层状液化地基上三筒吸力式基础海上风机地震性能研究：脉冲型地震动与风荷载耦合效应分析

本研究针对高地震活动区海上风机三筒吸力式基础在层状液化地基中的抗震性能难题，系统开展了考虑脉冲型地震动与风荷载耦合作用的精细化三维非线性有限元分析。研究揭示了脉冲型地震动（P）相较于非脉冲型地震动（NP）会显著加剧系统沉降（约6倍）和转动（约3倍），阐明了增加筒径可有效降低沉降与转动，而增加嵌固深度虽能减少沉降却可能放大系统转动。同时，研究首次量化了风-震耦合荷载会导致系统转动远超单一地震工况（约4倍），明确了单筒上拔与双筒压缩的差异响应机制，为强震区海上风机基础韧性设计提供了关键理论依据与设计启示。

　　

随着全球对绿色能源需求的日益增长，海上风电作为一种重要的可再生能源形式，其开发规模和单机容量正在迅速扩大。然而，海上风电项目的总投资中，基础部分成本占比高达30%，因此，寻求既经济高效又安全可靠的基础形式至关重要。在众多基础型式中，吸力式桶形基础因其安装便捷和成本效益高等优势，正受到业界的广泛青睐。特别是在水深25至50米的区域，多筒配置（如三筒基础）能提供更强的抗倾覆稳定性，显示出巨大的应用潜力。台湾地区作为海上风电开发的热点区域，同时也是高地震活动区，海上风力发电机（OWT）除了要承受常规的风、浪等环境荷载外，还必须抵御地震荷载的侵袭。然而，当前的设计规范和实践对于这种复杂多灾害耦合作用，尤其是在可能发生土壤液化（液化）的层状地基上的考虑尚不充分，这为海上风电结构在强震下的安全运营带来了严峻挑战。

在此背景下，深入研究海上风机三筒吸力式基础在液化地基上的抗震性能，特别是考虑近断层脉冲型地震动（Pulse-like ground motion）和运行期风荷载的耦合效应，对于提升海上风电工程在强震区的防灾韧性具有紧迫的理论价值和工程意义。为了填补这一研究空白，由国立台湾大学土木工程系的研究团队在《Ocean Engineering》上发表了一项重要研究，题为“Seismic performance of offshore wind turbine with tripod bucket foundations on layered liquefiable soils considering pulse-like ground motion and wind load”。该研究通过先进的三维数值模拟手段，系统揭示了复杂荷载条件下三筒基础-土-结构系统的相互作用机理和失效模式。

为了精准回答上述科学问题，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：首先，研究基于开源有限元平台OpenSees，建立了能够精确反映饱和砂土液化过程中孔压生成与消散的完全耦合（u-p formulation）三维非线性有限元模型。其次，采用了经过离心机试验验证的PDMY03土壤本构模型来模拟层状液化地基（包含相对密度D_r分别为33%、45%和74%的砂土层）的复杂循环力学行为。第三，研究精心选取并处理了具有代表性的非脉冲型（NP）和脉冲型（P）近断层地震动记录作为输入，并基于动量理论推导了作用于风机塔顶的恒定风推力（F_T = 704 kN），以模拟运行状态下的风荷载。最后，研究通过参数化分析，系统考察了桶基直径（D）、嵌固深度（L）以及地震动特性、风荷载等因素对基础沉降、转动等关键工程需求参数（EDP）的影响。

数值模型校准和验证

为确保数值模拟结果的可靠性，研究团队首先利用已发表的离心机试验数据对建立的数值框架进行了校准和验证。对比结果显示，数值模型能够较好地预测不同基础几何尺寸（如直径D与嵌固深度L之比）下，吸力式基础在饱和Toyoura砂土中的地震永久沉降和倾斜变形。例如，对于模型3（D=3.75m, L=5m），数值预测的 foundation rotation 为1.03°，与试验观测值1.0°高度吻合；沉降预测值1.73 cm也与试验值1.8 cm非常接近。这表明所采用的PDMY02/03模型及参数能够合理捕捉液化引起的土体变形和基础响应，为后续的参数敏感性研究提供了可信的数值工具。

一般地震变形模式

分析结果表明，地震动特性对系统响应有决定性影响。在仅地震作用下，脉冲型地震动（P）诱导的系统和基础沉降（18.47 cm）和转动（0.051°）远大于非脉冲型地震动（NP）下的响应（沉降3.14 cm，转动0.016°）。P运动因其含有高能速度脉冲，显著放大了土层的循环应力需求，导致更广泛的土体液化（表现为应力路径趋近原点）和剪切应变累积。应变云图显示，P运动下桶基周围土体出现了明显的不对称变形模式，桶基发生逆时针旋转，并伴随桶侧土体的隆起（正竖向应变）和沉降（负竖向应变）。应力路径分析进一步揭示，在P运动的主震阶段，靠近基础（尤其是单筒SB侧）的松散砂土中出现了独特的“蝶形”应力路径，表明土体在单个加载循环内经历了剧烈的收缩-膨胀（Contractive-Dilative）行为转换，这是导致更大累积变形的重要原因。

桶基几何尺寸对OWT系统地震响应的影响

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  桶径的影响：增大桶基直径（从D6L6到D8L6）能有效改善基础性能。在P运动下，系统沉降从18.47 cm减少至12.74 cm（降低31%），系统转动从0.051°减少至0.033°（降低35%）。这是因为更大的承载面积降低了地基中的应力和应变集中，使荷载分布更均匀，从而增强了抗沉降和抗转动能力。
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  嵌固深度的影响：增加嵌固深度（从D6L6到D6L9）对沉降抑制效果更显著（在P运动下从18.47 cm减少至6.67 cm，降低64%），但对系统转动的影响则较为复杂。在NP运动下转动减小，但在P运动下，系统转动反而从0.051°增加至0.064°。分析认为，更深的嵌固增加了系统整体刚度，可能导致结构地震反应（如塔顶漂移）放大，从而通过P-Δ效应产生了更大的倾覆力矩，加剧了系统转动。这表明，单纯增加嵌固深度并非总是有利，设计时需要权衡其对沉降和转动的不同效果。

风荷载对OWT系统地震响应的影响

在风荷载和地震共同作用下，系统的响应机制发生显著变化。恒定风推力使塔体向右（+x方向）倾斜，导致基础受力呈现高度不对称性：位于上风侧的“单桶”（SB）基础承受巨大上拔力，发生显著 uplift（在P运动下达43.15 cm），而位于下风侧的“双桶”（DB）基础则承受压力，发生沉降。这种差异变形导致整个OWT系统产生了巨大的顺时针旋转。在P运动叠加风载（D6L6-W）时，系统净 uplift 达5.28 cm，系统转动高达2.170°，远大于仅地震作用（0.051°）或NP运动加风载的情况。剪切应变云图显示，在耦合荷载下，桶基周围土体的应变分布呈现明显偏态，SB桶的迎风侧和DB桶的背风侧成为应变集中和潜在破坏的薄弱区域。应力路径分析表明，风荷载引入的初始偏应力与地震循环剪应力的耦合作用，使得土体应力状态更快速地趋近破坏包线。

为缓解风-震耦合荷载的不利影响，研究对比了两种基础优化方案（仅针对P运动情况）：增加嵌固深度（D6L9-W）和增加桶径（D8L6-W）。结果表明，增加嵌固深度能更有效地减少系统转动（从2.170°降至0.796°），并将系统响应从净 uplift 转为净沉降。而增加桶径虽也能降低转动（至1.064°），但可能导致DB桶下土体液化程度加剧（超静孔压比r_u接近1），反而增大了系统沉降。这提示，在同时控制沉降和转动方面，增加嵌固深度可能是比增加桶径更优的策略，但也需结合具体场地条件进行综合评估。

本研究通过精细化的数值模拟，深入揭示了层状液化地基上三筒吸力式基础海上风机在脉冲型地震动和风荷载作用下的复杂性能。主要结论强调，脉冲型地震动（P）由于其高能速度脉冲特性，对OWT系统的威胁远大于普通远场地震动（NP），会引发更严重的土体液化、不对称变形和基础累积转动。风荷载的存在会极大地改变基础的受力模式，导致单筒上拔和双筒压缩，显著放大系统的整体旋转，其影响在脉冲型地震动下尤为突出。在基础设计参数中，增大桶径能一致性地改善沉降和转动，而增加嵌固深度虽能有效控制沉降，但在强脉冲地震下可能因放大结构响应而不利于转动控制。因此，在强震区进行OWT三筒基础设计时，必须充分考虑近断层脉冲效应与运行期风荷载的耦合作用，避免基于对称荷载或单一灾害的简化设计理念可能带来的低估风险。该研究为未来修订相关设计指南、发展更 resilient 的海上风电基础体系提供了重要的科学依据和设计启示。未来的研究可进一步拓展至更多样的地层条件、地震动记录序列以及包含波浪荷载在内的更完备的多灾害场景分析。