多灾害耦合下海上风电单桩支撑结构的简化理论建模与动态响应机制研究

本研究针对地震-波浪-风多灾害耦合环境中海上风电单桩支撑结构(OWTs)的简化建模难题，提出融合三维弹簧阻尼单元、流体阻抗函数和状态空间传递矩阵的解析框架。通过建立非简化理论模型，系统量化了土壤-单桩-水-风耦合动力学特性，揭示了传统弹簧阻尼近似的局限性，为海上风电基础设施优化设计提供理论支撑。

　　

随着全球能源转型加速，海上风电单桩支撑结构(OWTs)在可再生能源领域扮演着关键角色。然而这些"海上巨人"面临着严峻的环境挑战——在长达数十年的服役期内，它们不仅要承受永不停歇的波浪冲击和狂风撕扯，地震活跃区的结构还需额外抵御地壳剧烈晃动带来的威胁。更复杂的是，这些环境荷载并非孤立存在，而是会产生令人担忧的耦合效应：地震波可能改变海底土壤性质，进而影响波浪对桩基的冲击模式；强风导致的塔架晃动又会改变结构固有频率，使其对特定频率的地震波更为敏感。这种"多重打击"效应使得传统单因素分析方法显得力不从心，而过度简化的弹簧阻尼模型又难以捕捉真实的物理耦合机制。

针对这一工程痛点，由青海省科技计划等项目资助的研究团队在《Marine Structures》发表了创新性研究成果。研究团队开发了融合多物理场耦合的解析框架，通过三项核心技术突破传统局限：首先采用三维弹簧阻尼单元表征土壤-单桩相互作用，结合流体阻抗函数量化水-结构耦合效应；其次运用线性化波浪方程和转子气动模型分别处理波浪与风荷载；最后通过状态空间传递矩阵技术实现多场耦合系统的动态响应解析。

【理论模型】部分建立了圆柱坐标系下的控制方程体系，其中关键创新是将水平地震动U_g
e^iωt
与四种阻抗力(F₁
-F₄
)纳入统一求解框架。通过引入复刚度E_p
^*
和模态分解技术，成功解决了水-土-结构多界面耦合的数学难题。

【动态响应】章节推导出单桩在水中运动的控制方程(式22)，其通解包含三角函数和双曲函数的线性组合。特别值得注意的是，该模型通过引入无量纲参数β=?√(m_p
ω²
/E_p
^*
I_p
)，实现了惯性力与弹性力的精确平衡，比传统Winkler模型多考虑了两个自由度。

【水平地震】分析选取PEER数据库三种地震波(Seismic I-III)，通过FEMA-P695规范缩放至0.3g峰值加速度。研究发现Seismic II的中频特性最能激发单桩的二阶振型，这为抗震设计谱的选取提供了新依据。

【刚弹性基础区分】部分揭示了材料参数的关键影响：当土壤弹性模量超过临界值10⁸
Pa时，系统响应从"弹性基础"转变为"刚性基础"行为，此时旋转弹簧刚度k_θ
成为控制弯矩分布的主导因素。

结论部分指出，该研究建立的"三弹簧-阻尼器"等效模型能精确捕捉OWTs在多灾害耦合下的非线性响应，特别是解决了传统方法在水平-旋转耦合刚度计算中的理论缺陷。通过参数化分析发现，土壤密度变化对基频影响可达±12%，而桩径变化对疲劳寿命的影响呈现显著非线性特征。这些发现不仅为海上风电结构设计提供了理论工具，更开创了多物理场耦合分析的新范式，对提升清洁能源基础设施的抗震防灾能力具有重要工程价值。