关于饱和沙土中共享桩锚用于浮动海上风力涡轮机性能的实验研究

《Ocean Engineering》：An experimental investigation on the performance of shared pile anchor in saturated sand for floating offshore wind turbines

共享锚技术通过减少锚点数量降低海上风电场成本，但台风条件下多向载荷效应导致锚固失效机理复杂。本研究通过饱和砂土模型试验，揭示共享桩锚在循环载荷下水平与垂直位移累积规律，发现多向载荷方向突变会加速位移累积，当循环载荷峰值小于单调承载能力50%时可忽略方向效应。

　　在当今全球能源转型的背景下，海上风电作为一种可再生能源技术，正在迅速发展。然而，其推广仍面临诸多挑战，其中最主要的问题之一便是高昂的建设成本。尤其是在中国东南沿海地区，由于该区域台风频发，海上风电工程的建设需要在极端海洋环境下确保结构的安全性和稳定性。因此，如何在保证安全的前提下有效降低建设成本，成为该领域研究的重点。

当前，海上风电工程主要采用的是固定式基础结构，这种结构适用于浅水区域，但在深水区域，由于地质条件复杂和施工难度加大，固定式基础的成本显著上升。为了应对这一问题，浮动式海上风电技术逐渐成为研究的热点。浮动式海上风电通过将风力涡轮机安装在浮动平台上，使其能够适应较深水域的风能资源。然而，这种技术的核心组件——锚泊系统，依然是影响整体成本的关键因素。锚泊系统不仅需要承受风、浪、流等自然力的作用，还要确保平台在复杂海洋环境下的稳定运行。因此，如何优化锚泊系统的结构设计，使其在满足安全需求的同时降低造价，是推动浮动式海上风电技术发展的核心课题。

共享锚泊技术作为一项创新性的解决方案，为浮动式海上风电的锚泊系统优化提供了新的思路。该技术的基本原理是通过将多个浮动平台的锚泊系统连接到同一个锚点上，从而减少锚点数量，进而降低锚泊系统的整体成本。这一技术不仅能够减少锚点的安装和维护费用，还能降低对海底地质条件的勘察和适应成本。此外，共享锚泊系统还能够提高系统的整体经济性，因为其减少了对大量独立锚点的需求，从而降低了项目初期的投资。

尽管共享锚泊技术在理论上具有显著的经济优势，但在实际应用中，尤其是在台风频发的海洋环境中，其设计仍面临诸多挑战。台风是一种极端的海洋气象现象，具有强烈的风力、巨浪和复杂的流场环境。在这样的条件下，共享锚泊系统可能会受到多方向、多周期的载荷作用，从而导致锚点的位移积累和最终失效。因此，为了确保共享锚泊系统在台风条件下的安全性，有必要深入研究其在复杂载荷下的性能表现。

近年来，关于共享锚泊技术的研究逐渐增多，但大多数研究集中在正常运营条件下的性能分析，而对于台风等极端条件下的表现研究相对较少。特别是在多方向、多周期载荷作用下，共享锚泊系统的失效机制尚未完全明确。因此，针对这一问题，本研究通过一系列模型试验，探讨了共享桩锚在台风条件下的承载特性。试验结果表明，在多周期载荷作用下，共享桩锚的水平和垂直位移会逐渐累积，最终导致其从海底中被拉出。而在台风条件下，由于载荷方向的持续演变，共享桩锚会经历更为复杂的多方向载荷作用，从而显著加速位移的积累速度。

本研究的试验设计采用了一种定制化的双向加载系统，通过独立控制两个正交加载轴的载荷幅度，并保持相位同步，模拟了共享桩锚在台风条件下的多方向载荷作用。试验过程中，共享桩锚的载荷方向和大小均被精确控制，以反映真实海洋环境中的变化趋势。试验结果不仅揭示了共享桩锚在多方向载荷下的位移积累规律，还进一步探讨了载荷水平和方向变化对锚点承载能力的影响。

从试验结果可以看出，当多周期载荷的峰值不超过单向载荷下锚点的极限承载能力的50%时，多方向载荷对锚点的位移积累影响较小，可以忽略不计。然而，一旦载荷水平超过这一阈值，共享桩锚的位移积累速率将显著加快，甚至可能导致锚点的失效。因此，在实际工程设计中，需要对共享桩锚的载荷水平进行精确评估，以确保其在台风条件下的安全运行。

本研究的试验还揭示了共享桩锚在多方向载荷下的耦合效应。具体而言，水平载荷对共享桩锚的垂直承载能力具有一定的增强作用，这种效应在台风条件下尤为明显。这表明，在设计共享桩锚时，应充分考虑水平和垂直载荷之间的相互作用，以提高其在复杂海洋环境下的承载能力。此外，试验结果还表明，共享桩锚在台风条件下的失效过程是一个渐进的过程，而非突然的破坏。因此，在工程设计中，应采用更加细致的分析方法，以预测锚点在长期载荷作用下的性能变化。

基于试验结果，本研究还对共享桩锚的设计提出了若干建议。首先，建议在设计过程中充分考虑台风条件下的多方向载荷作用，以确保锚点能够承受复杂环境下的持续变化。其次，应加强对锚点承载能力的评估，特别是在载荷水平较高的情况下，需要采用更严格的分析方法，以防止锚点在台风期间发生意外失效。此外，还应探索新型材料和结构设计，以提高共享桩锚在复杂载荷下的适应性和耐久性。

共享锚泊技术的研究不仅有助于降低浮动式海上风电的建设成本，还为应对极端海洋环境下的挑战提供了重要的技术支撑。随着全球对可再生能源需求的不断增长，特别是在深水区域，共享锚泊技术的推广和应用将成为推动海上风电行业发展的重要方向。然而，要实现这一目标，仍需进一步的研究和实践，以完善相关的设计规范和技术标准。

综上所述，共享锚泊技术在浮动式海上风电工程中具有显著的经济优势，但其在极端海洋环境下的性能表现仍需深入研究。本研究通过一系列模型试验，揭示了共享桩锚在台风条件下的位移积累规律和失效机制，为未来的设计和应用提供了重要的理论依据和实践指导。随着对共享锚泊技术研究的不断深入，其在海上风电工程中的应用前景将更加广阔。