摘要：海上风电技术的研发应用为我国国民生产可谓是带来了巨大效益，不仅能有效降低受化石等燃料燃烧等影响产生的环境污染，还能实现可再生清洁能源的合理开发，从而为人类的可持续发展奠定良好基础，随着历史进程的不断推进，海上风电技术也日益完善化，我国对该方面内容引起了高度重视。然而总体来说因其起步较晚，所以其中涉及到的一些关键环节自主研发仍处于空白阶段，并且基础设计尚不具备规范化指导，需相关专业技术人员能够积极参与进来。本文主要对海上风电风机基础设计展开详细分析探讨，仅供相关人士参考借鉴。
关键词：海上；风电风机；基础设计；关键技术
根据实践探索发现，海上风电普遍具有可利用时间较长、与负荷中心距离较近及功率密度较大等特点，在可再生能源领域应用中愈发受到国家关注重视，开始积极利用海上风能等优势对我国当前能源结构实施调整改革，借此不但能达到土地资源节省目的，还能推动社会的可持续发展前进[1]。总体来说，海床地质环境与陆地相比较而言复杂性较高，再加上海上风电风机基础设计技术广泛落后于发达国家，并且大型施工设备较为匮乏，都致使海上风电风机基础设计关键技术创新提出被列入到重要研究范围中，有利于实现能源安全可持续发展目的。
1 关于海上风电风机基础设计的简要阐述
现阶段，最常见海上风电风机基础型式无非在于以下几项：超大直径单桩基础、三脚架基础、重力式浅基础及吸力式桶形基础等，其中提到的三脚架基础、重力式浅基础及超大直径单桩基础在具体应用开展时均需具备大型打桩船舶或是海上吊运船舶，因而往往投资成本也是较高，但无论是基础设计还是施工技术要求都普遍较低。根据相关调查显示可知，风力发电技术在可再生能源中属于较为成熟一项内容，并且未来发展前景较佳，再加上我国海域辽阔拥有极其丰富风能资源，都使海上风电与普通风电相比较存在着众多优势，具体包括以下几点内容；第一，海上风力大于陆地风力规模，并且稳定性能较好；第二，据调查统计可知，陆地风电场平均可达到15MW，而海上风电场平均规模已达到300MW左右，是前者的20多倍；第三，能将海上风能转化成电力，即为风能开发利用效率达到40%，而陆地开发效率仅仅为25%，甚至海上风电存在优势远远不止这些，例如：不占用任何土地资源，不会受到周围环境等因素影响等[2]。据统计，到目前为止，我国海上风电累计装机已达到5.53MW左右，在全球海上风电发展中占据着重要地位，仅次丹麦和英国名列世界第三，然而在新时代发展背景下，海上风电风机基础设计技术仍需展开更深层次创新研发，促使我国海上风电风机能够上升到一定层次。
2 海上风电风机基础设计的关键技术应用方案
2.1海洋环境荷载
具体可从以下两方面环节展开思考分析：第一，波浪和水流荷载。据调查了解到，海上风机基础大多会使用桩式基础类型，将其截面形状设为圆形，一旦桩直径和波长相比较呈现出较小状态则表示波浪场不会受到桩柱因素影响制约，而对于波流力计算和波浪力计算最好可采取莫里森方程手段，在此过程中充分考虑到海上风电风机特点和海波浪数据等因素，确保最终计算结果真实准确性。同时在借助线性波理论展开桩基和墩柱计算时，需严格遵守《海港水文规范》中提到的相关标准规范，综合考虑到水流和波浪等因素，或者还需遵守上述规范中涉及到的波浪在水流作用下的变形情况，便于得到较为准确的波流力和波流力矩数值。除此之外，对于作用在桩基上的水流荷载需按照《港口工程荷载规范》内容落实执行，避免受到深度、桩间横向及斜向水流等因素影响制约[3]。第二，冰荷载。往往海上区域在某一特定时期都会产生不同程度冰情，其中以辽东湾最为突出严重，具体可将冰荷载分为两种类型：一是作用在结构上的最大静冰力，还有一种则是作用在结构上的交变冰荷载，往往这种荷载容易引发结构振动，因此这就需要设计人员在进行海上风电风机基础设计时能充分结合最大冰力情况，并且在展开导管架基础结构设计时最好应使用强迫振动模型和自激振动模型展开冰力分析探讨，避免导管架结构受到振动频率影响出现不利后果[4]。
2.2桩土相互作用影响
根据我国最新制定提出的《建筑桩基规范》可以了解到，通常在采用线性“m”法时需充分考虑到桩基水平荷载较大背景下的时桩应用情况，即为土间横向约束，随后还要利用较为准确摩阻力标准值和端阻力标准值来对土间的竖向约束进行考虑分析，往往该种方法主要适用于海上桩基出现较大程度位移情况下，普遍具有非线性特点，重点推荐使用《海上固定平台规范设计和工作应力设计法》中提到的“p-y”曲线方法，不仅能实现土间的互相作用影响，还能更真实反映出地基和基础二者之间的非线性横向约束关系，实现海上风电风机基础设计的最佳成效[5]。
2.3承载力变形
在进行海上风电风机基础设计时，往往承载力情况如何也是设计人员需引起高度重视的一项内容，具体可从以下两点展开详细阐述：第一，承载力计算。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆海上风电风机基础设计的最常见方法便是允许应力法和设计应力法，其中允许应力法需严格按照《海上固定平台规范设计和工作应力设计法》规范标准落实，确保设计计算工作的安全高效展开，并且在此期间最大特点就是可将钢材使用到最大强度状态，再除以一个安全系数就能得到结构计算的允许最大应力，即为利用一个固定安全系数来准确衡量结构是否安全可靠，虽然操作过程简洁方便但不能从定量角度对结构可靠性进行设计计算，否则结构安全性将无法满足实际要求。而设计应力法则需要严格按照《钢结构设计规范》展开设计计算工作，在考虑到可靠性基础上选择科学合理化极限设计手段，再加上对施工材料强度不确定性因素的深入掌握，便于进一步明确最终设计结果，实现海上风电风机基础设计的最佳状态[6]。第二，变形控制。通常来说，海上风电风机基础结构设计不仅仅需考虑到施工材料强度要素，更要考虑到结构自身强度情况，在确保施工材料不遭到任何破坏基础上避免风机等设备出现变形，目前国内外对于海上风电风机基础变形都尚且不具备统一化约束要求，所以沉降和倾斜率控制指标只能参考《风力发电机组塔架地基基础设计技术规定》内容落实，便于更好满足厂商提出的最小水平刚度和最小抗倾覆刚度需求，推动海上风电风机基础设计工作的顺利实施。
2.4动力特征和疲劳分析
在对海上风电风机基础结构的振动响应展开分析工作时，最好可采用大型有限元软件构建系统完善桩--土--基础的统一结构模型，有利于实现桩土之间的相互作用影响，并且还可使用截面梁单元模拟风机塔架结构，借助质量块单元对塔顶风机机组和叶轮进行模拟，有利于达到非线性相互作用目的。同时对整个系统模型自振情况的有效分析可实现海上风电风机基础设计最佳成果。除此之外，在海上风机基础结构受到动力循环荷载作用背景下，管节点位置的集中现象对接头使用寿命带来了严重不利影响，可以说是海上风电风机基础设计的疲劳所在，因此为有效解决这一问题就需设计人员能严格按照《海上钢结构疲劳强度分析推荐作法》内容落实执行，明确提出海上风电风机基础钢结构在空气条件下应采用的曲线法，并充分考虑到所有可能发生因素，避免海上风电风机基础设计出现任何不利影响[7]。在此期间还需注意一点就是在利用有限元软件展开计算时，钢管采用的双线性会随着模型结构的不断变化而做出适当调整，通常适用于同性材料应变问题上，并且还能考虑到金属或合金在加载后可能出现的变形情况，及时提出治理性措施，促使海上风电风机基础设计能够达到最佳理想状态。
2.5做好冲刷分析工作
基于我国海上领域来说，最常见冲刷计算方法即为王汝凯公式，往往在具体应用过程中不但要考虑到因受潮流作用影响引发的冲刷现象，更要提高自身对波流共同作用重视程度，在海上风电风机基础设计开展时可按照《海港水文规范》内容对波浪水质日常流动速度进行准确计算，随后再将其与潮流速度叠加在一起，最终得到科学合理波流合成速度数值。同时因受海洋环境复杂因素影响，导致设计人员在进行冲刷深度计算时能适当预留出一定空间，并在基桩四周位置都积极采取相应经济有效措施，如防冲刷处理手段，特别是对于海洋水文资料较匮乏和海床冲刷侵蚀严重区域更要借助水力学模型构建来进一步明确海上冲刷范围及深度，在此基础上设置相应防护栏，及时提出一系列有效防护措施，促使海上风电风机基础设计能够顺利贯彻执行[8]。
结束语：
总而言之，当前海上风电风机基础设计工作可以说得到了广泛关注，为实现基础设计关键技术应用的合理化和有效性目的，设计人员就需做到以下几点要求，如在风电风机设计前对海洋水文气象及地质情况展开详细勘察了解，提出科学性基础设计方案，能够参考力学分析模型构建展开整体力学分析，做好相关细节处理工作，促使关键技术能够不断创新完善，实现海上风电风机基础设计最佳效果。
参考文献：
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[2]潘祖兴，吴关叶，赵生校.四腿桁架式海上风机基础结构优化设计[J].哈尔滨工程大学学报，2018（4）：644-651，729.
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[6]何小华，张力.海上风机基础阴极保护设计与应用[J].南方能源建设，2015（3）：76-79.
[7]刘红军，李洪江.黄河三角洲海上风机新型吸力锚基础型式分析[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2014（7）：71-76.
[8]高宏飙，诸浩君，钱正宏，等.海上风机单桩基础浪溅区腐蚀及复层包覆防护技术的应用[J].中国港湾建设，2014（5）：57-61.
作者简介：
张纯永（1985.07），男，汉族，河南周口人，硕士，工程师，从事海上风机基础设计研究
陆南辛（1988.11-），男，汉，湖南省常德市，硕士，工程师，从事海上风电研究方向
论文作者:张纯永,陆南辛
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/9/12
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