应对海洋挑战，高效的海上风机单桩基础设计

2024/04/09

近年来，我国海上风电产业蓬勃发展，而海上风机的稳固基础——单桩基础设计，备受关注。单桩基础作为支撑海上风机的关键组成部分，承受着来自海洋环境的多重挑战。本文将就海上风机单桩基础的应用特点、关键技术以及高效设计工具进行探讨，为海上风电工程的设计与施工提供参考。

海上风电单桩基础

一、海上风机单桩基础的应用特点

海上单桩基础不仅要应对自身的重量，还需抵御来自风浪、洋流等海洋环境的多重挑战。在选择基础型式时，需综合考虑海水深度、地质条件、环境条件等因素。一般而言，单桩基础适用于水深在0~40m范围内、海床较为坚硬的水域。其简单、广泛的应用特点使其成为海上风机的首选基础类型之一。

二、海上风机单桩基础设计关键技术

①承载能力设计：海上风机的高耸结构使得单桩基础需承受来自海洋环境的水平载荷及弯矩。因此，轴向荷载能力和水平荷载能力是设计中的重点考虑因素。合理选择轴向荷载能力和考虑水平荷载的影响，是保证单桩基础稳定性的关键。

②结构体系避振设计：为防止结构受到外界激励而发生振动，需要设计合适的结构避振系统。考虑到单桩基础的相对柔软，通常采用“刚-柔”型式的设计，以兼顾避振效果和经济性。

③设计工具支持：海上风机单桩基础设计需要借助专业的设计软件，如Bentley PLAXIS Monopile Designer。该软件通过先进的有限元解决方案，能够精确分析单桩基础的承载能力和结构稳定性，为设计工作提供了高效便捷的支持。

三、我国已有的海上风电技术标准

以下列举了项目实施各个阶段我国已有的海上风电技术标准，包括但不限于：

(1)在规划阶段，我国已经具有一系列针对于海上风电场工程项目前期的编制规程；

(2)在设计阶段，除表1所示的几部规范标准外，我国暂无其他的统一标准。设计院在对海上风电场设施进行设计时，主要依据我国的水工、建筑、海工行业标准或国外相关标准，涉及到LRFD/WSD结构设计规范、结构荷载规范、抗震设计规范、钢结构规范、桩基设计规范和防腐技术规范等。

(3)在陆地建造阶段，除《海上风力发电工程施工规范》(GB/T 50571-2010)、《海上风电场钢结构防腐蚀技术标准》(NB/T 31006-2011)外，我国暂无其他的统一的技术标准，主要采标水工、建筑、海工行业标准或参照国外相关标准；

(4)在海上施工阶段，由三峡集团牵头编制的国标《海上风力发电工程施工规范》(GB/T 50571-2010)已于2010年发布，该规范主要对施工准备、施工交通运输、基础工程施工、风力发电设备安装、海底电缆敷设、工程观测与检测、风电场的调试与试运行以及施工管理等提出相关要求。此外，还有一部由三峡集团牵头编制的能标《海上风电场工程施工安全技术规范》(NB/T 10393-2020)于2020年发布，该规范针对海上风电场工程施工安全、防止和减少施工过程中的人身伤害和财产损失制定相关要求；

(5)在运营阶段，一般前期的运营均由风机制造商完成风机的运营维护，企业参照厂家运维说明、国外标准或其它行业标准开展工作。国标《海上风力发电机组运行及维护要求》(GB/T 37424-2019)已于2019年生效，填补了国内运维标准的空白；

(6)在弃置阶段，目前由于尚未涉及到风电场设施弃置的工程实例，所以我国暂无相关的规范标准。

四、高效的海上风机单桩基础设计离不开好的设计工具

Bentley PLAXIS Monopile Designer是一款专业的海上风电单桩基础设计软件，具备成熟的有限元解决方案和高效的设计方法。它将 PISA 联合产业研究项目的研究成果转化为日常工程实践。

PLAXIS Monopile Designer 能够显著减少每个单桩的钢材量，从而降低风力发电厂的总成本。它可以作为独立工具用于基于规则的设计方法，也可以与 PLAXIS 3D 相结合用于基于数值的设计方法。帮助工程师优化设计方案，降低工程成本，提高工程效率。

PLAXIS Monopile Designer

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