金风科技翟恩地：从分步设计到一体化设计，桩基疲劳载荷下降30%

2018年10月17日-19日，由中国可再生能源学会风能专业委员会、中国循环经济协会可再生能源专业委员会、全球风能理事会、中国农业机械工业协会风力机械分会、国家可再生能源中心和中国电子信息产业发展研究院（赛迪集团）六大权威机构联合主办的2018北京国际风能大会暨展览会（CWP 2018）在北京新国展隆重召开。能见App全程直播本次大会。

新疆金风科技股份有限公司总工程师兼海上业务单元总经理翟恩地博士出席本次大会，在中欧海上风电工程装备论坛作“整机商在海上风电桩基础设计优化方面的工程实例解析”的主旨演讲。

以下为发言实录：

翟恩地：今天给大家汇报一下整机商在海上风电桩基础优化设计方面的作用，大家都知道整机商更多关注的是风机本身的制造创新技术，但在海上风电这个领域，整机商在整个支撑结构包括基础设计其实要投入很大精力。今天主要通过一个工程实例来给大家展示一下整机商如何配合设计院做桩基础的优化设计先讲项目的概括，第二部分讲试桩成果，第三部分讲大直径单桩，特别是有冰冻海域如何做桩基础优化设计，第四部分讲优化设计的过程和结果，最后一部分是结论。

这个项目简单展示一下，因为项目详细信息涉及客户信息，我们把项目信息都掩盖掉了，只是展示一下项目地点。从项目来讲，要做桩基础的优化设计地勘工作非常重要，海床底下有覆盖层下伏岩石，这样一个场地做桩基设计，整机商要提供设计载荷和设计参数。这是简单的场地地层概况，国内建海上风电在桩基础施工设计之前通常会进行试桩，一个是试桩可以为设计提供更精准的参数，另外一点也是由于目前地勘通常不到位或者不精准，工程师心中不是很踏实，也就增加做试桩的要求，试桩的代价很高，如果地勘这一块能够做得比较准确，试桩是可以取消的。

其实试桩的设计也很重要，通常是先抗压试验然后是抗拔试验，系数0.5到0.7之间，试验过程和顺序对结果都有影响，所以说在做桩基试桩试验的时候到底怎么做，每一个加载加多长时间一定要严格按照规范往前推进。这张图是试桩的一些结果，这个试桩结果我想给大家讲一讲，咱们国家做试桩，特别是在做海上风电试桩的时候，抗压、抗拔基本上可以达到设计水平，但是做水平抗力试验，因为对单桩来说水平承载力非常重要，往往我们在做水平承载力试验这一方面由于水深比较深，比如说25米深，再加上在水面以上做试验，水平加载一般达不到设计要求，即使达到了一米的位移，在泥面处就是10公分、20公分，所以很多场合试桩结果对真正的设计指导意义并不是很大。

这张图是我们做的一些试验，这是抗拔试验，这是水平试验，因为水平试验主要是验证我们的p-y曲线到底准不准确，如果在上升阶段还没有做到非线性阶段位移就停止了，实际上整个土体抗力试验还是达不到极限的。这张图是试验结论，抗压力基本上可以达到2900吨左右，水平承载力大于65吨，只能说是大于，不知道极限值，这是目前在海上试桩的无奈之处。

今天我们讲的重点不是讲这一块，而是要讲整机商如何配合设计院做桩基础的优化设计，这个项目是在北方，这个项目因为有冰，桩基础要做抗冰锥设计，这里面就带来了很大的一个海洋波动力对桩基础的影响，对整机商影响很大。这一高程上面是没有冰锥的，底下是有冰锥的，有冰锥和没有冰锥，在冰对桩基础的水平作用力这一块差别是非常大的，因此在桩基础水位处要设置这样一个冰锥及其如何对整机支撑频率的影响，以及对载荷的影响，这是整机商必须要考虑的，必须要给设计院提供更精准的载荷要考虑的因素。因此这个抗冰锥能够减少冰的作用力，但增大了海洋波浪作用力。

下面进入今天演讲重点，就是整机商配合设计院如何来做优化设计，这个项目应该是金风科技在推动支撑结构-塔架基础做耦合计算的先例。这方面我也在多次在国际国内场所指出过分步计算问题很大，大的原因就是整机商提供的载荷是在塔架底部，把这个载荷交给设计院，设计院进行基础计算，由于规范不统一，同时由于安全系数不统一，载荷不统一，使得设计过于保守。

金风科技采取的是耦合或者是叫做整体化设计，把整个塔架基础作为统一的支撑结构，我们计算的载荷不光是在塔架底部，同时在泥面处，给出疲劳载荷、极限载荷，用它们对桩基础进行设计。这个对载荷的优化非常重要，欧洲现在也是刚刚从分步设计过渡到耦合设计，我们在中国什么时候能把它变成规范还未知，现在我们做这个项目应该是一个先例，据我了解这是中国第一个采取耦合设计或者整体化设计的一个实际工程项目。

那么这张图是整体化设计的概念。大家也知道我们现在设计用的是分步设计法，整机商在计算载荷的时候也要把基础模拟到整个支撑结构，交给设计院，设计院对桩基础再进行重新调整，然后改变基础刚度矩阵，整机商再根据新的来计算频率、极限载荷、疲劳载荷，通常在我们国家，海上风电分步设计能做到三轮就很不错了，基本上做不到五轮，你想一想这么大的支撑结构，三轮，完全没有达到优化的地步，因此说，现在支撑结构特别是基础设计过于保守的原因就在于此，整体化设计这种方法我们是说整机商要具备对整个支撑结构设计的能力，把基础和塔架作为一体化建模，而且是跟设计院紧密配合，一定要形成一个工作组，整机商提供的载荷是不光在塔架的底部，而是在设计院想要的任何一个截面，设计院拿到这样的载荷以后，他就不需要再重新把波浪力，把涌流动力再加到桩基础，拿到我们整机商的载荷就可以直接进行基础的截面设计了。

这张图是一个对比，分步设计和耦合设计或者整体化设计，对整个疲劳载荷的影响，这一条绿线应该说是现在咱们国家规范所推荐的分步设计、即迭代设计，通常三轮，这条线是做整体耦合设计的疲劳载荷，大家可以看到，随着高程变化，特别是从正10米到负20米，这是桩基础受力最大的地方疲劳载荷的变化。右边这个图给出了百分比的变化，所以这个工程案例指出，我们通过这样一个整体化设计或者耦合设计能够给这个项目的疲劳载荷下降30%左右，因此我们经常说整机商在整个载荷的优化设计方面，我们需要桩基础的刚度，桩基础的刚度又依赖于整机商的载荷，两边相互都依赖，如果形成同一个项目团队，整机商提供的载荷是基于整个基础和塔架整体化来设计的话，我们对载荷就可以优化。

有了这样的载荷优化，设计院就可以对基础进行优化，因此这个项目本来有这么大的抗冰锥结构是很难设计下来，很难体现项目经济性，通过这样的优化设计最终使得项目达到了原定经济收益要求。

小结一下，金风科技171-6.45兆瓦的风机在这个项目里得以应用，大直径单桩直径基本上达到7米，我们讲了如何在这样既有覆盖层又有基岩、又有冰层复杂环境下，使得支撑结构得到优化。第二个我们讲了一个比较典型的北方冰冻地区的海上风电桩基础设计抗冰案例。第三个是针对整个试桩，我也给出了一定指导意见。第四个是主要讲一下如何在抗冰锥设计这一块，既考虑对冰荷载的降低，同时对波浪荷载的增加，这两个之间要平衡。第五个是整机商和设计院如何联手做整体化优化设计，使得项目经济性能够得以体现，所以说海上风电不光设计院对基础设计负责，整机商通过整体化设计优化、通过创新降低风机造价，这在中国海上风电竞价上网时代是有一定意义的，这值得大家共同思考。

谢谢大家！

（发言为能见APP整理，未经本人审核）