对倾斜循环载荷下沙中桩锚的实验研究，适用于TLP（张力腿平台）支撑的浮动海上风力涡轮机

《Ocean Engineering》：Experimental investigation of pile anchors in sand under inclined cyclic loading for TLP supported floating offshore wind turbines

　　崔建斌|张友虎|李书昭|李大|黄英|孙国东
东南大学土木工程学院，中国南京江宁区道路2号

**摘要**
张力腿平台（TLP）是浮式海上风能开发的一种有前景的技术，具有高系泊刚度、平台运动小、浮体结构轻量化以及占用海域面积少等优点。本研究探讨了在复杂载荷条件下，安装在沙质海床上的TLP桩锚的性能。一个主要的设计挑战是长期循环拉伸载荷下轴向承载能力的下降，尤其是在 tendon受损或倾斜的情况下。通过广泛的实验研究，本研究表明倾斜载荷由于增加了土壤-桩界面的净压力，可以提高桩在沙中的最终抗拔能力。现有的纯轴向载荷循环稳定性图表在考虑这种有益的耦合效应时仍然适用。尽管扭转载荷（模拟 tendon受损情况）会降低承载能力，但这种效应被侧向载荷的正面影响所抵消。研究结果表明，当前的API设计指南适用于沙中的TLP桩锚设计，尽管仍存在提高安全性和经济效率的设计优化空间。

**引言**
在全球推动绿色能源转型的背景下，海上风能行业在过去二十年里经历了爆炸性发展（Cheng等人，2026年）。截至2025年，全球海上风电装机容量已达到83吉瓦（GWEC，2025年）。随着行业的成熟和近海资源的日益饱和，浮式海上风能技术受到了广泛关注。欧洲和亚洲已经部署了多个试点项目，以验证概念和技术可行性。各种浮式基础类型——如半潜式、Spar型和张力腿平台（TLP）——已被开发并进行了测试（图1）。其中，TLP基础具有显著优势，包括高系泊刚度、优异的定位性能、有限的运动响应以及相对轻量级的结构设计，使其成为降低浮式风能平准化成本的有希望的解决方案。此外，由于其垂直或接近垂直的tendon配置，TLP与其他浮式概念相比所需的海域面积更小，有利于与海上交通共存，并支持综合海洋空间规划。2025年，世界上第一个基于TLP的浮式风电场——Provence Grand Large项目在法国海岸投入运行，该项目包括三个8.4兆瓦的涡轮机，部署在100米深的水域中。TLP基础每兆瓦仅使用了约300吨钢材，远低于在类似条件下的半潜式替代方案。

然而，采用TLP基础引入了特定的锚设计挑战。TLP依赖于一个紧绷的系泊系统，其中净浮力通过tendon转化为对锚的持续抗拔载荷（图1）。与主要承受水平载荷的悬链线系泊系统不同，TLP锚必须抵抗显著的垂直拉力。这对该锚系统提出了更高的性能要求，因为锚的失效可能直接危及平台的稳定性。除了平均拉力外，风力涡轮机的运行和环境条件（如风和波浪）也会对锚施加循环载荷。因此，TLP锚系统必须设计成能够承受持续和循环拉伸载荷。

由于桩锚在抵抗长期抗拔载荷方面的能力得到了验证，它们已成为TLP的首选。根据Ye（2022年）的研究，1984年至2011年间全球安装的23个TLP中有20个使用了桩锚，这些TLP都部署在墨西哥湾、西非和印度尼西亚近海等软粘土区域。然而，未来的浮式风能项目可能会位于具有复杂地层结构的大陆架上，包括层状粘土和沙沉积物。现有的设计指南（如API-RP-2T（2023）是为粘土中的TLP开发的，其在沙质土壤中的适用性仍不确定。因此，研究TLP桩锚在沙中的行为既相关又必要。

关于桩在纯轴向循环载荷下的行为已经进行了大量研究。Poulos（1988年）引入了循环稳定性图表的概念，根据平均载荷和循环幅度将桩的响应分为稳定、亚稳定和不稳定区域。后续的实验和现场研究完善了这些图表，并证明了它们在评估循环轴向性能方面的实用性（例如，Jardine和Standing，2000年；Tsuha等人，2012年；Jardine和Standing，2012年；Rimoy等人，2012年；Puech等人，2013年；Silva等人，2013年；Igoe和Gavin，2021年；Rimoy等人，2022年；Spicer等人，2022年；Bekki等人，2024年；Sharma等人，2025年），尽管由于安装方法、载荷频率、桩尺寸和土壤性质的不同，图表可能存在细微差异。

关于桩在倾斜循环载荷下的行为仍存在重大知识空白，这反映了实际TLP的条件。即使tendon名义上是垂直的，环境载荷也会导致平台偏移，从而使tendon角度倾斜，从而对锚产生联合拉伸和侧向载荷——这一情况尚未得到充分研究。此外，在受损条件下（例如多tendon锚组中的一个tendon失效），联合倾斜和扭转载荷的影响是一个关键且未被研究的锚设计方面。图2展示了一个3×3配置的TLP系泊系统，其中三个tendon连接到一个锚上，以减少桩锚的总数，从而降低制造、运输和安装的成本。在其中一个tendon失效的情况下，锚可能会承受额外的扭转载荷。这种复杂的载荷情况在之前的研究中尚未得到探讨。

总之，本研究旨在研究沙中基于TLP的浮式风力涡轮机的新型桩锚设计行为，主要目标如下：
1) 评估桩锚在单调和循环倾斜拉力下的承载能力和失效机制，并评估侧向载荷对轴向响应的影响；
2) 检验为纯轴向载荷开发的现有循环稳定性图表在倾斜循环载荷条件下的适用性；
3) 探索扭转载荷在tendon受损情况下对锚性能的影响；
4) 评估当前基于粘土的设计指南在沙质土壤中的相关性，并确定潜在的设计优化机会。

为了实现这些目标，使用定制设计的多缆加载系统进行了广泛的实验室测试。本文的结构如下：第2节描述了实验设置和方法论；第3节展示了关键结果；第4节讨论了对设计实践的启示；第5节提供了结论性意见。

**测试设置**
为了模拟TLP桩锚的多线载荷，开发的加载系统和测试用监测设备如图3(a)和(b)所示，而实验中使用的桩锚模型如图3(c)所示。加载系统主要包括一个坚固的箱子、一个龙门反应框架、四个执行器、一个滑轮系统、一个控制柜、一台控制计算机和一个数据采集系统。坚固箱子的内部尺寸为3米×3米×2米（长×宽×高）。

**垂直载荷下的载荷-位移行为**
测试M1的结果如图9所示。如图9(a)所示，桩的响应可以分为两个阶段。在第一阶段（大约0-734秒），土壤阻力随着垂直拉力逐渐增加，直到在734秒左右达到最大承载能力，位移为7.8毫米。在第二阶段（大约734-1200秒），随着测试的进行，土壤阻力逐渐减小，表现出峰值后的软化行为。

**当前设计方法**
API-RP-2T（API，2023）提供了基于工作应力设计方法的张力腿平台设计指南。对于桩锚的垂直最大承载能力，API-RP-2T建议根据API-RP-2A-WSD（2014）使用公式（1）进行计算：
Q = f × As
其中，Q代表垂直最大承载能力；f代表单位轴摩擦力；As代表桩锚的轴表面积。

**结论**
张力腿平台（TLP）由于众多优势，成为浮式海上能源开发的一种有前景的技术。然而，TLP基础的采用由于锚所承受的复杂载荷条件，为锚设计带来了特定挑战。本研究进行了全面的实验研究，以探讨沙中基于TLP的浮式风力涡轮机的新型桩锚设计行为。根据实验结果，...

**作者贡献声明**
崔建斌：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、数据整理。
张友虎：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
李书昭：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论、资金获取。
李大：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论、资金获取。
黄英：撰写——审阅与编辑、方法论、调查、正式分析。

**数据可用性声明**
支持本研究结果的一些或所有数据、模型或代码可在合理请求下从相应作者处获得。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
作者衷心感谢国家自然科学基金会在项目编号52471273下的财政支持。