海上风机钢桩基础是海上风电场建设中最为常用的基础形式,钢桩的传统运输方式为采用驳船运输,浮拖运输在多种海洋结构物的运输过程中已有研究与应用,海上风机钢桩的浮拖运输需要通过桩塞实现钢桩两端的密封,使钢桩可浮于海面。用于海上风机钢桩浮拖运输的桩塞在国外已有研究与应用,而国内在该技术上目前仍属空白状态。为实现海上风机钢桩的浮拖运输,降低海上风电场建设过程中的成本,对桩塞进行自主设计与研究。在明确海上风机钢桩的相关参数与桩塞的设计需求的基础上,提出包括径向压缩密封和轴向压缩密封以及轴向压缩、径向密封在内的三种概念设计方案,并进行了对比,最终采用轴向压缩、径向密封的概念设计。提出桩塞的总体方案设计,在满足设计需求条件下,对其中的总体结构与密封系统进行初步设计,提出监测系统方案。基于接触分析非线性理论与橡胶材料的超弹性理论,对桩塞的橡胶密封圈的性能进行分析。在Abaqus中建立桩塞的橡胶密封圈有限元仿真分析模型,基于控制变量法,研究材料硬度、接触面摩擦因数、压缩率和接触面椭圆度对橡胶密封圈性能的影响;基于正交试验法,研究截面几何参数对橡胶密封圈的影响程度大小。分析结果表明:材料硬度、压缩率的增大会提升橡胶密封圈的密封性能,接触面摩擦因数增大对橡胶密封圈密封性能没有提升;截面几何参数对桩塞的橡胶密封圈性能影响程度大小顺序为:D形截面的宽度(橡胶密封圈厚度)、接触面椭圆度、截面长度。分析桩塞的受力情况,通过有限元仿真对桩塞主体结构强度进行分析,通过理论计算与有限元仿真对金属垫圈刚度进行分析,初步设计相关参数满足主体结构强度与金属垫圈刚度要求。在结构形式上对主体结构进行优化设计,优化后的设计降低了桩塞的质量。对桩塞工程应用中的相关问题进行研究,阐述桩塞应用的各个具体过程,包括桩塞的安装、钢桩的拖航与扶正、桩塞的拆卸及回收过程。对钢桩拖航过程中的拖航阻力进行分析与估算,钢桩所受的拖航阻力远小于桩塞橡胶密封圈与钢桩内壁间的最大静摩擦力。对钢桩拖航过程中的影响因素进行分析,从桩塞应用的安全性考虑,应选择较低的拖航速度、相关规范允许范围内最小拖缆长度、钢桩可以达到的最小吃水深度。