0 引　言

近年来，全球海上风电产业持续蓬勃发展，我国连续七年成为世界上新增海上风电装机容量最多的国家，截至2024年底，贡献海上风电装机容量41.8 GW^{[1 − 2]}。预计到2030年，海上风电市场将保持25%左右的高速增长^[3]。与此同时，近海风电资源的开发已经趋近饱和，深远海域凭借稳定高强的风能资源，迅速成为海上风电产业拓展开发的热点^{[4 − 6]}。2025年2月，国家能源局印发《2025年能源工作指导意见》^[7]，明确指出要继续积极推动海上风电项目开发建设，推动清洁能源高质量发展。深远海风力发电场总装机容量高，风机装机密度大（以浮式风机为主^[8]），呈现出了规模化、集群化、大容量、高电压的应用特征，成为“十五五”期间重点建设领域^[9]。

深远海风电场通常距离陆地较远，若采用传统交流输电方式，将导致显著的电能损耗^{[10 − 12]}。柔性直流换流站可将风电场输出的交流电转换为直流电，并高效输送至陆地，从而有效降低损耗并提升系统可靠性。因此，柔性直流输电技术已成为保障深远海风电经济性与安全性的关键支撑^{[13 − 17]}。2021年，我国首个海上风电柔性直流输电项目——三峡如东海上风电柔性直流输电示范工程在江苏如东黄沙洋海域成功投运；阳江青洲五、七海上风电柔直送出工程正式开始建设。现有海上柔直换流站平台体积庞大，质量通常超2万吨^[18]，在服役过程中需同时承受设备自重、复杂波流载荷及巨大的结构应力，对稳定性与抗疲劳性能提出了极高要求。然而，该领域的技术体系尚未成熟，建造与运维经验难以为工程应用提供有效支撑^[19]。在柔直输电需求日益增长的背景下，亟需针对深远海柔直换流站平台结构开展研究^{[20 − 21]}。

基于此，本文以深远海柔直换流站平台为研究对象，聚焦导管架基础的结构布置型式，对其承载能力与结构响应进行对比分析，并结合经济性进行综合评估，旨在探讨不同基础型式的适用性，为深远海柔直换流站的优化设计提供理论依据与工程参考。

1 模型概况

本研究依托我国南海某2 GW级海上柔直换流站平台工程，平台上部为8层钢框架结构，长79.5 m、宽80 m、高45 m，支撑体系由主次梁、柱及甲板组成，承载水冷、给排水、舾装、暖通、电气及联接变压器室内鹅卵石等设备系统。

平台下部基础采用导管架结构，负责承接上部荷载与环境荷载。为确保结构强度，整体采用Q355低合金高强钢。导管架基础分为单排（以下简称SGL构型）与双排（以下简称DBL构型）两类，每类按斜撑形式分别进一步划分为X型与V型，共形成SGL-X、SGL-V、DBL-X、DBL-V等4种构型，如表1所示。

SGL构型和DBL构型的主导管腿均采用规格为2000 mm×80 mm的钢管，次导管腿分别采用1600 mm×40 mm和1200 mm×60 mm的钢管。横向支撑杆方面，DBL构型选用了配备加厚段的1200 mm×50 mm、1000 mm×40 mm等规格钢管；SGL构型仅在底部采用1000 mm×40 mm钢管作为横向支撑杆。斜撑方面，DBL构型使用1250 mm×55 mm、1200 mm×50 mm、1300 mm×80 mm等多种规格钢管，SGL构型采用1300 mm×80 mm为主的规格。此外，SGL构型和DBL构型分别配备8根和12根桩腿，结构底部均设有6块防沉板。

2 结构受荷分析 2.1 计算结果 2.1.1 普通静力

如图1和表2所示，计算结果表明，4种构型的UC值处于合理范围内，整体未出现结构破坏，最大UC值均出现在主导管腿位置。导管架受力状态理想，大部分杆件UC值在0.5以下，少部分杆件UC值在0.75以下（图1(b)）及0.80以下（如图1(c)）和图1(d)），在安全范围内。DBL构型的主导管腿、桩腿及桩腿梁所承受的轴力、剪力和弯矩相较于SGL构型均有减小，由此可看出，DBL构型在降低关键受力杆件承载压力方面拥有显著优势，在降低桩腿最大弯矩方面效果更为突出。此外，4种构型的导管架基础在最大弯矩上的差异较为显著，SGL构型破坏风险相对更高。

2.1.2 极端风暴

如图2和表3所示，计算结果显示，SGL构型的主导管腿与桩腿的UC值过大，工作状态不安全，在极端风暴条件下可靠性很差。图1(a)和图1(b)导管架大部分杆件UC值均控制在0.75以下，仅图示标注处出现UC值较大情况，图1(c)和图1(d)导管架整体受力状态较差，多数关键节点的UC值超过1，表明结构处于时效风险状态。相比之下，即使DBL构型在复杂受力作用下主要构件的UC值有所上升，但其整体受力性能更优，结构风险较低。其中，DBL-X构型受力状态最为理想；DBL-V构型在局部受荷区域出现承载接近极限的情况，但其V型斜撑设计可将更多荷载转移至承载能力更强的主导管腿，显著减轻桩腿及桩腿梁的受力，降低幅度约达10%，有效提升整体结构稳定性。在极端风暴荷载作用下，DBL构型导管架的力学表现明显优于SGL构型；考虑结构性能与造价因素，DBL-V构型当为优选。

2.2 承载性能分析 2.2.1 极限承载特性

基底剪力能够较为直观地反映结构的受荷状态。本节充分考虑设备重量对结构受力的影响，对4种构型施加多方向荷载，并计算各自达到极限承载状态时的基底剪力值，以评估极限承载性能，如图3所示。

计算结果表明，DBL-X构型在极限承载力方面表现最优，DBL-V构型次之，SGL构型整体表现明显逊于DBL构型，SGL-X构型表现最差。具体来看，在315°方向荷载作用下，DBL-X构型与DBL-V构型的极限基底剪力达到最大值，分别为211.63MN和149.34 MN；在180°方向荷载作用下，二者的极限基底剪力分别降至46.81 MN和31.48 MN，相较于最大值降低了约78%。SGL-X构型与SGL-V构型在270°方向荷载作用时极限承载基底剪力达到最值大，分别为51.47 MN和74.34 MN；在180°方向荷载作用下，二者的极限基底剪力降至最低，仅分别为5.36 MN和0.86 MN，降幅超过90%。由于结构的对称性设计，各构型在45°、90°、135°、225°、270°与315°方向的极限承载力呈现对称的变化趋势，并且极限承载能力随荷载方向从0°逐步向180°方向下降。进一步分析发现，造成结构极限基底剪力大幅下降的主要原因在于平台上部组块的部分杆件在180°方向受荷时更易发生破坏，导致结构整体失稳与倒塌。

总体而言，DBL构型在荷载作用下的极限承载能力显著优于SGL构型，且X型斜撑更有助于结构在多向荷载下保持整体稳定。SGL-X构型表现最差，在特定荷载方向条件下存在明显的薄弱环节，整体刚度不足、抗侧向荷载能力较差。该现象说明，导管架主导管腿数量应与斜撑布置需要根据实际应用场景进行合理匹配，针对性加强薄弱区域杆件，如此才能有效提升平台整体力学表现。

2.2.2 荷载位移曲线

本节选取平台上部组块底部中心点为观察对象，评估不同构型的整体受荷变形特性，并绘制不同荷载方向下的位移-基底剪力曲线（见图4）。在低荷载阶段，导管架各主要构件处于线弹性状态，整体位移受加载方向影响较小；随着荷载增加，平台结构进入塑性阶段，不同构型间差异逐渐显现。DBL-X构型与DBL-V构型在45°和315°方向表现出更优的抗荷载能力和能量耗散特性，整体性能优于SGL系列，且变形分布更为均匀；SGL-X构型与SGL-V构型虽在90°和270°方向具有较好表现，但在其他方向性能退化明显，对荷载的方向敏感性较强。综合性能与造价因素，DBL-V构型兼具力学优势与经济性，是更优的结构方案。

2.3 动力模态

动力模态频率是评估共振风险、识别结构薄弱区域的重要评价依据，可清晰反映不同构型对平台整体动力性能的影响程度，评价结构整体的稳定性与抗震性能，是保障平台动力性能的重要基础。

由表4可知，DBL-V构型与SGL-V构型导管架拥有更高的动力模态频率，表明V型斜撑有助于降低结构在工作频率范围内发生共振的风险，进而有利于提高结构在地震与强风浪等极端工况下的稳定性和安全性。因此，在导管架结构优化设计中，应重点考虑斜撑布置形式、连接节点设计及桩基构造，以增强结构力学协调性与动力响应性能，从而提升平台在复杂环境荷载下的整体稳定性与可靠性。

3 不同应用水深选型

DBL-V构型导管架基础在确保结构强度的同时具备良好的柔度，实现了承载性能与抗震性能的双重优化。本节进一步针对DBL-V构型在不同水深条件下的承载能力进行模拟分析，UC值分布云图如图5所示。

在各类典型工况及极端环境荷载作用下，主要承载构件的UC值虽然随应用水深增加而变大（见表5），但始终控制在设计限值以内，表明DBL-V构型在复杂海洋动力环境下具备充足的安全裕度，足够保障平台在服役周期内的长期稳定运行。

从构型设计角度看，V型斜撑能有效强化受力路径的连续性与构件协同作用，改善了内力分布，避免了局部应力集中，在保障整体结构强度的同时实现了钢材的高效利用。因此，DBL-V构型导管架基础能在复杂耦合荷载下保持稳定受力状态，抗倾覆与抗滑移性能满足设计标准，具备在深水柔直换流站平台结构中广泛推广应用的工程价值。

4 经济性考量

在基础建设成本方面，结合深远海环境下台风、风暴潮等不确定因素可能引发的施工中断与设备故障问题，本研究将SGL构型8根桩基运输施工的理论建设成本为220万元^[22]；DBL构型采用16根桩基，理论建设成本为480万元，考虑到常规材料损耗与临时防护措施等附加支出后，修正总成本为450万元。

在主体钢材成本方面，依据2025年8月国内主流钢材供应商报价，Q355工字钢单价约为每吨3200元（不含运输及防腐处理费用）。其中，DBL-X构型总用钢量28671.76 t，DBL-V构型总用钢量28314.04 t，后者较前者节省约400 t钢材，对应节约成本约130万元。

在定制构件与工费优化方面，一是V型斜撑采用对称式设计，可减少定制化构件用量，直接降低材料采购成本；二是标准化构件显著简化焊接工艺，从而降低工费支出。

结合平台设计服役寿命，在一定成本约束下，整体考量基础工程、钢材、工费与维护成本可知：SGL构型虽在桩基施工成本上具备显著优势，但其力学性能不足，后期维护相对频繁，一旦大修则需付出高昂代价；相比之下，DBL-V构型尽管在前期运输施工阶段投入资金更高，却凭借优化设计与构件标准化，在力学性能未出现明显降低的前提下显著降低了钢材、工费等环节的支出，减轻了长期维护负担，运行更为稳健可靠，长远来看更具经济优势。

因此，DBL-V构型能实现“成本-性能-耐久性”的协同平衡，一定程度上减轻了对海底地基承载力的要求，使其更能适用于地形复杂或水深变化显著的海域，是更优选择。

5 结　语

平台的破坏主要集中于导管架斜撑结构，X型斜撑能够使刚度分布更加均匀，显著提升结构的竖向承载性能；V型斜撑能更有效地实现荷载重分配，将竖向荷载转移至横向受力杆件，改善结构整体受荷状态。DBL构型在整体承载力性能方面相较于SGL构型有显著提升，但柔度会降低，从而可能对整体结构的抗震性能产生不利影响。在动力响应方面，DBL-V构型基础兼顾柔度与强度的优势，在保证足够结构强度的同时维持合理柔度，在提升结构安全性的同时兼顾工程经济性要求，能在复杂耦合荷载下保持稳定受力状态，抗倾覆与抗滑移性能满足设计标准，具备在深水柔直换流站平台结构中广泛推广应用的工程价值。

对于该平台上部组块而言，4类导管架构型的理想综合性能排序为：DBL-V构型>DBL-X构型>SGL-V构型>SGL-X构型。在实际工程应用中，导管架构型还需根据地质情况和安装手段进行综合权衡调整。