海上單樁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷-基礎(chǔ)全工況一體化設(shè)計

摘 要：海上風(fēng)電機(jī)組受到的外力載荷較為復(fù)雜，如何考慮所有外載的相互耦合對于獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形等動力響應(yīng)起到了關(guān)鍵性作用，同時也是響應(yīng)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組降本需求的重要手段。通過浙江某海上風(fēng)電項目的單樁基礎(chǔ)分析對比分離式設(shè)計和一體化設(shè)計的區(qū)別，結(jié)果表明：分離式設(shè)計相比于一體化設(shè)計在風(fēng)力機(jī)載荷和波浪載荷上缺乏時間的一致性；因波浪作用產(chǎn)生的部分慣性效應(yīng)被重復(fù)考慮以及載荷相關(guān)系數(shù)的規(guī)定上也更為保守；一體化設(shè)計無論是在極限還是疲勞分析上都更優(yōu)于分離式設(shè)計，能較大節(jié)約海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的成本。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電機(jī)組；基礎(chǔ)；疲勞載荷；極限載荷；一體化設(shè)計

中圖分類號：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電是全球目前最具規(guī)模和開發(fā)價值的新型可再生能源，正在向著海洋化、單機(jī)大型化的方向發(fā)展。中國海上風(fēng)資源豐富，沿海地區(qū)用電量需求巨大，因此發(fā)展海上風(fēng)電已成為風(fēng)電行業(yè)內(nèi)的重要戰(zhàn)略方向。

近年來海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到了大力發(fā)展，相比于陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，海上風(fēng)力機(jī)除受到風(fēng)載荷外，同時還會受到波浪、海流等載荷的共同作用。如何合理準(zhǔn)確計算各載荷之間的耦合作用對于支撐結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和設(shè)計起到了重要性作用。張永利等［1］在東海大橋海上風(fēng)電場中設(shè)計了單樁和三腳架基礎(chǔ)，為近海風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)有限元分析提供了范例；康海貴等［2］推薦一種基于可靠度的優(yōu)化設(shè)計方法，能降低基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的初始總質(zhì)量；陳建兵等［3］結(jié)合柔體動力學(xué)和有限元建?？紤]氣動耦合效應(yīng)和樁土相互作用等因素，研究風(fēng)浪聯(lián)合作用下高塔整體系統(tǒng)的動力響應(yīng)；付德義等［4］基于改進(jìn)的JONSWAP型譜建立波浪動力學(xué)模型，研究風(fēng)浪耦合作用下塔底俯仰彎矩的極限和疲勞特性；田德等［5］通過考慮基礎(chǔ)柔性條件下應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，能降低支撐結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量；周昳鳴等［6］提出整體優(yōu)化設(shè)計的流程和優(yōu)化列式，可在塔架質(zhì)量增加較小時大幅減少整體支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；張博［7］研究海上風(fēng)力機(jī)一體化載荷仿真方法，比較了傳統(tǒng)半一體化和一體化載荷仿真方法的差異；王宇航等［8］研究海上風(fēng)力機(jī)支撐結(jié)構(gòu)對環(huán)境的敏感性以及極限工況下的一體化設(shè)計。海上風(fēng)力機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)受到了大量學(xué)者的關(guān)注和研究，但目前風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的研究和實際工程項目的做法大都是基于分離式設(shè)計，少有對基礎(chǔ)進(jìn)行一體化的研究也大多是理論研究未與實際海上工程項目緊密聯(lián)系，也未對分離式與一體化設(shè)計產(chǎn)生區(qū)別的原因進(jìn)行詳細(xì)剖析。

為研究計算海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到風(fēng)、波浪、海流等復(fù)雜外力作用下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的準(zhǔn)確性，更合理地降低海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的成本，本文分析分離式設(shè)計方法和一體化設(shè)計方法在設(shè)計流程、方法和相關(guān)規(guī)范上的區(qū)別；基于具體的工程項目浙江某海上風(fēng)電項目的9 MW單樁機(jī)組，對分離式設(shè)計和一體化設(shè)計在應(yīng)力計算、承載力計算、變形計算、疲勞計算的結(jié)果進(jìn)行對比分析；并進(jìn)一步研究分析分離式設(shè)計比一體化設(shè)計更為保守的原因。

1 分離式設(shè)計與一體化設(shè)計

在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)分析中，由于風(fēng)力機(jī)是由多個不同的子系統(tǒng)組合成的復(fù)雜系統(tǒng)，且在實際工程項目中各個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也往往是由不同設(shè)計單位進(jìn)行設(shè)計的，因此在海上風(fēng)力機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析時常采用分離式的設(shè)計方法，即分別在各個子系統(tǒng)上施加邊界條件和外力載荷，在子系統(tǒng)的交界面上滿足力學(xué)平衡和變形協(xié)調(diào)。支撐結(jié)構(gòu)的分離式設(shè)計中通常以塔架和基礎(chǔ)的連接處作為交界面，由整機(jī)廠商設(shè)計塔架并計算統(tǒng)計出塔底截面的內(nèi)力狀態(tài)；設(shè)計院以塔底載荷作為基礎(chǔ)頂部外力受載即基礎(chǔ)受到的風(fēng)力機(jī)載荷，于此同時基礎(chǔ)還會受到相應(yīng)的波浪載荷、海流載荷和自重等，通過基礎(chǔ)受到的外力作用以及基礎(chǔ)樁基的樁土相互作用設(shè)計出相應(yīng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)并提取泥面處的剛度矩陣。整機(jī)廠商通過設(shè)計院提供的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、泥面處的剛度矩陣以及風(fēng)、波浪、海流等環(huán)境條件計算出風(fēng)力機(jī)各工況下的載荷情況并再次統(tǒng)計塔底載荷。通過以上多次迭代收斂后設(shè)計出最終的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

分離式設(shè)計方法雖然在載荷計算和基礎(chǔ)設(shè)計的交界面清晰、分工明確、迭代效率也高，但可看出基礎(chǔ)設(shè)計時基礎(chǔ)頂載荷和水動力載荷在時間上存在不一致性；整機(jī)廠商和設(shè)計院都施加過一次波浪和海流條件，導(dǎo)致存在部分水動力載荷重復(fù)計算，如疲勞累積時上端結(jié)構(gòu)受波浪作用的慣性效應(yīng)被重復(fù)考慮；另外載荷計算與基礎(chǔ)設(shè)計時在阻尼、水文、安全系數(shù)等參數(shù)定義上也有一定的偏差。

顯然，對于海上風(fēng)力機(jī)這樣一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，采用分離式設(shè)計方法與實際結(jié)構(gòu)受力情況有所偏差。為了能獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力等動力響應(yīng)，采用一體化設(shè)計方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計是有必要的。一體化設(shè)計方法是建立一個風(fēng)電機(jī)組、塔架和基礎(chǔ)完整統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模型，并施加風(fēng)、波浪和海流等外載條件共同作用相互耦合的動力時程分析。一體化設(shè)計方法的整體載荷與基礎(chǔ)設(shè)計時完全一致，且載荷計算和基礎(chǔ)設(shè)計時在阻尼、水文、安全系數(shù)等參數(shù)定義上也完全一致，這解決了分離式設(shè)計方法的弊端。分離式設(shè)計和一體化設(shè)計兩種不同分析方法的示意圖如圖1所示。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到的外力主要包括氣動載荷、水動載荷、樁土相互作用等。相對應(yīng)的載荷本文通過Bladed軟件和SACS軟件進(jìn)行計算，其中氣動載荷主要通過葉素-動量（BEM）定理計算，水動載荷主要通過莫里深（Morison）方程計算，樁土相互作用中軸向力的樁側(cè)摩阻力以T-Z曲線等效約束、樁端承載力以Q-Z曲線等效約束，水平力即側(cè)向承載力則以P-Y曲線等效約束。本文未對以上計算公式進(jìn)行改進(jìn)，因此不對相應(yīng)的公式進(jìn)行贅述。

2 規(guī)范差異分析

分離式設(shè)計方法以NB/T 10105—2018［9］作為設(shè)計依據(jù)。在應(yīng)力計算時主要校核基礎(chǔ)最大應(yīng)力作用值需小于或等于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大容許應(yīng)力設(shè)計值；樁土相互作用產(chǎn)生的最大承載力設(shè)計值需滿足大于或等于風(fēng)力機(jī)在運行期間所產(chǎn)生的最大承載力作用值；基礎(chǔ)的變形需滿足泥面處轉(zhuǎn)角不宜超過0.25°（累加施工誤差則不超過0.50°），且基礎(chǔ)豎向變形不超過100 mm；疲勞計算需滿足25 a壽命設(shè)計要求。如表1所示，分離式設(shè)計方法還根據(jù)不同的計算工況如應(yīng)力計算、承載力計算、變形計算、疲勞計算等考慮不同的載荷相關(guān)系數(shù)。

一體化設(shè)計方法以IEC 61400-3-1［10］為依據(jù)。根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范在一體化設(shè)計分析時考慮不同工況對應(yīng)不同的安全系數(shù)，如表2所示；而對于一體化設(shè)計的疲勞分析，所有的疲勞工況安全系數(shù)均為1.0。

分離式設(shè)計方法和一體化設(shè)計方法在載荷相關(guān)系數(shù)上差別較大。分離式設(shè)計時針對不同外力載荷考慮不同的載荷分項系數(shù)，然后分別考慮各個載荷為主導(dǎo)載荷時，其他載荷乘以相應(yīng)的載荷組合系數(shù)。一體化設(shè)計方法由于各載荷已耦合在一起，無法考慮不同載荷給予不同的安全系數(shù)，但同時也無需再將各種載荷組合在一起，自然也不用考慮載荷組合系數(shù)，因此一體化設(shè)計的載荷相關(guān)系數(shù)較為簡單，僅有一個安全系數(shù)。

3 計算模型

分離式設(shè)計方法與一體化設(shè)計方法的主要區(qū)別在于迭代計算的方法與載荷相關(guān)系數(shù)的不同。單樁基礎(chǔ)分離式設(shè)計極限載荷[Fsepa]可用式（1）表示。

[Fsepa=λwindFmaxwind+λwaveFmaxwave+λcurrentFmaxcurrent+λweightFmaxweight] （1）

式中：[Fmaxwind]——風(fēng)載荷的最大值；[Fmaxwave]——波浪載荷的最大值；[Fmaxcurrent]——海流載荷的最大值；[Fmaxweight]——重力載荷的最大值；[λwind]——風(fēng)載荷相關(guān)系數(shù)；[λwave]——波浪載荷相關(guān)系數(shù)；[λcurrent]——海流載荷相關(guān)系數(shù)；[λweight]——重力載荷相關(guān)系數(shù)。

一體化設(shè)計極限載荷[Finte]可用式（2）表示。

[Finte=Fmaxinte] （2）

[Finte=λDLCfuDLC，wind，wave，current，weight，t] （3）

式中：[Finte]——各個極限工況下時序載荷乘以對應(yīng)的載荷相關(guān)系數(shù)；[fu]——各個極限工況的時序載荷，與計算工況、風(fēng)、波浪、海流、重力和時間相關(guān)；[λDLC]——各個工況對應(yīng)的載荷相關(guān)系數(shù)；[Fmaxinte]—— 一體化設(shè)計極限載荷則為[Finte]的最大值。

分離式設(shè)計的疲勞載荷[Dsepa]可分為確定性疲勞[Ddete]和波浪譜疲勞[Dwave]，即：

[Dsepa=Ddete+Dwave] （4）

確定性疲勞通過計算風(fēng)力機(jī)載荷時提取的塔底載荷的幅值和頻次得到，計算風(fēng)力機(jī)載荷時必須同時施加風(fēng)和波浪才能準(zhǔn)確獲得。因此確定性疲勞可分為來源氣動載荷疲勞[Daerodete]和慣性力疲勞[Dinerdete]，其中慣性力疲勞則是由于風(fēng)和波浪的同時作用產(chǎn)生，分別由[Diner_winddete]和[Diner_wavedete]表示。

[Ddete=Daerodete+Dinerdete" " " " =Daerodete+Diner_winddete+Diner_wavedete] （5）

波浪譜疲勞是通過一年內(nèi)波浪各個周期、波高的概率分布計算得到的，波浪譜疲勞可分為來源水動載荷疲勞[Dhydrwave]和慣性力疲勞[Dinerwave]：

[Dwave=Dhydrwave+Dinerwave] （6）

顯然，分離式設(shè)計的疲勞載荷計算中有著不可避免的弊端，即[Diner_wavedete]和[Dinerwave]有部分被重復(fù)計算。

一體化設(shè)計的疲勞載荷[Dinte]可直接根據(jù)IEC疲勞工況計算得到：

[Dinte=Dff（DLC，wind，wave，t）] （7）

式中：[ff]——各個疲勞工況的時序載荷，即一體化設(shè)計的疲勞載荷是在各個疲勞工況下，風(fēng)和波浪耦合作用后時程載荷的計算結(jié)果，結(jié)果計算更為合理準(zhǔn)確。

4 工程算例

以浙江某海上項目的9 MW風(fēng)電機(jī)組單樁基礎(chǔ)為例，研究分離式設(shè)計方法與一體化設(shè)計方法在實際工程項目中的差異性。

4.1 水文環(huán)境

該風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)考慮沖刷后水深取17.0 m，其他主要海洋水文參數(shù)如表3所示。

4.2 風(fēng)資源環(huán)境

該風(fēng)電場場區(qū)主要風(fēng)資源的相關(guān)參數(shù)如表4所示。

4.3 基礎(chǔ)模型

單樁基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)如圖2所示為大直徑鋼管樁，與風(fēng)力機(jī)塔筒連接處外徑8.5 m，通過錐形段過渡到10.0 m；泥面以下為單根直徑10.0 m的鋼管樁定位于海底；鋼管樁樁長為99.0 m，入土深度為68.0 m，樁頂高程為14.0 m；泥面以上鋼管樁的壁厚82～90 mm，泥面以下鋼管樁的壁厚85～90 mm。

5 結(jié)果對比分析

對前文所述的海上項目單樁基礎(chǔ)分別采用分離式設(shè)計方法和一體化設(shè)計方法，并分析其計算結(jié)果的差異性。

5.1 基礎(chǔ)應(yīng)力結(jié)果對比

分離式設(shè)計計算是在基礎(chǔ)頂施加最大風(fēng)力機(jī)載荷[Fxy=][2915 kN， Fz=-12308 kN， Mxy=290224 kNm， Mz=-28785 kNm，]并施加與風(fēng)力機(jī)載荷同向的最大波浪、洋流載荷，使基礎(chǔ)處于最極端危險狀態(tài)，并根據(jù)規(guī)范表1賦予相關(guān)載荷系數(shù)，該計算是靜力計算，剪力和彎矩可直接計算得到。一體化設(shè)計方法是基礎(chǔ)、塔架和機(jī)頭整體建模，并同時考慮風(fēng)力、波浪和海流等外載的共同作用，該計算是動力計算，可得到泥面處彎矩和剪力的時程載荷。一體化設(shè)計時統(tǒng)計風(fēng)力機(jī)所有工況下泥面處彎矩和剪力的最大值，并給出最大彎矩和剪力所在工況對應(yīng)的時程載荷與分離式設(shè)計結(jié)果對比，如圖3所示。

一體化設(shè)計方法計算出的彎矩[Mxy]和剪力[Fxy]明顯小于分離式設(shè)計。圖4為分離式設(shè)計和一體化設(shè)計下主要截面處節(jié)點受到的彎矩和剪力最大值對比。在泥面處一體化設(shè)計方法的彎矩[Mxy]為585411 kNm；分離式設(shè)計方法的彎矩[Mxy]為793122 kNm，一體化設(shè)計計算結(jié)果比分離式設(shè)計的小26.2%；而一體化設(shè)計方法在泥面處的剪力[Fxy]為12218 kN，比分離式設(shè)計的15102 kN小19.1%。

5.2 基礎(chǔ)樁承載力結(jié)果對比

驗證樁的承載力是否滿足要求，主要是樁在樁土相互作用下所受的豎向側(cè)摩擦力和樁端阻力是否能承受住機(jī)組運行期間在泥面處所受的最大豎向載荷，單樁基礎(chǔ)主要截面所受豎向載荷如圖5所示。

一體化設(shè)計方法計算出的各截面所受的豎向載荷明顯小于分離式，在泥面處一體化設(shè)計方法的豎向載荷[Fz]為[-23132] kN，分離式設(shè)計方法豎向載荷[Fz]為[-24973] kN，一體化所受豎向載荷絕對值比分離式的小7.4%。

5.3 基礎(chǔ)變形結(jié)果對比

基礎(chǔ)變形主要觀察泥面處的水平位移、轉(zhuǎn)角、豎向變形。分離式設(shè)計方法和一體化設(shè)計方法計算結(jié)果對比如圖6所示。

一體化設(shè)計方法計算出的各截面的水平位移、豎向變形和轉(zhuǎn)角都比分離式設(shè)計方法的小得多。一體化設(shè)計在泥面處的水平位移9.53 cm比分離式的13.09 cm小27.2%；一體化設(shè)計在泥面處的轉(zhuǎn)角3.24‰ rad比分離式的4.34‰ rad小25.3%；一體化設(shè)計的基礎(chǔ)豎向變形0.16 cm比分離式的0.37 cm小56.8%。

5.4 基礎(chǔ)疲勞損傷結(jié)果對比

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)會在風(fēng)載荷和波浪載荷產(chǎn)生的交變載荷作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，該現(xiàn)象即為疲勞損傷。當(dāng)交變載荷的循環(huán)次數(shù)累積到一定程度時結(jié)構(gòu)會發(fā)生疲勞破壞。一般海上風(fēng)力機(jī)需滿足25 a壽命的設(shè)計要求，因此計算基礎(chǔ)25 a疲勞損傷值應(yīng)小于等于1.0。

分離式設(shè)計方法采用的是風(fēng)力機(jī)確定性疲勞損傷和波浪譜疲勞損傷線性疊加的方法，一體化設(shè)計方法是根據(jù)外部環(huán)境條件計算所有疲勞工況后，根據(jù)所有疲勞工況的時程載荷進(jìn)行的疲勞分析。圖7為分離式設(shè)計方法和一體化設(shè)計方法下單樁基礎(chǔ)主要截面處節(jié)點的疲勞損傷對比。

無論是分離式設(shè)計還是一體化設(shè)計單樁截面標(biāo)高在[-13]～[-4 m]附近的疲勞損傷均大于其他部位，這是因為該單樁基礎(chǔ)在此區(qū)域正好是變徑以及變壁厚的區(qū)域，易產(chǎn)生應(yīng)力

集中，因此疲勞損傷值較大。在單樁基礎(chǔ)的整體結(jié)構(gòu)上一體化設(shè)計方法的疲勞損傷均比分離式設(shè)計方法小，其中疲勞損傷最大值出現(xiàn)在[-7 m]處的節(jié)點上，一體化設(shè)計疲勞損傷為0.192比分離式設(shè)計方法的疲勞損傷0.499小61.5%。分離式設(shè)計方法確定性疲勞的載荷為塔底載荷的統(tǒng)計值，而該塔底載荷已包含了塔筒及機(jī)組在受到波浪載荷時因慣性效應(yīng)產(chǎn)生在塔底的內(nèi)力，而波浪譜疲勞分析時，也考慮到了該部分慣性力產(chǎn)生的疲勞。該部分疲勞在分離式設(shè)計時被重復(fù)考慮。另外，不同載荷產(chǎn)生的疲勞損傷并非線性關(guān)系，分離式設(shè)計時直接將確定性疲勞損傷和波浪譜疲勞損傷線性疊加也是一種保守計算的疊加方法。由此可見分離式設(shè)計方法在疲勞分析上是一種極為保守的設(shè)計方法，比一體化設(shè)計的疲勞大得多，同時也導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計成本的增加。

5.5 單樁基礎(chǔ)匯總分析

該風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)分離式設(shè)計和一體化設(shè)計的應(yīng)力分析、承載力分析、變形分析和疲勞分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

從表5可知，無論是極限計算結(jié)果還是疲勞計算結(jié)果，單樁一體化設(shè)計均比分離式設(shè)計小。因此在實際工程應(yīng)用中，采用傳統(tǒng)的分離式設(shè)計是過于保守的設(shè)計方法，一體化設(shè)計方法可有效降低基礎(chǔ)設(shè)計成本。

采用分離式設(shè)計與一體化設(shè)計時，基礎(chǔ)內(nèi)力計算結(jié)果差距較大，其主要原因為：一是塔底載荷統(tǒng)計值與水動力載荷在時間上的不一致性和因波浪作用產(chǎn)生的部分慣性力被重復(fù)考慮，這是因為計算流程方法的不同，在計算時產(chǎn)生的差異；二是由于載荷相關(guān)系數(shù)不同，這是由于人為規(guī)定產(chǎn)生的差異。

為避免因人為規(guī)定不同載荷相關(guān)系數(shù)導(dǎo)致的差異，對比極限狀態(tài)下不考慮載荷相關(guān)系數(shù)時，分離式設(shè)計和一體化設(shè)計兩者在彎矩上的差別（即所有載荷相關(guān)系數(shù)均為1.0）。計算的結(jié)果對比如圖12所示。

表6是泥面處彎矩最大值的相關(guān)統(tǒng)計。考慮載荷相關(guān)系數(shù)時，一體化設(shè)計的彎矩最大值比分離式的小26.2%，不考慮載荷相關(guān)系數(shù)時，一體化設(shè)計的彎矩最大值則比分離式的小18.4%。由此可見，分離式設(shè)計方法除在載荷計算方法上比一體化設(shè)計保守；另外在載荷相關(guān)系數(shù)的規(guī)定上也更為保守。

6 結(jié) 論

本文介紹了海上風(fēng)電基礎(chǔ)分離式設(shè)計與一體化設(shè)計在計算流程方法上和載荷相關(guān)系數(shù)規(guī)定上的區(qū)別，并通過浙江某海域具體工程項目的9 MW機(jī)組單樁基礎(chǔ)為例，對比分析分離式設(shè)計和一體化設(shè)計的計算結(jié)果。得出結(jié)論如下：

1） 無論分離式設(shè)計方法還是一體化設(shè)計方法均表明單樁基礎(chǔ)在變徑以及變壁厚的區(qū)域易產(chǎn)生較大的疲勞損傷，因此在實際工程項目中需重點關(guān)注該區(qū)域的疲勞情況。

2） 分離式設(shè)計方法在基礎(chǔ)設(shè)計上過于保守，一體化設(shè)計貼近實際能獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形等動力響應(yīng)，采用一體化設(shè)計無論是極限還是疲勞計算結(jié)果都更小，在實際工程中可較大節(jié)約基礎(chǔ)的設(shè)計成本。

3） 分離式設(shè)計結(jié)果比一體化設(shè)計保守是因為分離式設(shè)計的塔底載荷統(tǒng)計值與水動力載荷在時間上的不一致性、因波浪作用產(chǎn)生的部分慣性效應(yīng)被重復(fù)考慮，以及分離式載荷相關(guān)系數(shù)規(guī)定上也更為保守，而一體化設(shè)計則解決了這些問題。

一體化設(shè)計采用的是所有計算工況的載荷時程，因此該設(shè)計方法基礎(chǔ)設(shè)計工作量大，迭代收斂慢，這也是學(xué)術(shù)界和工程界急需解決的實際問題。

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INTEGRATED DESIGN OF LOAD-FOUNDATION CONSIDERING ALL EXTERNAL CONDITIONS FOR OFFSHORE MONOPILE WIND TURBINE

Yang Siyang，Chen Qian，Wang Ruiliang，Sun Yong

（Key Laboratory of Wind Power Technology of Zhejiang Province， Zhejiang Windey Co.， Ltd. ， Hangzhou 310012， China）

Abstract：The external force loads on offshore wind turbines are complex. Considering the coupling effects among all external loads is crucial for obtaining more accurate dynamic responses， such as internal forces and deformations， and is also an important means to reduce the cost of offshore wind power generation. By comparing and analyzing the differences between the separated design and integrated design based on the monopile foundation of a certain offshore wind power project in Zhejiang Province， it was found that the separated design lacks consistency in wind and wave loads over time， repeats the partial inertial effects caused by wave action， and has more conservative provisions on load correlation coefficients than the integrated design. The integrated design is superior to the separated design in both ultimate and fatigue analyses， and can greatly reduce the cost of offshore wind turbine foundations.

Keywords：offshore wind turbines； foundations； fatigue load； ultimate load； integrated design