载荷分析、大直径超长钢管桩土塞效应对承载力的影响、地基基础对系统整体频率影响和承台钢筋混凝土非线性有限元分析等。

海上风电机组；高承台群桩基础；波浪载荷；超长大直径钢管桩；土塞效应；风电机组载荷仿真

海上风能是海洋可再生能源的重要形式，是目前技术最成熟、最具备大规模商业化开发价值的海洋可再生能源。截至2015年底，全球海上风电累计装机容量为12.105 GW,分布在全球15个国家。中国累计海上风电项目装机容量1 014.68 MW，位居全球第四。我国海上风能资源储量巨大，5～50 m水深、70 m高度海上风电开发潜力约5亿kW，大力发展海上风电对优化调整能源结构和节能减排具有重大意义。根据规划，“十三五”期间我国海上风电装机容量预计达到20 GW，我国海上风电已经进入大规模快速发展的阶段。

鉴于对工程投资和安全的重大影响，海上风电机组支撑结构和地基基础一直是海上风电开发的重要内容和研究热点。海上风电机组常用的基础结构型式包括大直径单桩（monopile）、多桩导管架（jacket)、三脚架(tripod)和高承台群桩基础（high-rise cap with multiple piles foundation）等。其中高承台群桩基础是在亚洲第一个海上风电项目上海东海大桥100 MW海上风电示范项目设计中，上海勘测设计研究院针对中国沿海深厚软土和浅覆盖层岩石海床地基条件，并结合我国近海工程施工经验和设备而首次提出的一种新型海上风电机组基础型式[1]，该基础类型在我国东海大桥海上风电场、上海临港海上风电场、江苏响水、福建南日岛、平海湾等海上风电项目中获得了广泛应用，是目前我国海上风电场风电机组基础的主要型式之一。由于我国海上风电发展较晚，目前相关的海上风电机组地基基础设计理论和方法滞后于工程实践，尚未发布适合于海上风电机组地基基础的技术规范，现有设计主要参考国外相关标准和我国港口、海洋石油行业技术规范。虽然海上风电机组高承台群桩基础在结构型式上借鉴了跨海大桥、高桩码头等基础型式，但是由于海上风电机组荷载及其运行要求的特殊性，导致高承台群桩基础具有不同于常规桥梁、码头等基础的显著工程特性，给设计带来了若干新的挑战。本文结合我国海上风电场设计实践，对海上风电机组高承台群桩基础的设计特点和关键力学问题进行分析论述。

1　基础总体布置及特点

海上风电机组高承台群桩基础主要由桩基、混凝土承台、基础预埋环、连接件和靠泊构件等组成，如图1所示。打入海床的多根桩基通常采用钢管桩或者混凝土灌注桩，根据受力需要桩基可以采用倾斜布置以提高结构整体侧向刚度。在桩基顶部采用整体套箱挡水围堰工艺进行现场混凝土整体浇筑或预制装配式完成钢筋混凝土承台建造，通过承台将多根桩基连成整体。承台高程根据潮位、防撞和结构整体受力确定。在承台中埋设一个钢结构预埋环，上部风电机组塔架通过法兰与预埋环连接。在桩基和预埋环之间采用钢结构连接件进行连接[2]，通过钢结构连接件和承台混凝土的联合承载提高基础荷载传递和承载性能。

高承台群桩基础是根据我国海洋工程施工技术现状和海上风电场特殊建设条件提出的一种新型海上风电机组基础型式，与国外普遍采用的大直径单桩基础相比具有以下特点：由于基桩直径通常不大于2 m，目前我国海洋工程施工企业具有较多的施工船机设备和丰富的施工经验可以满足这种桩基础的施工要求，有效解决了大直径单桩施工受大型昂贵进口打桩设备的制约，且海上施工经验丰富，施工可靠性高；由于采用多根倾斜布置的中小直径桩基，基础结构具有优异的侧向承载能力，可以有效解决我国东部沿海普遍分布的深厚软土地基海床地质条件下基础侧向承载性能不足的问题；防撞性能优异，由于我国海上风电场通航条件的复杂性，风电机组防船舶撞击的要求普遍比欧洲海上风电场高，高承台群桩基础可以根据通航条件合理设置承台高程，确保船舶撞击在承台而不是桩基上，通过承台的整体协同作用将撞击力分配给群桩共同承载，从而显著提供了基础的防撞性能；基础防腐耐久性能优异，根据潮位条件将承台设置在腐蚀环境环境最恶劣的浪溅区，从而可以充分利用高性能混凝土优异的防腐耐久性，同时将桩基础钢结构部分尽量布置在水下，可以充分发挥阴极防护的效果。目前我国已经建成的几个采用高承台群桩基础的海上风电场中，承台直径14～20 m，通常采用8～10根钢管桩作为基桩，桩直径1.6～2.2 m，壁厚20～30 mm，桩长60～90 m。过渡段直径4.5～6.5 m。图2为建成后的上海东海大桥海上风电场高承台群桩基础。

图1　高承台群桩基础总体布置

图2　东海大桥海上风电场高承台群桩基础

2　基础工程特性

2.1受力特性

由于结构特性、运行要求和环境载荷的特殊性，海上风电机组地基基础同时具有高耸结构、大型动力设备基础和海洋工程三种显著的工程特性[3]。首先，海上风电机组及其支撑塔架是典型的高耸结构，目前主流的3～6 MW单机容量的海上风电机组，塔架高度70～100 m，风机叶轮直径90～150 m，这样一个高耸结构传递给下部基础的荷载中倾覆力矩占主导地位，其数值可以达到（10～20）×104kN· m，而上部结构自重只有3 000～6 000 kN，水平荷载1 500～4 000 kN，这种高耸结构基础受力表现出显著的大偏心特性，不仅导致群桩基础同时出现受压和受拔，而且轴向受力极端不均匀；其次，海上风电机组基础支撑着一个巨大的转动风轮，具有明显的动力设备基础特点，其基础设计除了满足常规结构的强度和变形要求外，还需要满足频率控制要求，确保风电机组-塔架-地基基础整体系统频率能够避开上部风机叶轮转动的激振频率，避免发生共振。风机叶轮的激振频率主要取决于风轮转速。目前主流风电机组通常采用三叶片转轮，要求风电机组-塔架-地基基础系统避开叶轮转动1P和3P的共振频率区。由于叶轮转速范围比较宽泛，导致非共振区通常非常狭窄，给系统频率控制带来了较苛刻的要求。以某3 MW海上风电机组为例，其频率分析的坎贝尔图见图3。该风机叶轮转速范围8.3～17.3 rpm，由此可以得到风轮转动1周的频率1P为0.138 3～0.288 3 Hz，3P为0.415 0～0.865 0 Hz，则1P和3P范围均为风机叶轮激振的共振频率带（图中无阴影区域），为避免共振，系统基频应落在图中非共振区域（阴影区域），该非总振区域可分为3部分：大于3P的频率区，1P～3P之间的频率区和低于1P的频率区。在设计中如果将系统基频设置在大于3P的区间，则往往会由于刚度过高增加造价，而系统基频落在小于1P的频率区时结构刚度不足。因此合理的设计通常是将系统频率设置在1P～3P之间，即体系允许的基频范围为0.288 3～0.415 0 Hz，设计中考虑5%安全裕度后的允许频率范围0.302 7～0.394 3 Hz，允许的频带宽度仅为0.09 Hz；同时，由于海上风电机组基础直接承受波浪、海流、海冰、海床运动等复杂海洋环境作用，在结构受力、防腐耐久性方面具有典型的海洋结构工程特点。综上所述，海上风电机组同时具有高耸结构、大型动力设备基础和海洋结构工程三种受力特性，而且这三种特性的耦合导致其具有不同于常规建筑、桥梁等基础的显著工程特性，给基础的设计原则、控制标准和分析方法带来了新的问题。

图3　海上风电机组叶轮激振坎贝尔分析图

2.2载荷分配和传递

海上风电机组高承台群桩基础的载荷分配和传递体系如图4所示。上部风电机组传递到基础预埋环顶部的倾覆力矩M和作用在承台和桩基上的波浪、水流载荷是基础的控制性载荷。倾覆力矩M通过预埋环传递到承台顶部，由于承台刚度很大，在力矩作用下承台产生整体刚体转动，将力矩M转换为群桩桩顶的轴向受压和受拉载荷Q，然后桩顶轴向载荷通过桩-土之间的轴向阻力fs和端部阻力fp传导到海床地基中；同时，作用在承台上的波流侧向载荷和通过预埋环传递下来的风电机组水平载荷FH，通过承台的整体平动转换为群桩桩顶的侧向剪力Q，然后通过桩-土之间的侧向抗力ft传递到地基中；另一方面，直接作用在基桩上的波流载荷同样通过桩-土之间侧向抗力传递ft到地基中。

图4　载荷分配与传递

3　基础设计关键力学问题

3.1水动力载荷

波浪和水流力是海上风电机组基础承受的主要水动力载荷，由于我国海上风电场流速一般不大，波浪载荷通常是基础设计的控制性水动力载荷。波浪诱导下的流场特性计算和结构尺寸效应是波浪水动力载荷分析的关键，高承台群桩基础由于同时存在大中尺度承台和小尺寸基桩，导致波浪水动力载荷计算的特殊性和复杂性。如果可以准确地获得波浪诱导下的流场特性,则波浪载荷可以采用流载的计算方法获得。虽然根据波高、水深和波周期，已经发展了线性波、stokes高阶波、流函数、孤立波和椭余波等多种波浪理论适用于不同环境条件下波动诱导流场的分析[4-5]，但是由于高承台群桩基础上部中小尺度承台和下部小尺度群桩的影响，导致基础部位的波浪诱导流场水体质点运动紊乱，流场特性难以通过上述波浪理论准确分析。另一方面，虽然小直径基桩的波浪载荷可以根据morrison公式进行较准确的计算，但是由于承台直径D与波长L的比值D/L往往接近或超过0.20,承台结构对波浪场的影响已经不能忽略。波浪遇到承台结构会产生绕射,生成绕射波场,同时承台大尺度结构在波流激励下会产生运动,生成向外辐射的波动场,绕射波场、辐射波场及结构运动相互耦合导致承台的波浪水动力载荷非常复杂。目前我国海洋工程波浪载荷计算规范的主要方法是以深水微幅线性波理论和小构件morrison公式基础，通过引进各种修正系数来考虑不同水深、波高、波长和结构尺度的影响[6]，这种简化计算方法往往偏保守地高估了波浪载荷，不能准确评估高承台群桩基础的波浪载荷。在设计实践中需要借助于三维CFD方法或物理模型试验进行对比验证。下面给出两个实际工程高承台群桩基础波浪载荷试验与分析成果。

案例1：承台波浪载荷规范计算值与物理模型试验值对比分析，该工程为一个单机容量3.0 MW的高承台群桩基础，承台直径D=14 m，厚度S=4.50 m，设计水深d=16.55。表1给出了3种不同波况下承台波浪载荷的规范计算值与物理模型试验值的对比，结果表明，按规范方法计算得到的承台波浪载荷均显著高于试验值，计算误差随之D/L值的增大而显著增加，当D/L=0.19接近morrison方程适用的临界值时，误差高达40%，这表明规范提供的大直径承台波浪载荷计算方法显著高估了波浪载荷，导致设计偏于保守。

表1　承台波浪载荷计算值与试验值对比

案例2：群桩对承台波浪载荷影响分析。一个单机容量6.0 MW的基础，承台直径18 m，厚度5.3 m，布置了10根直径1.70 m、斜度5：1的钢管桩。采用波浪水池物理模型试验分别对单独承台结构、承台和群桩整体结构进行了承台波浪载荷测试，通过对比两种试验情况下的结果，分析群桩的存在对承台波浪载荷的影响。以单独承台测量值为基准，将两种试验条件下的测量值进行无量纲化处理，结果见表2。试验结果表明，在群桩影响下，承台水平向波浪载荷总体上有所降低，但是波浪上托载荷总体上增加，在工况4下增加了27%。

表2　群桩对承台波浪载荷影响的试验测试成果

3.2风电机组-塔架-地基基础整体载荷分析

风电机组及其塔架传递到基础顶面的基础载荷是海上风电机组基础的主要设计载荷。风力发电机和上部塔架主要受到风荷载的作用，而下部基础则受到波浪和潮流荷载的作用，由于风电机组-塔架-地基基础是一个整体耦合的动力系统，地基基础的刚度、质量和作用在基础上波流载荷对上部风电机组和塔架结构的动力特性会产生较显著的影响，引起风电机组内部控制器采取相应控制策略调整运行状态，从而导致风电机组荷载也发生联动变化。因此，海上风电机组载荷体系是一个受风、浪、流、地基特性等因素共同作用影响的动力体系，风机基础的载荷计算与传统意义上单一类型的海洋结构、高耸结构、动力设备基础结构存在显著差别，需要采用一个完整的风电机组-塔架-地基基础动力学模型，开展风、波浪、水流和风电机组饲服控制系统共同作用下的整体动力时程分析，才能正确获得基础载荷数据[7]。整体载荷分析是海上风电机组设计的关键技术，涉及到空气动力学、结构（机械）动力学、水动力学、电气控制等多学科交叉。海上风电机组载荷分析流程见图5。

图5　海上风电机组整体载荷分析流程

英国garrad hassen公司开发的bladed软件是国际普遍采用的海上风电载荷分析工具。但是Bladed软件只提供了基于morrision方法的细长杆件波浪水动力载荷计算方法，如前所述该方法无法正确评估承台波浪载荷，因此无法直接应用bladed软件开展高承台群桩基础整体载荷分析，需要借助于其他高级水动力学分析软件联合balded才能完成载荷分析。在上海东海大桥海上风电示范项目中，采用通用有限元+Blade联合分析方法完成了世界上首个海上风电机组高承台群桩基础整体载荷分析，主要分析过程如下：首先基于CFD方法和大型三维有限元通用软件建立了包括波浪数值水槽和风电机组-塔架-高承台群桩基础有限元模型，见图6。通过波浪数值水槽造波，开展流固耦合仿真，获得了风电机组轮毂中心、塔筒顶部、塔筒底部及高承台群桩基础各截面的波浪载荷时程；然后利用Blade软件，基于DNV-GL[8]或IEC61400-3[9]规范完成风载和饲服控制系统作用下的载荷仿真，见图7，最后根据DNV-GL规范，按式（1）将浪载和风载单独作用下的载荷进行叠加，即可得到风-浪共同作用下的载荷。

式中：Ftotal,max为风载和浪载同时作用下的力或力矩；Fwind,mean为风载作用下的最大力或力矩；Fwind,mean为风载作用下的平均力或力矩；Fwave,max为浪载作用下的最大力或力矩。

计算结果显示，风载、浪载和风浪联合作用下塔筒底部最大力矩分别为73 600 kN、1 100 kN和82 500 kN，由于风浪耦合作用的影响，风浪共同作用下的最大力矩大于风和浪单独作用下载荷简单直接叠加值，增加幅度为9.5%。

3.3桩基岩土力学问题

海上风电机组高承台群桩基础设计中的关键岩土力学问题表现为基桩承载力评估中的土塞效应、抗拔承载和桩基刚度对系统频率影响3个方面。

图6　风电机组-塔筒-高承台群桩基础-波浪数值水槽有限元模型

图7　风电机组-塔筒-高承台群桩基础blade模型

作为一个以承受巨大风电机组倾覆力矩和水平波浪载荷为主的高耸结构，海上风电机组高承台群桩基础的桩基同时承受巨大压力和拔力，轴向上拔力往往超过10 000 kN,在深厚软土海床中通常采用直径2 m左右，入土深度超过70 m的大直径超长钢管桩。由于大直径超长钢管桩工程应用不多，目前尚未完全掌握其承载机理，相应的承载力计算方法也缺少工程实践的检验。大直径开口钢管桩在沉桩过程中，桩周土体涌入桩内形成土塞，桩径越大涌入土量越多。海上风电场高承台群桩基础沉桩结果表明，桩径2 m左右的大直径钢管桩沉桩结束后桩内土塞的高度基本与桩外土体相同。土塞与桩内壁之间的摩擦承载机理是一个复杂的问题，如何合理计算内壁摩擦阻力对正确评估桩基础整体承载力有重要影响。岩土工程界提出了多种土塞承载力的简化分析方法[10]。我国桩基础设计规范中通过采用桩端土塞系数对按实心截面计算的桩端总阻力进行修正，综合反映桩芯内侧土塞侧阻和桩端环壁端阻的总效应[11]。这种方法是考虑到敞口桩桩内土塞高度、内壁侧阻不易确定等复杂性而提出的综合简化方法计算方法。我国港口工程桩基础设计规范对于桩径大于1.50 m的敞口钢管桩给出的桩端土塞系数取值范围0～0.25，该系数取值范围较宽给设计取用带来了较大不确定性。由于缺少大量工程实测数据的验证，上述这些简化分析方法的可靠性和合理性仍有待验证。虽然我国海上风电场开展了一些大直径超长钢管桩基承载力试验来获取桩基设计参数，但是在常规测试中往往难以将桩内外壁侧阻力实测数值进行分离，仍然无法准确评估土塞效应，即使在这种条件下，若干现场实测结果表明，桩身内外侧实测的总摩阻力与设计规范推荐的外侧摩阻力经验值的比值可以高达2倍，这表明内侧摩阻力不容忽略。在后续工作中，需要通过挖除桩内土塞或设置双层分离桩壁的手段分别测试内外壁阻力，以验证和修正现有的计算理论和方法。

在巨大的倾覆力矩作用下高承台群桩基础的基桩中会出现受拔桩，且桩基承载力设计往往受抗控制。在设计实践中通常采用对抗压侧阻力进行折减来计算抗拔侧阻力。目前我国港口工程桩基规范对砂性土和粘性土抗拔侧阻折减系数分别取为0.5～0.6和0.7～0.8。需要注意的是，除了海上风电机组基础外，目前大直径超长钢管桩用于抗拔在工程实践中很少应用，桩基抗拔侧机理和抗拔侧摩阻力的取值缺少经过足够工程实践验证的经验。超长和大直径的尺寸效应、抗拔和承压状态下桩土相互作用机理的差异，往往会导致超长钢管桩抗拔承载力设计参数取值低于已有经验值[12]。现有的一些海上风电场大直径超长钢管桩现场抗拔承载力测试表明，浅部和中部土层的抗拔折减系数往往明显低于规范推荐的取值范围，而深部土体的折减系数大于规范建议数值。

如前所述，为避免风电机组叶轮转动导致的共振，需要对风电机组-塔架-地基基础系统的频率进行控制，而系统允许的非共振频率的带宽通常都很狭窄。结构频率主要取决于系统的质量和刚度，因此桩基础刚度对系统频率计算会产生较大影响。高承台群桩基础采用p-y、t-z和q-z曲线分别模拟侧向、轴向和桩端的桩-土相互作用，这3条曲线的力学模型是在桩周设置一系列的离散非线性弹簧模拟桩土相互作用，以弹簧刚度曲线来描述桩土相互作用下的荷载-变形关系。结构频率计算通常归结为对线性系统特征值的处理，因此需要对桩-土相互作用的非线性行为进行线性化处理，这种处理需要全面考虑不同载荷工况下的刚度差异对系统频率的影响。另一方面，由于海上勘察手段的限制和长期动力循环载荷作用下岩土力学强度退化等影响，岩土工程参数存在较大变异性，需要合理评估这些参数的不确定性对系统频率的影响[8]。因此，相对于上部风电机组和塔架而言，对桩基础刚度的准确评估是系统频率分析的最大困难和风险。在设计实践中，需要通过敏感性分析来评估桩基础刚度变化对系统频率的影响，通常情况下以桩土相互作用弹簧曲线的初始刚度、岩土力学参数取值上限和海床无冲刷代表系统频率的上限，以极限载荷对应的桩土相互作用弹簧曲线的刚度、岩土力学参数取值下限和海床最大冲刷代表系统频率的下限。

3.4承台结构分析

在海上风电机组高承台群桩基础中，承台的主要作用是将风电机组基础载荷和波浪载荷传递和分配给下部桩基础。为增强承台结构的强度和刚度，通常在预埋环和钢管桩之间设置连接钢梁，利用承台混凝土和连接钢梁的协同承载实现载荷的正常传递和分配。极限载荷工况下承台结构在巨大力矩作用下呈现出非常复杂的三维受力性状，需要采用钢筋混凝土三维非线性有限元方法进行结构分析和设计[13]。下面给出一个具体工程案例分析成果。

一个单机容量6 MW的基础，承台直径18 m，厚度5.3 m，布置了4根直径3.20 m的钢管桩，基预埋环直径6.3 m，预埋环和钢管桩之间采用4根钢梁连接。图8为承台主受弯平面内最大主应力云图，预埋环左侧埋深区域和右侧下部存在较大范围的超过1.6 MPa的区域，这部分区域受力超过混凝土抗拉强度，需要根据拉应力图形面积采用非杆件体系钢筋混凝土结构配筋方法进行结构设计。图9为连接钢梁的von mises等效应力，结果表明在混凝土和钢梁联合承载下，连接钢梁的应力水平较低，最大值为67 MPa。

图8　承台主受弯平面最大应力/N·m-2

图9　连接件等效应力/N·m-2

除了极限载荷，承台结构需要承受风电机组20～25 a运行期间的往复循环动载荷和波浪循环载荷，因此需要合理评估承台结构疲劳承载性能。海洋混凝土结构的疲劳分析可以采用简化疲劳设计法和详细疲劳分析两种方法。DNV船级社推荐的简化疲劳设计法通过将疲劳载荷作用下混凝土最大压、拉应力与材料设计强度的比值控制在一定范围内来实现混凝土结构的疲劳寿命[14]。详细疲劳设计基于Miners损伤叠加原理和混凝土材料的S-N曲线，采用疲劳载荷谱进行详细的疲劳设计，可以给出混凝土结构疲劳寿命设计值[15]。

4　小结

高承台群桩基础是我国首次提出的一种新型海上风电机组基础型式，在我国海上风电场建设中获得了广泛的应用，是目前我国海上风电场的主要基础型式之一。该基础具有结构承载机理明确、布置灵活、安全性高、海上施工资源丰富等优点，适合我国软土海床和复杂通航条件的海上风电建设条件。本文对基础设计面临若干关键力学问题进行了分析，主要结论如下：

（1）由于承台尺寸较大，现有设计规范给出的基于morision方法修正的波浪载荷计算方法高估了承台水平波浪载荷，在D/L接近0.20临界值的条件下规范计算值比试验值增加了40%，需要采用物理模型试验、CFD或绕射理论对承台波浪载荷进行合理评估。群桩基础对承台波浪托载荷产生较大影响，某些波况下考虑群桩影响的承台波浪上托力增大了27%。

（2）高承台群桩基础采用大直径超长钢管桩，若干现场足尺桩基承载力测试结果表明，桩内土芯的土塞效应对内壁摩阻力和桩端阻力产生较大贡献。目前的桩基础设计规范尚不能准确合理评估超长大直径钢管桩土塞效应对承载力的影响，需要通过现场足尺内外壁分离的承载力测试开展研究。

（3）需要采用风电机组-塔架-地基基础整体耦合力学模型，开展风、波浪、水流和风电机组饲服控制系统共同作用下的整体动力时程分析获取基础设计载荷。采用基于CFD方法的通用有限元软件和风电机组载荷仿真专用工具Bladed的联合分析，解决了整体耦合分析中承台波浪载荷分析问题，完成了整体载荷仿真。计算结果表明，风浪共同作用下的最大力矩大于风和浪单独作用下载荷简单直接叠加。

（4）承台结构在风电机组倾覆力矩作用下表现为复杂的三维受力状态，产生较大范围的超出混凝土抗拉强度的拉应力区。应采用钢筋混凝土三维非线性有限元方法进行混凝土和连接件联合承载分析，并根据拉应力图形面积采用非杆件体系钢筋混凝土结构配筋方法进行结构设计，并应对承台结构进行疲劳强度分析。

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Design Features and Essential Mechanical Issues of High-Rise Cap with Multiple Pile Foundation for Offshore Wind Turbine Generators

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

国家自然科学基金资助项目（11232012）；上海市自然科学基金资助项目（14ZR1427500）；上海市科委科技攻关计划资助项目（11dz1200202，13dz1202204）

林毅峰(1975-)，男，工学博士、教授级高级工程师，从事海洋新能源和海洋工程勘测设计和科研。E-mail：lyf@sidri.com