在风荷载、波浪荷载和地震荷载作用下，单桩支撑的10兆瓦海上风力涡轮机的动态响应分析

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Dynamic response analysis of monopile-supported 10 MW offshore wind turbine under wind, wave and seismic loads

单桩式海上风机构建中土壤参数与冲刷对动态响应的影响研究采用BNWF方法建立10MW风机数值模型，系统分析土壤阻尼比、附加质量、冲刷深度及强度参数变化对固有频率的影响，并评估风-浪-震联合载荷下的动态响应特性，发现冲刷使最大弯矩增加38.8%，风浪载荷主导位移响应，地震载荷主导加速度响应，为多灾害环境下的性能化设计提供理论依据。

　　

Xinshuai Guo|Shijie Zong|Jun Liu

中国大连理工大学海洋与海岸工程国家重点实验室，大连，16024

摘要

单桩支撑的海上风力发电机（OWTs）在地震频发地区得到了广泛应用，这些地区风力发电机同时受到风荷载、波浪荷载和地震荷载的作用。为了确保设计的安全性和有效性，全面了解其在复杂多灾环境下的动态行为至关重要。然而，大多数现有研究仅关注了OWTs在单一土壤参数或有限环境荷载条件下的动态行为，缺乏系统的比较分析。本研究基于非线性Winkler基础上的梁方法，开发了一个用于10 MW OWT系统的数值模型。比较研究了土壤阻尼比、土壤附加质量、冲刷深度以及土壤强度参数变化对OWT系统基本频率的影响。此外，还分析了OWT系统在各种风荷载、波浪荷载和地震荷载下的动态响应，以及冲刷对这些响应的影响。结果表明，在长期运行后，土壤阻尼比的增加和冲刷深度的加深导致OWT的基本频率降低了9.73%。OWT系统的水平位移和弯矩主要受风荷载和波浪荷载的影响，而水平加速度则主要由地震荷载控制。冲刷对动态响应的影响大于其对基本频率的影响，在最大冲刷条件下，组合风-波荷载下的最大弯矩增加了高达38.8%。这些结果为多灾环境中基于性能的OWTs设计提供了宝贵的见解。

引言

近年来，海上风能领域在全球范围内得到了显著发展，到2024年累计装机容量达到了83.2 GW [1]。单桩基础占所有已安装海上风力发电机（OWTs）结构配置的55.6%，由于其成本效益、安装流程的简化以及与异质海底条件的岩土工程兼容性，一直是海洋环境中的主导解决方案 [2]。虽然空气动力学（风）和水动力学（波浪）荷载通常是决定海上风力发电机（OWT）支撑结构设计的主要环境因素，但仍有大量单桩支撑的OWTs被安装在高地震活动区域，如中国东部沿海地区和南欧 [3,4]。因此，在这些地区进行安装时，除了风荷载和波浪荷载外，还必须考虑地震荷载对单桩支撑OWTs的设计和动态性能评估的影响。

动态分析对于评估环境荷载对单桩支撑OWTs的影响至关重要。作为集成土-结构系统，这些OWTs的动态行为受到土-结构相互作用（SSI）的显著影响 [5,6]。目前，有两种主要的数值方法常用于单桩支撑OWTs的动态分析中模拟SSI：三维有限元方法 [[7], [8], [9]] 和基于非线性Winkler基础的梁方法（BNWF）[6,[10], [11], [12]]。BNWF方法通过用一系列线性或非线性弹簧替代土壤，由于其计算效率和合理的准确性而被广泛用于OWTs的动态分析。例如，Bisoi和Haldar [10] 使用BNWF方法和API弹簧分析了软粘土中OWTs的动态响应，比较了软-软和软-硬设计概念。Wang等人 [6] 应用这种方法评估了嵌入粘土中的OWTs在风、波浪和地震荷载下的动态响应。Mo等人 [13,14] 基于动态BNWF方法研究了地面运动方向性对单桩支撑OWTs地震响应的影响。

尽管BNWF方法能够有效模拟SSI，但其准确性本质上依赖于土壤参数和特定场地条件。关键参数，如土壤阻尼和土壤附加质量，在单桩支撑OWT系统中至关重要，因为它们会影响系统的动态行为 [[15], [16], [17]]。此外，海上单桩通常会受到波浪-水流引起的冲刷 [18,19]，而海洋土壤强度参数具有显著的变异性 [20,21]。这些特定场地的特性会显著改变SSI，从而影响系统的动态行为。例如，Lin等人 [[22], [23], [24]] 通过模型实验表明，OWTs长期运行过程中土壤参数会发生变化，这反过来又会影响单桩支撑OWT系统的基本频率和动态响应。因此，讨论这些参数对系统动态行为的影响对于更好地理解长期运行中的动态性能变化至关重要。一些研究已经考察了土壤阻尼 [25]、冲刷 [11,26,27] 和土壤强度参数变异性 [28,29] 对单桩支撑OWT系统动态行为（如基本频率）的影响。然而，这些研究通常仅关注单个土壤参数，缺乏对其组合或交互效应的系统性研究。

在单桩支撑OWTs在环境荷载下的动态响应方面，研究已经从孤立分析风-波荷载或地震荷载 [30,31] 发展到考虑风、波浪和地震荷载综合效应的综合性评估 [4,6,8,11,[32], [33], [34]]。然而，大多数现有研究仅考察了有限数量的荷载情况，并未考虑风力发电机的运行状态，缺乏对风、波浪和地震荷载对单桩支撑OWTs整体动态响应的参数效应和贡献比例的系统性研究。因此，单桩支撑OWTs在组合风-波-地震荷载下的动态响应仍然不够清楚，这对多灾环境中的基于性能的设计提出了重大挑战。

因此，本研究基于BNWF方法建立了一个用于10 MW OWT系统的数值模型。然后比较研究了土壤阻尼比、土壤附加质量、冲刷深度以及土壤强度参数变化对OWT系统基本频率的影响。此外，还进行了一系列时域分析，系统地研究了OWT系统在各种风、波浪和地震荷载下的动态响应，以及冲刷对这些响应的影响。

章节片段

结构建模

本研究采用了国际能源署（IEA）开发的10 MW OWT模型，包括转子、机舱、轮毂、塔架和单桩基础，如图1所示。涡轮机的基本参数详细列在表1中 [35]。塔架由十个逐渐变细的段落组成，每个段落的直径和壁厚沿高度线性变化。塔架和单桩的详细几何参数列在表2中 [36]。

有限元模型

模型验证

首先根据OC6基准规范 [35] 验证了泥线以上OWT结构的设置。单桩的直径设为9米，其他结构参数与上述相同。通过考虑法兰、螺栓、内部设备和涂层的附加质量，将塔架和单桩的密度校准为8500 kg/m³。结构在泥线处固定，忽略所有水动力效应，并设置结构阻尼比为1%

附加质量和土壤阻尼比的影响

图5表明，OWT的基本频率（f₁）随着外部参与土壤质量和土壤阻尼比的增加而降低。当土壤阻尼比（ξ_soil）为1%时，将参与土壤质量系数（n）从1增加到4，基本频率降低了2.18%；而在ξ_soil为5%和10%时，同样的参数变化分别导致基本频率降低了2.69%和3.65%。显然，较高的土壤阻尼比放大了基本频率的降低幅度

动态响应分析

进行了五组数值分析（见表6），以研究单桩支撑的10 MW OWT系统在复杂环境荷载下的动态响应。第Ⅰ组、第Ⅱ组和第Ⅲ组分别研究了单独的风荷载、波浪荷载和地震荷载，而第Ⅳ组和第Ⅴ组考虑了风-波和风-波-地震组合荷载。所使用的环境荷载参数是根据文献 [36,64] 和IEC中的典型海上风力发电机设计规范选择的

结论

本研究以单桩支撑的10 MW OWT系统为例，研究了土壤阻尼比、土壤附加质量、冲刷深度和土壤强度参数不确定性对OWT系统基本频率的影响。此外，还评估了OWT系统在单独和组合环境荷载（风、波浪和地震）下的动态响应。系统地分析了冲刷对OWT系统动态响应的影响。以下是研究结论

CRediT作者贡献声明

Xinshuai Guo：撰写——原始草稿，验证，调查，正式分析，数据整理。Shijie Zong：验证，调查。Jun Liu：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，监督，方法论，资金获取，概念化。

数据

支持本研究发现的部分或全部数据、模型或代码可向相应作者提出合理请求后获得。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（51979035）的支持。对此表示衷心的感谢。