海上风电已成为解决环境问题及满足全球能源需求的关键可再生能源方案[1,2]。海上风力涡轮机（OWTs）的主要基础类型包括重力基础、单桩基础、三脚架基础、导管架基础和浮动结构[3,4]。尽管目前单桩基础占主导地位，但其成本和技术限制使其应用范围仅限于浅水区（≤30米深度）[5,6]。随着浅水区风能资源的开发趋于饱和，风电行业的研究重点已转向过渡水深区域（30–60米）。因此，由于导管架基础具有结构质量轻、刚度高等优势，其在这一范围内的应用日益增多[7]。
在整个使用寿命期间，导管架式海上风力涡轮机（JOWTs）会受到随机风浪-水流载荷的影响——这些载荷在支撑结构设计中需要特别关注。Kim和Lee[8]通过可靠性分析表明，风速不确定性是影响JOWTs动态响应的主要因素。Shittu等人[9]利用随机有限元分析量化了流体动力学载荷作为服务寿命极限状态（SLS）可靠性的关键驱动因素。Dong等人[10]指出风载荷是累积疲劳损伤的主要原因，而波浪载荷和风浪相互作用则具有次要影响。在极端海洋条件下，JOWTs的结构完整性会受到多种载荷和效应的显著影响。例如，Kim和Manuel[11]发现海洋电流在飓风Sandy期间对JOWTs的结构行为有重要影响。因此，JOWT支撑结构的设计必须全面考虑风、波浪和水流载荷，以及不同载荷情况下的土壤-结构相互作用（SSI）。
与轴对称的单桩基础不同，导管架的几何形状会导致载荷方向依赖的结构响应。Han等人[12]研究了考虑载荷相关性的多轴风载荷引起的JOWTs疲劳损伤。Romero-Sánchez和Padrón[13,14]提出了一种多方向耦合的地震-风分析框架，并量化了JOWTs在运行模式（发电、紧急停机、停放）下的地震脆弱性。对于长周期结构，还需要仔细考虑土壤-结构相互作用（SSI）效应。Abhinav和Saha[15]强调了极端波浪载荷下SSI对JOWTs的关键作用。Natarajan和Madabhushi[16]指出了地震期间土壤液化导致的基础过度沉降风险。James和Haldar[17]表明，桩长与直径的比例对10兆瓦级JOWTs的泥线旋转有重要影响。Bai等人[18]警告说，冲刷会显著增加JOWTs的地震脆弱性。因此，设计JOWT支撑结构时必须考虑载荷方向性和海底SSI效应。
JOWTs运行环境中的复杂性要求优先识别控制导管架设计的参数，并开发适用于工程设计的SSI模型。Zhang等人[19]通过蒙特卡洛模拟确定了关键的结构设计参数，并在OWT导管架基础的规格和要求之间建立了最佳平衡。Qian等人[20]开发了将额定功率和水深纳入数据驱动的概念设计框架的几何参数预测模型。Jalbi等人[21]研究了JOWTs的抗共振设计标准，指出基础垂直刚度不足可能导致摇摆振动模式。Antoniou等人[22]提出了一种基于Winkler方法的改进模型，用于粘土中的JOWTs高效地震设计。这些研究共同强调了初步设计必须考虑关键控制因素的结构分析。
由于JOWTs持续暴露在风、波浪和水流中，疲劳设计对其是一个重大挑战。Schorbach等人[23]分析了导管架疲劳设计的关键控制因素，确定风载荷是主要贡献因素。为此，Ju等人[24]开发了一种并行疲劳设计框架，将15米/秒的发电故障确定为主要的疲劳源。为了在不增加成本的情况下提高导管架结构的疲劳寿命，Ju[25]提出了一种用于JOWTs的偏航系统刚度和阻尼调节方法。此外，随着人工智能（AI）在工程中的应用不断增加，数据稀缺和不平衡给海上导管架设计带来了挑战。Panagiotou等人[26]提出了一种结合概率数据合成和多目标优化的生成式AI框架，以提高替代模型的准确性。这些疲劳设计方法和工具的进步使得导管架基础设计更加高效和精细。
JOWTs的支撑结构通常由不同实体设计：塔架由涡轮机制造商设计，导管架（包括基础）由工程承包商设计。因此，支撑结构的综合设计优化对于降低海上风电的平准化成本至关重要。H?fele等人[27]考虑了几何形状、成本和规范合规性，优化了OWTs的导管架结构；Feng等人[28]提出了节点坐标和截面的形状优化。然而，JOWT支撑结构具有众多组件、复杂的载荷条件和多重约束。Schafhirt等人[29]指出，传统的两阶段局部优化方法在OWT导管架应用中存在固有局限性。此外，JOWTs在运行过程中会与风浪场和海底土壤发生复杂的动态相互作用。Sandal等人[30]开发了一个考虑土壤-桩相互作用的OWT导管架和桩的集成优化框架。Zhou等人[31]提出了扩展设计域内的拓扑优化方法。由于传统方法需要大量计算，Zheng等人[32]开发了一个基于克里金法和遗传算法的框架。Oest等人[33]比较了基于梯度的方法，强调了稳定初始参数对可靠结果的重要性。因此，初始参数对优化效果有显著影响。
JOWTs的集成设计优化和动态响应需要更加重视导管架和桩的初步设计。Jalbi和Bhattacharya（2019）[34]提出了一种海上风力涡轮机导管架结构的概念设计方法，综合考虑了结构响应、岩土行为和流体动力学等多学科因素。该方法适用于设计截面均匀的导管架，已被广泛引用。然而，在工程实践中，经常采用变截面构件，使得这种方法不适用。为了有效实现具有变截面的导管架结构的初步设计和分析（这具有显著的经济效益），有必要对Jalbi-Bhattacharya方法进行扩展。因此，本研究提出了一种新的集成框架，包括：（1）变截面导管架设计方法；（2）用于变截面导管架动态分析的等效刚度模型。本文结构如下：第2节详细介绍了该方法，包括载荷组合、等效刚度建模和系统频率预测；第3节通过案例研究验证了该方法的有效性；第4节提出了结论和未来研究方向。在GitHub上提供了实现该方法的开源MATLAB工具包。这一资源与所提出的框架一起，为OWT的综合分析和设计工作流程提供了实际支持。
