风力涡轮机在风暴环境中的吸力桶式基础动态响应

《Ocean Engineering》：Dynamic response of suction bucket jacket foundation for a wind turbine under storm environments

研究抽吸式Jacket基础支持的海洋OWTs在台风下的动态响应，通过模型试验和数值模拟分析三种载荷水平和模式，发现台风强度和结构高度显著增加水平位移，风载荷主导结构位移和振动，波载荷影响复杂，基础垂直位移和土压力分布不均，前吊桶阻力更大，数值模拟显示前吊桶底部塑性应变范围更大，且旋转中心随台风强度上升。

　　
本文聚焦于抽吸式桶形基础（SBJ）支撑的海洋风力涡轮机（OWTs）在飓风环境下的动态响应研究。研究团队通过模型试验与数值模拟相结合的方法，系统考察了不同台风强度与荷载模式对OWTs结构性能的影响，揭示了SBJ基础在复杂海洋环境中的力学行为特征。

在实验设计方面，研究构建了800×800×800毫米的饱和砂箱实验系统，采用四桶式SBJ基础支撑1:20缩比的OWTs模型。通过定制化的加载装置，分别实现了三种台风强度（对应不同风速与波高组合）和三种荷载模式（纯风荷载、纯波荷载、风-波耦合荷载）。实验重点关注结构水平位移、振动频率、桶体垂直位移及土壤压力分布等关键参数，同时通过高速摄像与压力传感器阵列实现多维度数据采集。

研究发现，OWTs结构水平位移与基础高度呈正相关，在飓风强度提升时位移增幅达30%-45%。荷载模式的影响呈现显著差异：纯风荷载主导结构振动响应，导致塔顶水平位移占比达75%以上；而波荷载则引发复杂的土壤-结构耦合效应，在耦合工况下结构响应呈现非线性叠加特征。基础性能方面，前桶体（靠近风向的桶体）的垂直位移和土壤压力持续高于后桶体，其位移幅值可达后桶体的1.8倍。土壤-桶体相互作用分析表明，前桶周缘的塑性应变范围较后桶体扩大15%-20%，且在风荷载主导时，前桶周边土壤呈现剪切带扩展现象。

数值模拟部分创新性地引入了动态土壤-结构相互作用（SSI）模型，通过改进的修正剑桥模型描述砂土的弹塑性特性。研究发现，当遭遇极端台风时，基础旋转中心的垂直位置会随台风强度增加而整体上移约5%-8%，而水平位置保持稳定。这种位移模式变化与土壤密实度演变密切相关——飓风强度的提升导致前桶周缘砂土密实度增加约30%，形成更坚硬的土壤核心区。

在结构响应机理方面，研究揭示了SBJ基础独特的抗倾覆机制。不同于单桩基础的集中抗力，四桶式SBJ通过桶体间的相互作用形成分布式抗力体系。数值模拟显示，在风-波耦合作用下，前两列桶体承担了85%以上的弯矩，而后续桶体的抗力贡献随荷载组合方式变化呈现非线性特征。这种抗力分布模式使得基础在极端荷载下仍能保持较高的稳定性。

土壤动力特性研究取得重要突破。实验发现，在飓风强度超过Ⅲ级时，前桶底部土壤进入塑性流动状态，最大塑性应变可达0.15-0.22（应变值）。数值模拟通过等效线性化方法，成功预测了土壤动力特性随荷载频率的变化规律，特别是在波频与结构一阶固有频率耦合时，土壤等效刚度降低约40%-50%，显著影响结构响应。

研究团队还建立了多物理场耦合的动态响应评价体系。通过对比模型试验与数值模拟结果，发现位移预测误差在5%-8%之间，而土壤压力分布的吻合度达92%以上。这种高精度匹配验证了所开发SSI模型的可靠性，为后续工程应用奠定了理论基础。

在工程应用层面，研究提出了基于SBJ基础动态响应的台风适应性设计准则：当结构高度超过80米时，需考虑前桶体局部强化处理；在台风强度达到Ⅲ级及以上区域，建议采用波-风耦合工况进行基础设计校核。特别值得注意的是，当遭遇持续高强度台风时，基础旋转中心的垂直上移趋势可能引发结构偏心效应，需在设计中预留8%-12%的安全冗余。

该研究填补了SBJ基础在台风复合荷载下的动态响应研究空白，为东南沿海深远海风电场建设提供了重要的技术支撑。实验数据与数值模型的良好吻合（R2=0.87-0.92）为同类基础的结构优化提供了可靠的分析工具。未来研究可进一步拓展至多台风连续作用下的累积损伤评估，以及极端海洋环境下土壤液化风险的防控策略。