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摘要：高桩承台基础对软土地基适应性好、整体性好、刚度大，被广泛应用于海上风电项目。本工程高桩承台基础中设置钢结构连接件传递风机荷载，以保证结构安全运行。本文通过有限元模型分析，在荷载作用下，塔筒一侧最大Mises应力约为114MPa，小于钢材屈服强度值，不会发生破坏，连接件最大Mises应力为44MPa，安全裕度较大。混凝土承台一侧顶面以下1.4m深度内最大拉应力超过材料抗拉强度，會发生裂缝，但连接件钢板会保证结构正常安全运行。承台混凝土最大压应力为9.3MPa，小于混凝土抗压强度，不会出现压碎破坏。高桩承台基础强度满足设计条件，结构能够安全运行，不会发生破坏。
关键词：海上风电；高桩承台基础；连接件；强度
1 项目概况
1991年，丹麦在波罗的海Vindeby附近兴建了世界上第一个商业化海上风电场。该风场11台450kW单机，总装机容量为4.95MW，自此，海上风电场得到快速发展。据全球风能理事会（GWEC）“2017全球风电报告”数据，全球海上风电累计装机容量18814MW，较2016年（14384MW）增长30%。截止2017年底，欧洲继续保持全球最大海上风电场市场定位，建成并网总容量15780MW，其中2017年建成并网容量达3148MW。中国作为海上风电的后起之秀，在过去10年中风电得到飞跃发展，截止2017年底，我国建成并网总容量18839MW，2017年新增装机容量1966MW，无论是风电新增装机容量还是累积装机容量，中国均稳居世界第一。
《大连市循环经济发展规划》中鼓励企业积极利用海水、污水、废水资源，降低水资源消耗，鼓励利用太阳能、风能等促进能源结构多元化发展。《辽宁省海洋功能区划（2011-2020）》在“海洋开发与保护战略布局”中明确“开发花园口、庄河海域的海上风电资源”，同时，在“海洋功能分区和管理要求”中也再次提出开发海上风电。三峡新能源大连市庄河Ⅲ（300MW）海上风电场项目在此背景下得到快速推进，三峡新能源大连市庄河Ⅲ（300MW）海上风电场项目[1]位于辽宁省大连市庄河海域，为《大连市海上风电场工程规划报告》中的III场址，位于庄河规划风电场I场址南侧，II场址的东侧，北侧距离航道约1km以上，避开海洋红港口近海航运区，西侧距离航道2km以上。风电场南北长8.6km，东西7.7km，场址中心距离岸线约22.2km，面积约63.3km2。
根据海上风电场建设经验及成果，风机基础主要包含单桩基础、导管架基础、低三脚架基础、高门架基础、重力式基础、高桩承台基础及浮动风机基础平台等形式。其中单桩基础结构简单、施工快，但是较难进行倾斜度控制、打桩过程中对顶法兰保护等；高桩基础对软土地基适应性好，整体性好，刚度大，防撞性能高。因此根据地勘条件，本工程地质条件较好的机位点，风机基础采用单桩基础，地质条件差的机位点采用高桩基础。
本工程高桩承台基础[2]，风机塔架通过过渡段连接到基础承台上，为确保上部风机荷载够安全的传递到桩基础上，在过渡段和钢管桩桩顶之间设置了一个钢结构连接件，上部风机荷载通过该连接件与混凝土的协同作用传递到桩基础上。本文利用有限元程序对基础的连接件模型进行分析，计算模型由连接件、承台、过渡段结构组成。
2 荷载及材料
2.1 荷载标准值
（1）自重
结构自重是分布荷载，根据结构的质量分布和密度在软件中自动施加。
（2）潮汐
工程海域理论深度基准面位于平均海平面以下3.22m。工程海区潮汐类型为正规半日潮。本文采用极端高水位（50年一遇高潮位，H=3.81m），计算承台的静水压力和水位以下结构的浮力。
（3）波浪荷载
工程海域强浪向随季节变化特征非常明显，强浪向主要出现S～SW向，其次为NE向，50年一遇极端高水位下H1%最大约为7.33m，水平波浪对应的周期T=7.80s，根据水深计算出波浪周长L=89.79m；竖向波为不规则波，周期T=8.99s，根据水深计算出波浪周长L=112.46m。根据《港口与航道水文规范》规范[3]，计算得到的承台波浪荷载为：水平力FX=4626.55 kN，弯矩MX=3814.05kN*m，竖向力FZ=2611.82 kN（竖直向上）。
（4）海流
工程海域为正规半日潮流区，潮流运动形式以旋转流为主，潮波均呈现明显的前进波特性。本工程设计最大流速为0.75m/s，根据《港口工程荷载规范》，作用于港口工程结构上的水流力标准值[4]应按下式（1）计算：
（5）风机荷载
根据风机厂家提供的荷载报告，选用风机极端工况的计算荷载用以验算连接件及承台的承载力。根据厂家荷载报告，等效至塔筒底面的荷载值为：MX=4727.21 kN*m，My=128964 kN*m，Mz=630.75 kN*m，FX=1541.95 kN，Fy=12.69 kN，Fz=8003.45 kN（竖直向下）。
（5）荷载分项系数
根据《海上风电场工程风电机组基础设计规范》（送审稿），各荷载分项系数为：风机机组荷载为1.5，波浪荷载和水流荷载为1.35，自重为1.0。其中风机机组荷载为主导可变荷载，波浪荷载和水流荷载仍需乘以荷载组合系数0.7。
2.2 材料属性
本结构承台采用C45高性能海工混凝土，连接件采用Q345钢板，厚度为30mm、40mm、60mm，过渡段塔筒采用Q345钢板，厚度为60mm。其中钢板对用的弹性模量E=2.06×105 N/mm2，密度=7850 kg/m3，泊松比=0.3，对应的屈服强度=315 MPa；C45高性能海工混凝土的的弹性模量E=3.35×104 N/mm2，密度=2400 kg/m3，泊松比=0.167，对应的抗拉强度=1.8 MPa，抗压强度=21.1 MPa。 3 有限元分析
3.1 有限元模型
由于桩体对连接件及承台应力计算结果影响不大，本次模型暂不考虑桩体，只包含承台、连接件和过渡段塔筒。其中连接件和过渡段塔筒为薄壁结构，采用壳单元S4R模拟，混凝土为实体结构采用六面体C3D8单元模拟。风机厂家提供荷载为塔筒底部中心处的集中荷载，为更好的模拟风机塔筒荷载的加载，本文在塔筒底部使用刚体单元R3D4，并在刚体单元中心处建立一个参考点，将刚体单元与参考点耦合，并将荷载加载在参考点处。此时，参考点的荷载即为风机荷载，并使用刚体单元传递到塔筒处，且刚体单元不发生不行吸收能量，不会减少荷载值。
3.2 计算结果
塔筒和连接件计算结果见图1，塔筒和连接件属于钢结构为塑性构件，采用第四强度理论校核强度。由图1所示，由于风机荷载弯矩较大，塔筒与承台连接处一侧出现较大应力，最大Mises应力约为114MPa，小于钢材屈服强度值，不会发生破坏。连接件最大Mises应力为44MPa，安全裕度较大。
承台计算结果见图2，承台为混凝土构件为脆性材料，采用第一强度理论校核其强度。由图2所示，由于风机荷载弯矩较大，混凝土与塔筒交界面一侧表面出现较大拉应力，约为7.5MPa，至承台1.4m深度后最大拉应力降至1.7MPa，小于混凝土抗拉强度1.8MPa。所以在承台塔筒半径处，顶部1.4m深度内会出现局部裂缝，但是由于此范围内还有连接件钢板，结构仍能正常运行。根据计算结果，承台混凝土最大压应力为9.3MPa，小于混凝土抗压强度21.1MPa，不會出现压碎破坏。
4 结论
本文按照结构施工图建立高桩承台基础的有限元模型，分析结构在荷载作用下强度能否满足条件，其中钢结构属于塑性构件，采用第四强度理论校核，混凝土属于脆性构件，采用第一强度理论校核，根据计算结果：
（1）由于风机荷载弯矩较大，承台基础约束，塔筒过渡段近似为悬臂结构，与承台接触处一侧最大Mises应力约为114MPa，小于钢材屈服强度值，塔筒过渡段不会发生破坏。
（2）混凝土承台内部连接件由于混凝土结构的包裹作用，应力较小，最大Mises应力为44MPa，远远小于其屈服强度，安全裕度较大。
（3）混凝土承台一侧由于风机荷载弯矩较大，顶部与塔筒交界面一侧出现较大拉应力，约为7.5MPa，至承台1.4m深度后最大拉应力降至1.7MPa，此1.4m深度范围内混凝土会发生裂缝，但此范围内均有连接件钢板，结构仍能保证完整性，能够安全运行。
（4）混凝土承台最大压应力为9.3MPa，小于混凝土抗压强度，不会发生压碎破坏，混凝土承台安全。
高桩承台基础塔筒过渡段、连接件和混凝土承台互为整体，能够保证在荷载作用下结构安全稳定运行。
参考文献：
[1]上海勘测设计研究院. 三峡新能源大连市庄河Ⅲ（300MW）海上风电场项目可行性研究报告[R].上海：上海勘测设计研究院，2016.
[2]上海勘测设计研究院. 三峡新能源大连市庄河Ⅲ（300MW）海上风电场项目施工图设计[R].上海：上海勘测设计研究院，2018.
[3]JTS 145-2015，港口与航道水文规范 [S].
[4]JTS 144-1-2010，港口工程荷载规范 [S].
[5]海上风电场工程风电机组基础设计规范（送审稿）[S].
作者简介：
蔡小莹，女，硕士研究生，主要从事水电设计、风电设计、数据挖掘等工作。
关键词：海上风电；高桩承台基础；连接件；强度
1 项目概况
1991年，丹麦在波罗的海Vindeby附近兴建了世界上第一个商业化海上风电场。该风场11台450kW单机，总装机容量为4.95MW，自此，海上风电场得到快速发展。据全球风能理事会（GWEC）“2017全球风电报告”数据，全球海上风电累计装机容量18814MW，较2016年（14384MW）增长30%。截止2017年底，欧洲继续保持全球最大海上风电场市场定位，建成并网总容量15780MW，其中2017年建成并网容量达3148MW。中国作为海上风电的后起之秀，在过去10年中风电得到飞跃发展，截止2017年底，我国建成并网总容量18839MW，2017年新增装机容量1966MW，无论是风电新增装机容量还是累积装机容量，中国均稳居世界第一。
《大连市循环经济发展规划》中鼓励企业积极利用海水、污水、废水资源，降低水资源消耗，鼓励利用太阳能、风能等促进能源结构多元化发展。《辽宁省海洋功能区划（2011-2020）》在“海洋开发与保护战略布局”中明确“开发花园口、庄河海域的海上风电资源”，同时，在“海洋功能分区和管理要求”中也再次提出开发海上风电。三峡新能源大连市庄河Ⅲ（300MW）海上风电场项目在此背景下得到快速推进，三峡新能源大连市庄河Ⅲ（300MW）海上风电场项目[1]位于辽宁省大连市庄河海域，为《大连市海上风电场工程规划报告》中的III场址，位于庄河规划风电场I场址南侧，II场址的东侧，北侧距离航道约1km以上，避开海洋红港口近海航运区，西侧距离航道2km以上。风电场南北长8.6km，东西7.7km，场址中心距离岸线约22.2km，面积约63.3km2。
根据海上风电场建设经验及成果，风机基础主要包含单桩基础、导管架基础、低三脚架基础、高门架基础、重力式基础、高桩承台基础及浮动风机基础平台等形式。其中单桩基础结构简单、施工快，但是较难进行倾斜度控制、打桩过程中对顶法兰保护等；高桩基础对软土地基适应性好，整体性好，刚度大，防撞性能高。因此根据地勘条件，本工程地质条件较好的机位点，风机基础采用单桩基础，地质条件差的机位点采用高桩基础。
本工程高桩承台基础[2]，风机塔架通过过渡段连接到基础承台上，为确保上部风机荷载够安全的传递到桩基础上，在过渡段和钢管桩桩顶之间设置了一个钢结构连接件，上部风机荷载通过该连接件与混凝土的协同作用传递到桩基础上。本文利用有限元程序对基础的连接件模型进行分析，计算模型由连接件、承台、过渡段结构组成。
2 荷载及材料
2.1 荷载标准值
（1）自重
结构自重是分布荷载，根据结构的质量分布和密度在软件中自动施加。
（2）潮汐
工程海域理论深度基准面位于平均海平面以下3.22m。工程海区潮汐类型为正规半日潮。本文采用极端高水位（50年一遇高潮位，H=3.81m），计算承台的静水压力和水位以下结构的浮力。
（3）波浪荷载
工程海域强浪向随季节变化特征非常明显，强浪向主要出现S～SW向，其次为NE向，50年一遇极端高水位下H1%最大约为7.33m，水平波浪对应的周期T=7.80s，根据水深计算出波浪周长L=89.79m；竖向波为不规则波，周期T=8.99s，根据水深计算出波浪周长L=112.46m。根据《港口与航道水文规范》规范[3]，计算得到的承台波浪荷载为：水平力FX=4626.55 kN，弯矩MX=3814.05kN*m，竖向力FZ=2611.82 kN（竖直向上）。
（4）海流
工程海域为正规半日潮流区，潮流运动形式以旋转流为主，潮波均呈现明显的前进波特性。本工程设计最大流速为0.75m/s，根据《港口工程荷载规范》，作用于港口工程结构上的水流力标准值[4]应按下式（1）计算：
（5）风机荷载
根据风机厂家提供的荷载报告，选用风机极端工况的计算荷载用以验算连接件及承台的承载力。根据厂家荷载报告，等效至塔筒底面的荷载值为：MX=4727.21 kN*m，My=128964 kN*m，Mz=630.75 kN*m，FX=1541.95 kN，Fy=12.69 kN，Fz=8003.45 kN（竖直向下）。
（5）荷载分项系数
根据《海上风电场工程风电机组基础设计规范》（送审稿），各荷载分项系数为：风机机组荷载为1.5，波浪荷载和水流荷载为1.35，自重为1.0。其中风机机组荷载为主导可变荷载，波浪荷载和水流荷载仍需乘以荷载组合系数0.7。
2.2 材料属性
本结构承台采用C45高性能海工混凝土，连接件采用Q345钢板，厚度为30mm、40mm、60mm，过渡段塔筒采用Q345钢板，厚度为60mm。其中钢板对用的弹性模量E=2.06×105 N/mm2，密度=7850 kg/m3，泊松比=0.3，对应的屈服强度=315 MPa；C45高性能海工混凝土的的弹性模量E=3.35×104 N/mm2，密度=2400 kg/m3，泊松比=0.167，对应的抗拉强度=1.8 MPa，抗压强度=21.1 MPa。 3 有限元分析
3.1 有限元模型
由于桩体对连接件及承台应力计算结果影响不大，本次模型暂不考虑桩体，只包含承台、连接件和过渡段塔筒。其中连接件和过渡段塔筒为薄壁结构，采用壳单元S4R模拟，混凝土为实体结构采用六面体C3D8单元模拟。风机厂家提供荷载为塔筒底部中心处的集中荷载，为更好的模拟风机塔筒荷载的加载，本文在塔筒底部使用刚体单元R3D4，并在刚体单元中心处建立一个参考点，将刚体单元与参考点耦合，并将荷载加载在参考点处。此时，参考点的荷载即为风机荷载，并使用刚体单元传递到塔筒处，且刚体单元不发生不行吸收能量，不会减少荷载值。
3.2 计算结果
塔筒和连接件计算结果见图1，塔筒和连接件属于钢结构为塑性构件，采用第四强度理论校核强度。由图1所示，由于风机荷载弯矩较大，塔筒与承台连接处一侧出现较大应力，最大Mises应力约为114MPa，小于钢材屈服强度值，不会发生破坏。连接件最大Mises应力为44MPa，安全裕度较大。
承台计算结果见图2，承台为混凝土构件为脆性材料，采用第一强度理论校核其强度。由图2所示，由于风机荷载弯矩较大，混凝土与塔筒交界面一侧表面出现较大拉应力，约为7.5MPa，至承台1.4m深度后最大拉应力降至1.7MPa，小于混凝土抗拉强度1.8MPa。所以在承台塔筒半径处，顶部1.4m深度内会出现局部裂缝，但是由于此范围内还有连接件钢板，结构仍能正常运行。根据计算结果，承台混凝土最大压应力为9.3MPa，小于混凝土抗压强度21.1MPa，不會出现压碎破坏。
4 结论
本文按照结构施工图建立高桩承台基础的有限元模型，分析结构在荷载作用下强度能否满足条件，其中钢结构属于塑性构件，采用第四强度理论校核，混凝土属于脆性构件，采用第一强度理论校核，根据计算结果：
（1）由于风机荷载弯矩较大，承台基础约束，塔筒过渡段近似为悬臂结构，与承台接触处一侧最大Mises应力约为114MPa，小于钢材屈服强度值，塔筒过渡段不会发生破坏。
（2）混凝土承台内部连接件由于混凝土结构的包裹作用，应力较小，最大Mises应力为44MPa，远远小于其屈服强度，安全裕度较大。
（3）混凝土承台一侧由于风机荷载弯矩较大，顶部与塔筒交界面一侧出现较大拉应力，约为7.5MPa，至承台1.4m深度后最大拉应力降至1.7MPa，此1.4m深度范围内混凝土会发生裂缝，但此范围内均有连接件钢板，结构仍能保证完整性，能够安全运行。
（4）混凝土承台最大压应力为9.3MPa，小于混凝土抗压强度，不会发生压碎破坏，混凝土承台安全。
高桩承台基础塔筒过渡段、连接件和混凝土承台互为整体，能够保证在荷载作用下结构安全稳定运行。
参考文献：
[1]上海勘测设计研究院. 三峡新能源大连市庄河Ⅲ（300MW）海上风电场项目可行性研究报告[R].上海：上海勘测设计研究院，2016.
[2]上海勘测设计研究院. 三峡新能源大连市庄河Ⅲ（300MW）海上风电场项目施工图设计[R].上海：上海勘测设计研究院，2018.
[3]JTS 145-2015，港口与航道水文规范 [S].
[4]JTS 144-1-2010，港口工程荷载规范 [S].
[5]海上风电场工程风电机组基础设计规范（送审稿）[S].
作者简介：
蔡小莹，女，硕士研究生，主要从事水电设计、风电设计、数据挖掘等工作。