单桩支撑海上风机时变多灾害易损性：老化效应与耦合荷载作用分析

《Soil Biology and Biochemistry》：Ageing-dependent, multi-hazard fragility of monopile-supported offshore wind turbines

本研究针对单桩支撑海上风机(OWT)在老化过程中面临的风-浪-地震多灾害耦合作用问题，开发了基于拉丁超立方抽样和双强度指标(IM)的时变易损性曲面评估框架。通过显式模拟支撑结构分区腐蚀和桩基冲刷两种老化机制，研究发现风机在25年设计基准期内遭遇设计水准灾害组合时，超越极限状态(ULS)的概率将增加100%，揭示了老化效应会显著改变结构动力特性并导致破坏模式上移。该研究为风机全寿命周期性能评估和延寿决策提供了重要理论依据。

　　

随着全球海上风电装机容量的快速增长，单桩支撑结构因其施工便捷、成本可控等优势，已成为当前海上风电场的主流支撑形式。这些矗立于恶劣海洋环境中的巨型结构，不仅需要长期承受风、浪、流等环境荷载的持续作用，在环太平洋地震带等区域还面临地震威胁。更严峻的是，在长达25-40年的设计使用年限内，支撑结构会因腐蚀、冲刷等老化效应不断劣化，导致结构动力特性发生改变。传统设计方法通常基于结构初始状态进行校核，未能充分考虑老化过程与多灾害耦合作用的协同效应，这为海上风电场的长期安全运营埋下了隐患。

在此背景下，南安普顿大学张子亮博士及其合作者在《Soil Biology and Biochemistry》发表研究，首次系统揭示了单桩支撑海上风机在老化过程中的时变多灾害易损性演化规律。研究团队以广泛应用于工程实践的NREL 5 MW海上风机为研究对象，创新性地构建了融合老化效应的概率性评估框架。

研究采用了多项关键技术方法：首先建立了能够模拟材料非线性和土-结构相互作用(SSI)的梁-非线性文克尔弹簧有限元模型；其次，通过拉丁超立方抽样技术对16个关键模型参数（包括腐蚀参数、冲刷参数、材料属性等）进行概率表征；进而利用高斯过程回归(GPR)对由300组非线性时程分析获得的"云数据"进行统计拟合，构建以谱加速度S_a(T₁)和平均风速V_ave为双强度指标的易损性曲面。该方法有效克服了风机在全部运行风速区间(3-25 m/s)内结构响应与荷载强度非单调关系的拟合难题。

模态特性演化规律

研究发现在40年服务期内，风机体系的前三阶自振频率分别下降超过8%和10%，质量参与系数发生显著重分布。但模态保证准则(MAC)分析表明，尽管频率发生偏移，结构振型仍保持高度相似性。

破坏模式迁移现象

分析显示，随着地震强度增加，结构破坏位置从塔筒中部(40-60米)逐渐向底部平台区域迁移。老化效应使破坏分布更加均匀， aged风机在中等地震强度下塔筒中部破坏概率显著增加。

时变易损性曲面特征

易损性曲面形态随时间发生明显改变，中部区域逐渐凸起。在设计水准荷载组合(S_a(T₁)=0.19g, V_ave=11.4m/s)下，极限状态(ULS)失效概率从初始的18.9%增至40年后的42.4%，增幅达124%；正常使用极限状态(SLS)概率从49.6%增至67.5%。值得注意的是，老化导致的易损性恶化速率随年限递减，前5年ULS概率年增幅达8.5%，而25年后SLS概率基本稳定。

该研究通过建立精细化数值模型与概率性评估框架，首次量化揭示了海上风机在多灾害耦合作用下的时变性能退化规律。研究发现的结构动力特性演变、破坏模式迁移等现象，为风机健康监测系统的测点布置提供了理论指导；构建的易损性曲面可直接用于现有风电场延寿决策和保险费率厘定，对促进海上风电产业可持续发展具有重要实践意义。研究提出的方法论框架具有良好的扩展性，可为更大容量新型风机的可靠性评估提供技术支撑。