江朝華海上風電機組基礎結構環境荷載第六章：海上風電機組基礎防腐蝕主要內容2.1基礎結構的極限狀態和設計狀況2.2海上風電機組基礎結構上的作用及組合2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定第二章海上風電機組基礎結構環境荷載港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院3

風電基礎結構在完成各項功能的標志是用極限狀態來衡量。整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態，導致不能滿足設計規定的某一功能要求，此特定狀態即稱為該功能的極限狀態。極限狀態是區分結構的工作狀態為可靠或不可靠的標志海上風電機組基礎結構的極限狀態

海上風電機組基礎結構的極限狀態可分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態兩類2.1基礎結構的極限狀態和設計狀態港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院4定義：是指結構或結構的某一部分（即構件）達到最大承載力或不適于繼續承載變形的狀態，這是與結構安全性有關的最大承載能力狀態，超過這一狀態結構就不安全。。承載能力極限狀態主要表現：（1）作為剛體失去平衡（傾覆、滑移等）；（2）構件或連接部位因材料的強度極限超過而破壞，重復荷載作用下構件疲勞斷裂或因過度的塑性變形而不適于繼續承載；（3）結構變為機構（瞬變體系）；（4）結構或構件喪失穩定性（如壓屈失穩等）。2.1基礎結構的極限狀態和設計狀態港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院5定義：正常使用極限狀態對應于結構或結構的某一部分（即構件）達到正常使用或耐久性能的某項規定限制的狀態。確定正常使用極限狀態，通常是采用一個或幾個約束條件，例如混凝土裂縫的開展寬度、梁的撓度、外觀的變形量、地基沉降量等，它們的限值應滿足使用要求。

正常使用極限狀態主要表現：（1）影響正常使用或外觀的過大變形；（2）影響正常使用或耐久性的局部損壞（包括裂縫）；（3）影響正常使用的振動；（4）影響正常使用或耐久性的其它要求。2.1基礎結構的極限狀態和設計狀態港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院6海上風電機組基礎結構的設計狀況

持久狀況短暫狀況

偶然狀況為持續時段與設計使用年限相當的設計狀況，通常要按承載能力極限狀態的持久組合和正常使用極限狀態分別進行設計在結構施工和實用過程中一定出現，而與設計使用年限相比，持續時段較短的設計狀況，如施工、維修和短期特殊使用等。短暫狀況一般僅需按承載能力極限狀態進行設計偶發的使結構產生異常狀態的設計狀況，應按承載能力極限狀態進行設計2.1基礎結構的極限狀態和設計狀態

地震狀況結構遭受地震作用時的設計狀況，按承載能力極限態進行設計港口工程作用的定義施加在結構上的集中力和分布力+引起結構外加變形和約束變形的原因。直接作用（荷載）間接作用地基沉降混凝土收縮變形溫度變形2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合河海大學港口海岸與近海工程學院7港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院8作用的分類根據時間的變異劃分偶然作用在設計使用年限內，不一定出現，但一旦出現其量值很大且持續時間很短可變作用在設計使用年限內，其量值隨時間變化與平均值相比不可忽略永久作用在設計使用年限內，其量值隨時間的變化與平均值相比可忽略不計的作用

結構和固定設備自重力（風機自重、基礎結構自重等）風荷載冰荷載水流、波浪力波浪荷載等地震荷載等固定水位引起的靜水壓力海上漂浮物船舶撞擊力2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院9作用的分類根據空間位置的變化劃分自由作用在結構的一定范圍內可以任意分布的作用固定作用在結構上具有固定分布的作用風機自重塔筒和基礎結構自重風荷載水流荷載2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合冰荷載波浪荷載港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院10作用的分類根據結構的反應劃分動態作用加載過程中結構產生不可忽略的加速度的作用靜態作用加載過程中結構產生的加速度可以忽略不計的作用結構自重力水壓力船舶撞擊力水流力地震作用

在進行建筑物設計時，對動態作用原則上應按其動態反應求解對建筑物產生的動態作用效應。為了簡化計算，對某些動態作用允許將動態作用簡化為靜態作用2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院11作用組合正常使用極限狀態承載能力極限狀態持久組合短暫組合持久狀況短暫狀況地震組合永久作用和持續時間較長的可變作用包含了持續時間較短的可變作用包含了地震作用所組成的作用效應組合包括標準組合、頻遇組合和準永久組合2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合偶然組合包含了偶然作用所組成的作用效應組合港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院12作用代表值作用的代表值（應根據不同的極限狀態與設計狀況采用不同的量值作為作用的代表值）標準值頻遇值準永久值作用的主要代表值作用在結構上時而出現的較大值作用在結構上經常出現的量值，它在設計基準期內具有較長的總持續期2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合組合值代表作用在結構上同時出現的量值的組合港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院13作用代表值根據時間的變異劃分偶然作用在設計基準期內，不一定出現，但一旦出現其量值很大且持續時間很短可變作用在設計基準期內，其量值隨時間變化與平均值相比不可忽略永久作用在設計基準期內，其量值隨時間的變化與平均值相比可忽略不計根據觀測和試驗資料或工程經驗綜合分析確定有標準值、組合值、頻遇值、準永久值。如：對于承載能力極限狀態下的持久組合---主導可變作用取標準值；非主導可變作用取組合值，即將標準值乘以組合系數。僅有標準值代表值2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合極限狀態設計狀況組合情況可變作用代表值的取值計算水位承載能力極限狀態持久狀況持久組合主導可變作用取標準值；非主導可變作用取組合值（標準值乘以組合系數Ψ0，Ψ0取0.7）對極端高低水位、設計高低水位及其間的某一不利水位分別進行計算短暫狀況短暫組合按2.3節中的計算方法計算對高低水位分別進行計算地震狀況地震組合按有關抗震規范規定，可參考《水運工程抗震設計規范》（JTS146-2012)偶然狀況偶然組合與偶然作用同時出現的可變作用取標準值正常使用極限狀態持久狀況標準組合主導可變作用取標準值；非主導可變作用取組合值（標準值乘以組合系數Ψ0，Ψ0取0.7）與承載能力極限狀態相比，可不考慮極端水位頻遇組合取可變作用的頻遇值（標準值乘以頻遇系數Ψ1，Ψ1取0.7）長期效應（準永久組合）取可變作用的準永久值（標準值乘以準永久值系數Ψ2，Ψ2取0.6）短暫狀況短暫組合取標準值表表1-1可變作用代表值的取值和計算水位2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院15承載能力極限狀態正常使用極限狀態2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合-結構重要性系數，可參考《風電機組地基基礎設計規定》（FD003-2007），按表2-2取值。港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院16承載能力極限狀態持久狀況的持久組合第i個永久作用、主導可變作用和第j個非主導可變作用標準值；第i個永久作用、主導可變作用和第j個非主導可變作用的效應系數；第i個永久作用、主導可變作用和第j個非主導可變作用分項系數，可參考《港口工程荷載規范》（JTS144-1-2010)，按表1-2取值；組合系數，取0.7；2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院17短暫狀況的短暫組合承載能力極限狀態第i個永久作用和第j個非主導可變作用標準值；第i個永久作用和第j個非主導可變作用的效應系數；第i個永久作用的作用分項系數；第j個可變作用分項系數，按表1-2中所列數值減小0.1取值。2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院18正常使用極限狀態持久狀況的短期效應（頻遇）組合作用效應設計值；可變作用組合系數，取0.7；可變作用準永久值系數，取0.6;持久狀況的長期效應（準永久）組合短暫狀況的短暫組合限值；可變作用頻遇值系數，取0.7；2.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合第i個永久作用、主導可變作用和第j個非主導可變作用標準值；

第i個永久作用、主導可變作用和第j個非主導可變作用的效應系數。持久狀況的標準組合

表1-3

港口工程結構的安全等級和結構重要性系數表1-2作用分項系數荷載名稱分項系數荷載名稱分項系數永久荷載1.2水流力1.5船舶撞擊力1.5冰荷載1.5風荷載1.4結構安全等級一級二級三級破壞后果很嚴重嚴重不嚴重結構重要性系數1.11.00.92.2海上風電機組基礎結構上的作用和組合港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院20近海風電結構的設計狀況持久狀況短暫狀況偶然狀況正常條件下，結構使用過程中的狀況。按承載能力極限狀態的持久組合和正常使用極限狀態的長期組合或短期組合分別進行設計。結構施工和安裝等持續時間較短的狀況。應對承載能力極限狀態的短暫組合進行設計，必要時可同時對正常使用極限狀態的短暫狀況進行設計。結構承受設防地震等持續時間很短的狀況。應按承載能力極限狀態的偶然組合進行設計。結構的設計狀況2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定

海上風電機組基礎結構上的荷載主要包括：①經由塔筒傳遞下來的塔筒與設備自重以及作用其上的風荷載等；②基礎結構自重；③風荷載；④波浪荷載；⑤水流荷載；⑥寒冰地區存在的冰荷載；⑦船舶荷載；⑧地震作用等。河海大學港口海岸與近海工程學院21

海上風電機組基礎結構上的載荷特性復雜，主要表現在：（1）海上風機基礎承受的載荷除了和陸地風機一樣的慣性和重力載荷、空氣動力載荷、運行載荷之外，還有額外的載荷來源，如流體動力載荷、海冰載荷和可能的船舶沖擊載荷等（2）海上風力機載荷不同于其他海上建筑載荷。海上風機整體結構高，承受更大的風載荷，具有更多的動態響應和非線性響應。而且海上風機的設計受到疲勞載荷的限制（3）海上風力機的冰載荷和破碎波載荷存在不確定性（4）需考慮風和波浪的耦合作用對于海上風機疲勞載荷的影響2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院23

風荷載2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定

作用在海上風電機組基礎結構上的風荷載標準值的計算公式為：作用在結構z高度處單位投影面積上的風荷載標準值，（按風向投影）；Z高度處的風壓高度變化系數；z高度處風振系數；風荷載體型系數；基本風壓，kPa。2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定

對于寒冷、冰清嚴重地區的海上風電機組基礎，冰荷載是一項重要的設計荷載，它的作用形式主要是風和流作用下大面積冰場運動時產生的靜冰壓力。作用在基礎上的冰荷載包括：①冰排運動中被結構物連續擠碎或滯留在結構前時產生的擠壓力；②孤立流冰塊產生的撞擊力；③冰排在斜面結構物和錐體上因彎曲破壞和碎冰塊堆積所產生的冰力；④與結構凍結在一起的冰因水位升降產生的豎向力⑤凍結在結構內、外的冰因溫度變化對結構產生的溫度膨脹力

冰荷載河海大學港口海岸與近海工程學院24港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院25

冰荷載2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定冰排在直立樁（墩）前連續擠碎時，產生的極限擠壓冰力標準值的計算公式為：極限擠壓冰力標準值，kN；冰的局部擠壓系數；樁（墩）迎冰面形狀系數；冰和樁（墩）之間的接觸條件系數，可取0.32；樁（墩）迎冰面投影寬度，m；單層平整冰計算冰厚，m；冰的單軸抗壓強度標準值，kPa。港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院26船舶荷載根據作用方式不同劃分船舶系纜力船舶擠靠力船舶撞擊力由于風和水流產生的系纜力由于風和水流產生的擠靠力船舶靠岸或在波浪作用下的撞擊力

船舶荷載2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定（1）由風和水流產生的系纜力（2）由風和水流產生的擠靠力（3）船舶靠泊過程中產生的撞擊力（4）系泊船舶在波浪作用下產生的撞擊力（5）漂流物或偏航船舶意外碰撞產生的撞擊力

船舶荷載河海大學港口海岸與近海工程學院27船舶荷載-系纜力2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定

船舶系纜力主要是由風和水流引起的，使靠泊風電基礎的船舶對系船設施上的纜繩產生的拉伸作用，具有靜力性質。海上風機基礎結構一般不作為過往船只停靠使用，但是當風機設備檢修、維護時，檢修船只必須泊穩在基礎結構上，并對其產生系纜力 《港口工程荷載規范》（JTJ215-98）和《船閘水工建筑物設計規范》（JTJ307-2001）對系纜力的確定給出了明確的方法河海大學港口海岸與近海工程學院28港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院29系纜力分為縱、橫向系纜力兩部分，主要由風作用產生。當基礎前沿水流較大時，系纜力應考慮風與水流可能同時出現的對計算船舶共同作用所產生的橫向分力總和∑Fx和縱向分力總和∑Fy。

船舶荷載-系纜力系船柱受力分布不均勻系數,與實際受力的系船柱數目有關。系纜力標準值；風和流對船舶產生橫向和縱向分力總和；計算船舶同時受力的系船柱數量，與船長有關；系船纜水平投影與風機基礎前沿線所成夾角；系船纜與水平面之間的夾角；2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院30風對船舶的作用。作用在船舶上的風壓力在垂直基礎平臺切線的橫向風力

和平行基礎平臺切線的縱向分力的計算公式為：船舶荷載-系纜力2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定船體水面以上橫向和縱向受風面積，m2；設計風速的橫向和縱向分量，m/s；風壓不均勻折減系數；風壓高度變化修正系數。港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院31《港口工程荷載規范》規定計算系纜力標準值不應大于纜繩的破斷力，也不應低于規范規定的下限值。船舶荷載-系纜力取值標準聚丙烯尼龍纜繩的破斷力（kN）；纜繩直徑（mm）。2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院32船舶荷載防沖設施連續布置

船舶荷載-船舶擠靠力擠靠力分布不均勻系數，采用1.1；船舶直線段與防沖設施接觸長度（m）。可能同時出現的風和流對船舶作用產生的橫向分力總和（kN）

；防沖設施間斷布置擠靠力標準值（kN/m)；作用于一組（或一個）防沖設施上的擠靠力標準值（kN)；擠靠力不均勻系數，采用1.3；與船舶接觸的防沖設施組數或個數。2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院33防沖設施—橡膠護弦2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定

船舶荷載-船舶撞擊力2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定

船舶撞擊力具有動力性質，主要包括船舶靠泊時對結構產生的撞擊力，系泊船舶在波浪作用下產生的撞擊力，此外，對于海上風機基礎結構，可能還存在偏航船舶和漂流物的意外撞擊力港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院35按發生的原因可分為船舶靠向結構時產生的撞擊力和系泊中船舶受橫向波浪作用產生的撞擊力。船舶撞擊結構時產生的有效撞擊能量，通過防沖設施、基礎結構和船舶的變形全部轉化外力做功。船舶靠泊時撞擊力的標準值應根據船舶有效撞擊能量和橡膠護舷性能曲線確定。

船舶荷載-船舶撞擊力有效動能系數；船舶質量(t)，按滿載排水量計算；船舶靠岸時的有效撞擊能量（kJ）；船舶靠岸法向速度(m／s)。2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院36防沖設施和海上風電機組基礎結構由于船舶的撞擊產生變形，變形能與有效撞擊能量相等，則有

船舶荷載-船舶撞擊力2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定基礎結構和防沖設施的彈性系數，kN/m；基礎結構和防沖設施的變形，m；船舶產生的撞擊力，kN。港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院37

船舶荷載-船舶撞擊力船舶與橡膠護舷之間摩擦系數；船舶撞擊力沿基礎結構長度方向的分力標準值（kN）；船舶撞擊力法向分力標準值(kN)。2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院38地震振動過程中，振動體本身產生振動慣性力，包括建筑物自重的慣性力和動土壓力，統稱為地震作用。地震作用與一般荷載不同，除了與地震烈度有關外，還與被震對象本身的動力特性-自振周期和阻尼有關，因此確定地震作用比較復雜。

地震作用-地震作用的性質2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院39地震震級衡量一次地震的強烈程度，根據地震釋放的能量大小確定。我國地震震級采用里氏震級。地震烈度是指震區內某一地區的地面和各類建筑物遭受一次地震影響的強烈程度。

地震作用-地震震級和地震烈度2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院40設防后的結構應能抗住發生設計烈度的地震，并允許它受到一些損壞，這些損壞不致危害人的生命和主要的發電設備，基礎本身可以不需要維修或經一般維修后仍可繼續使用。

地震作用-海上風電機組基礎的抗震設防2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定港口工程河海大學港口海岸與近海工程學院41地震慣性力是指建筑物和建筑物上的固定設備等在地震時產生的慣性力。地震慣性力除了與地震烈度有關外，還與結構本身的動力特性（自振周期、阻尼和振型）和地基土質有關，目前尚無嚴格的計算理論。對于海上風電機組可采用振型分解反應譜法，按多自點彈性體系對整體結構進行計算。沿整體高度作用于質點i的j振型水平向地震慣性力標準值的計算公式為：

地震作用-地震慣性力2.3海上風電機組基礎結構上的作用確定圖1水平地震作用綜合影響系數，取0.3；水平向地震系數，可查表選用；

結構j振型參與系數；J振型，質點i處的相對水平位移；集中于質點i或第i分段的重力標準值，kN；質點總數。港口工程河海大學港口海岸