0 引言
面对能源短缺和气候变化等问题，仍需找到既能满足能源需求、又能降低二氧化碳排放的解决方法，开发海上风能资源是其中一条思路。
我国《风电发展“十三五”规划》指出，应积极稳妥推进海上风电建设，促进产业技术自主创新，突破近海风电场设计和建设成套关键技术，掌握海上风电机组基础一体化设计技术并开展应用示范。
随着我国海上风电场的不断建设，问题也逐渐显露出来。海上风机基础造价较高，有时甚至高达总造价的30%[1]，这一方面使海上风电的发展受到了较大的限制，另一方面也对海上风机基础的经济性提出了更高的要求。因此，急需深入开展海上风电机组基础的分析和设计研究工作。
由于海上风机受到风、浪等多种随机动力荷载作用，在海上风机基础的分析和设计中必须考虑其随机动力响应机制。因此，需引入广义概率密度演化方法对海上风机基础进行随机动力可靠度分析，揭示其动力响应机制的本质，推动其工程技术标准的制定，从而使我国的风电场建设保证安全性、满足经济性，实现海上风电的快速发展。
本文主要探究基于广义概率密度演化方法的海上风机单桩基础分析和设计的最新进展及其面临的挑战，风电机组系统的其他方面（如叶片的材料、机舱的框架和塔架的设计等）不在本文的讨论范围。
1 海上风机单桩基础设计难点
在为海上风机基础选型时，主要考虑水深、海床特性、荷载特性、施工技术和造价等因素。
海上风电机组属于高耸结构、动力设备，其基础承受复杂的荷载，包括轴力、剪力、弯矩和扭矩，其中轴力主要由风电机组的自重产生，剪力、弯矩、扭矩等是由环境条件和机器运转产生，而环境条件又包括风、浪、流、潮汐、地震等本质上具有随机性的侧向荷载。单桩支承的海上风机，其正常使用极限状态是受侧向荷载控制的，其中，极限风荷载是决定性影响因素。
尽管已有学者对侧向荷载作用下的海上风机基础的动力稳定性问题进行了初步探索，但仍有许多问题尚未解决。目前，在海上风电机组设计建造的过程中，桨叶、机舱、塔体部分由风机制造商设计制造，然后，由设计单位根据制造商提供的风机荷载进行基础的选型和设计。
我国现阶段尚未制定专门的海上风机基础设计标准，目前我国已建成和建设中的海上风电场，进行海上风机基础设计时往往是参考海上石油平台等建构筑物的标准[2-3]。而海上风电机组与海上石油平台等建构筑物的受力特点有很大的不同，海上风电机组是侧向荷载控制的，而海上石油平台是竖向荷载控制的，不能简单参照使用。在设计时，为保证海上风机能够安全正常运行，其基础设计通常偏于保守，从而导致风机基础造价居高不下，阻碍了海上风电的快速发展。因此，海上风机单桩基础的设计和分析问题亟待解决，海上风机基础的工程技术标准制定也必须继续进一步推进。
2 风机基础随机动力特性研究进展
李杰等[4-7]基于概率守恒原理，从随机事件的描述出发，通过对物理方程的解耦，提出了广义概率密度演化方程，其研究成果大大推进了多自由度结构体系的随机动力响应分析，为获得结构体系在任意时刻的随机动力响应概率密度函数提供了工具。
在随机侧向荷载的作用下，海上风机基础的随机动力响应特性也可利用广义概率密度方法进行分析，从而揭示海上风机基础的随机动力响应机制，为海上风机基础的优化设计提供理论依据，使海上风机基础满足经济性要求。
为研究随机脉动风作用下风电高塔系统的随机动力响应问题，贺广零等[8-9]利用有限元软件建立了“桨叶—机舱—塔体—基础”一体化模型进行数值模拟，分析比较重力式基础支撑的风机塔身材料选用钢或砼时的性能。该研究将广义概率密度演化理论推广应用到了风机的随机动力响应分析中，其研究结果表明，风机的性能受风荷载随机性影响显著。
M.J.Vahdatirad等[10]建立了数值模型，分析土体参数不确定性的影响下“风机—重力式基础”整体第一自然频率以及基础动力刚度的概率密度分布。该研究利用概率密度演化方法初步探索了疲劳极限状态下风机可靠度的确定。
海上风电项目中最广泛使用的基础类型是单桩基础。M.Damgaard等[11]建立了“风机—单桩基础—土体”综合模型，分析土体参数不确定条件下海上风机的动力行为。该研究发现土体的随机特性对风机及其基础的动力行为有显著影响。海上风机单桩基础的随机动力特性已经引起了学术界的广泛重视，但目前针对海上风机单桩基础在随机风荷载下的动力行为研究尚不多见。
3 面临的挑战
随着海上风机不断向大型化发展，其基础的尺寸也不断加大，基础在随机荷载作用下的动力响应、土体与基础的相互作用、地基阻尼对基础随机动力稳定性的影响等[12]也更加复杂。因此，应建立“风机—基础”一体化模型，开展随机侧向荷载作用下单桩动力行为和桩土相互作用的进一步研究，为海上风机单桩基础的优化设计提供理论基础[13]。
深海风电开发无疑是海上风能产业未来发展的方向，而深海风机基础的研究仍处于初级阶段。海啸、台风等随机动力荷载以及海洋生物活动等，都会对深海风机基础的动力稳定性造成影响。因此，应加快对深海风机基础的动力行为研究，为深海风电开发提供技术支持。
目前，欧洲、日本、美国等国家和地区掌握着海上风电开发领域最前沿的技术。我国海上风电开发刚刚起步，仍需不断学习和借鉴国外的先进理论，并结合我国的工程地质、海洋水文、气候等具体条件进行具体的分析和设计，加快发展海上风电，加速实现能源转型。
4 结语
随机侧向荷载作用下的海上风机单桩基础动力响应以及桩土相互作用仍有待研究。将广义概率密度演化方法应用到海上风机单桩基础的分析中，才能揭示随机侧向荷载作用下海上风机单桩基础的响应机制，才能真正为不同的风场设计最优的基础。因此，未来应大力开展基于广义概率密度演化方法的海上风力发电机组“风机—基础”一体化研究。
