抗疲劳设计

在风电机组服役过程中，单桩基础将长期承受风、波浪等的疲劳荷载作用，焊缝疲劳损伤过大将引起焊缝断裂，影响单桩基础结构安全。

风电基础的抗疲劳设计，需对单桩基础的焊缝疲劳进行校核，校核过程中需评估风、浪及施工引起的疲劳损伤。当疲劳校核不满足设计要求时，可通过对焊缝的处理或适当增大壁厚，使得疲劳损伤满足设计要求。

基于Miner线性损伤累积理论对单桩基础的环焊缝疲劳损伤进行计算分析。焊缝疲劳S-N曲线根据DNVGL-RP-C203规范（2016）选用。

单桩基础的疲劳损伤主要包括施工期打桩疲劳损伤，以及运行期风浪联合作用下的疲劳损伤。

施工期单桩基础的焊缝疲劳损伤分析主要包括：通过打桩分析软件GRLWEAP，根据锤型及锤击计划，获得沉桩过程中不同位置焊缝名义应力幅值及作用次数，采用DNVGL-RP-C203规范(2016)建议的应力集中系数SCF计算法获得焊缝位置的热点应力，基于DNVGL-RP-C203规范(2016)推荐的S-N曲线，计算获得热点应力对应的疲劳破坏次数。根据作用次数及疲劳破坏次数，结合设计疲劳系数DFF，最终获得施工期焊缝疲劳损伤。

运行期单桩基础的焊缝疲劳损伤分析，应首先计算风、浪疲劳载荷下焊缝处弯矩，获得单桩基础焊缝位置的名义应力，而后根据风、浪联合作用的次数，采取与施工期疲劳分析相同的方法，获得运行期单桩基础的疲劳损伤。

防冲刷设计

海流冲刷会以一种不利的方式改变海上风电整机结构固有频率，特别是按照在沙质土壤中的海上风机单桩基础。最大冲刷深度取决于单桩基础的直径、流量、弗劳德数和土壤特点。

图3 冲刷示意图

研究表明，不同冲刷深度对支撑结构的自振频率产生不同程度的影响。冲刷深度越大，支撑结构的自振频率越低，更容易引发运行中过大振动及疲劳荷载的增加。

为降低局部冲刷对单桩基础的影响，在桩周海床面铺设砂被对单桩基础进行防冲刷保护。在基础周围分级放置块石到海床上，以稳定海床。根据海流流速、地质特性等情况，确定抛石范围，一般为约5~15m的圆环。

抗冰设计

由于海冰的弯曲强度远远小于其抗压强度，因此，基础采用合适的结构形式将使得海冰变为弯曲破坏，可以大大减小海冰的作用力。对于单桩基础而言，在桩身潮位附近加装锥体结构，冰与锥体在相互作用时能够将海冰的破坏模式由挤压破坏改变为弯曲破坏，可以使得海冰作用在结构上的荷载大大降低。

此外，柔性结构在海冰动力作用下，通常会产生一定幅值的振动，被称为冰激振动。在特定冰况下，受结构运动的影响，海冰挤压破坏稳定在韧脆转变区间，形成与结构固有频率“锁定”的“锯齿形”冰力。现场观测和模型试验均发现，冰力作用下结构的振动存在“频率锁定”现象。已有研究成果表明，我国渤海及黄海北部的海冰特征所导致的冰激振动问题比极区国家更加突出，强烈的稳态加速度振动会影响设备运行和导致人员感受不适，而大量的试验与现场观测也表明，当结构上增加锥体结构后，冰激振动的危害会大大降低。

图4 单桩抗冰锥结构设计

抗冰锥的设计应采取如下措施：

在桩腿上的冰磨蚀区安装正、倒锥组合体抗冰结构。根据潮差计算冰磨蚀区的范围，抗冰锥圆管环的位置设置于0.25 m高程处。

根据所算的冰蚀区范围，考虑冰排一定的爬高，整个抗冰锥高约7.5m。上下锥对称布置，锥角约为60°。

为了便于单桩基础安装施工，抗冰锥应采用后灌浆套筒形式，在主体钢管桩沉桩结束后，将冰锥套筒通过高强灌浆料后灌浆，使之与钢管桩结构成为一个整体。

抗冰锥体结构采用Q345 E级钢建造，抗冰锥体结合部设有水密隔板和圆管环，将抗冰锥体分隔为上、下两个独立的水密室。锥壳内部设径向肋板，肋板端部与导管架主腿及水密隔板焊接。锥壳板、水密隔板和肋板之间的连接均以圆管环为过渡构件。J形管等附属设施在锥体上的布置间隔匀称，避免出现冰堵塞，且便于抗冰锥体的建造。在主体及其他构件形式基本确定后，需要对结构进行有限元分析，确定各构件尺寸。

结语

本上下两篇文章基于国内外单桩基础的设计经验与实践，首先归纳介绍了单桩基础的主要设计流程，然后重点介绍了承载能力、结构体系避振、抗疲劳、防冲刷、抗冰等关键技术问题。本文基于国内外单桩基础的设计经验与实践，首先归纳介绍了单桩基础的主要设计流程，然后重点介绍了承载能力、结构体系避振、抗疲劳、防冲刷、抗冰等关键技术问题，简要分析了各个关键技术的核心要点和主要措施。通过不断发展和改进海上风力发电机组支撑结构和基础设计，能够有助于实现降低单位电量成本，以及增加海上风力发电机组项目设计寿命，对我国海上风电大型化、规模化发展具有重要意义。