【论文推荐】| 变向水平荷载作用下海上风电裙式吸力基础承载特性模型试验

论文导读与观点概要

一、研究目的

随着全球海上风电技术向超大容量方向加速迈进，单机容量达16 MW的超大容量海上风电机组已成功并网发电。相较于传统3~8 MW风机，超大容量风机塔架高度与叶轮直径显著增加，导致风浪传递至基础的水平荷载及弯矩作用大幅增强。裙式吸力基础作为一种新型海上风电基础形式，在长期服役过程中承受着复杂多变的海洋环境荷载。然而，现有针对吸力基础水平承载特性的研究多将风、波浪荷载简化为单向固定水平荷载，忽视了实际海洋环境中风、波浪荷载方向随气候周期和季节更替而发生改变的事实。这种方向变化会引起气动阻尼的改变，使海上风机长期处于疲劳工作状态，进而影响基础的承载性能与结构安全。因此，开展变向水平荷载作用下裙式吸力基础的承载特性研究，对于真实反映工程实际受力状态、完善海上风电基础设计理论具有重要的科学意义与工程应用价值。

二、研究方法

本研究依托自主研发的海工基础多向复杂模型试验加载系统，开展了系统的室内物理模型试验。试验地基采用青岛金沙滩细海砂模拟真实海床环境。试验共设计三种基础模型：传统吸力基础（I-1）以及两种不同裙板高度的裙式吸力基础（IO-1裙板高50 mm，IO-2裙板高100 mm）。加载系统通过伺服作动器与变向加载装置（含带座轴承与导向滑轮）实现荷载方向的定量改变，并设置多向轴承结构确保基础在加载过程中不受设备约束。试验方案分为初始单调加载、卸载及变向单调加载三个阶段，设定了0°至180°共7个荷载偏转角度，以及1.5D1、2.0D1、2.5D1三个加载高度。数据处理采用Kelly等提出的无量纲化方法，对水平荷载、倾覆力矩及加载点位移进行标准化分析，以探究基础运动模式、极限承载力演化规律及转动点位置变化。

三、研究结果

试验结果表明，在定向水平荷载作用下，随着加载高度降低，吸力基础的水平极限承载力显著增大，IO-1基础最大增幅达35.64%；同时转动点位置随加载高度降低而下降，最大降幅达41.30%。在变向水平荷载作用下，基础运动方向由初始方向逐渐向变向加载方向过渡，且极限承载力受荷载偏转角度影响显著：当偏转角度≤120°时，变向极限承载力大于定向承载力；当偏转角度≥150°时，变向极限承载力小于定向承载力，且随偏转角度增大，极限承载力最大降幅达30.34%。机理分析表明，初始加载导致基础前侧土体挤压密实、后侧塌陷松软，当荷载偏转使前侧土体由密实区转为松软区时，承载力发生陡降。此外，变向荷载下基础转动点位置（约在0.50L1高度处）均高于定向加载工况。

四、研究结论

采用自主研发的海工基础多向复杂模型试验加载系统，开展砂土中定向与变向水平加载模型试验，研究了加载高度以及变向角度对水平极限承载力以及转动点位置的影响，得到以下结论：

1）定向水平荷载作用下，砂土中裙式吸力基础受到的荷载随加载点位移的增加而先增大后减小，最后稳定在某一值附近。在文中的试验工况下，裙式吸力基础极限承载力随加载高度的下降而增大，增长幅度最大达35.64%。裙式吸力基础转动点位置随加载高度的下降而降低，降低幅度最大达41.30%。

2）变向水平荷载作用下，砂土中裙式吸力基础极限承载力发生明显变化。当荷载偏转角度≤120°时，基础变向极限承载力大于定向极限承载力；当荷载偏转角度≥150°时，基础变向极限承载力小于定向极限承载力。随着荷载偏转角度的增大，基础极限承载力逐渐减小，减小幅度最大达30.34%，原因是初始荷载导致基础前侧土体挤压密实，后侧土体塌陷松软，当荷载偏转角度增大，基础前侧的土体由密实区变为松软区，极限承载力逐渐减小。

3）变向水平荷载作用下，吸力基础转动点位置高于定向水平荷载下的转动点位置，位于基础顶板中心以下约0.50L₁高度处。基础运动方向并非始终沿加载方向，而是由初始加载方向逐渐变为变向加载方向。

4）定向与变向水平荷载作用下，裙式吸力基础水平极限承载力大于传统吸力基础，“裙结构”的设置可以使基础调动周围更多土体来抵抗基础变形，提升了吸力基础在定向与变向水平荷载下的承载性能，更适合用作海上风电基础。

相关图表

本文引用格式：李智, 贾小刚, 张程远, 等. 变向水平荷载作用下海上风电裙式吸力基础承载特性模型试验[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 182-192.  (LI Zhi, JIA Xiaogang, ZHANG Chengyuan, et al. Model tests on bearing behavior of modified suction caisson for offshore wind power under multi-directional lateral loading[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 182-192.  (in Chinese)）

作者简介：   

李智（1981—），男，硕士，正高级工程师，主要从事海上风电工程建设管理工作。E-mail：li-zhi2@ctg.com.cn

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