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为解决海上风电机组（OWTs）导管架基础受风浪荷载及局部冲刷影响其结构性能的问题，研究人员开展风 - 浪循环荷载下力学响应实验研究。结果表明二者共同作用显著影响 OWTs 系统，该研究有助于准确预测新装机性能。
在能源领域，海上风电机组（OWTs）凭借比陆上风机更高的发电能力，近几十年得到广泛应用。然而，随着装机容量增加和向深海发展，OWTs 基础面临诸多挑战。大直径桩（LDP）导管架基础虽因能避开嵌岩桩施工难题而被采用，但 OWTs 结构特点使其对复杂海洋环境敏感。长期的风、浪、流等环境因素，加上局部冲刷，会改变桩 - 土相互作用刚度，可能导致 OWTs 累积变形超标、承载性能下降，甚至引发共振风险。以往研究存在不足，如多通过人工开挖模拟局部冲刷，未考虑真实冲刷过程；实验中对海洋环境荷载简化处理，无法准确反映其特性。因此，开展相关研究以准确评估 OWTs 性能迫在眉睫。
同济大学的研究人员针对这些问题，开展了一系列水槽模型试验，研究 LDP 导管架基础支撑的 OWTs 在海洋环境因素共同作用下的力学响应。该研究成果发表在《Applied Ocean Research》上，为准确预测新安装的 LDP 导管架支撑 OWTs 的服役性能提供了重要依据。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是搭建水槽试验装置，利用水槽产生稳定单向流，模拟海洋水流条件；二是设计制作 OWTs 和导管架基础模型，依据相似设计方法确定模型物理和力学参数；三是使用齿轮加载装置，通过调整输入电压和配重质量，在不同高度施加风浪循环荷载；四是运用多种传感器，如激光位移传感器、声学多普勒测速仪（ADV）、压电加速度计等，测量相关数据。
局部冲刷发展
研究发现，在单向流作用下，导管架基础前后桩周围会发生局部冲刷。水流在桩上游产生向下流动，引发马蹄涡，加速泥沙运动形成冲刷孔。随着冲刷深度增加，流速降低直至达到稳定平衡。与单桩基础不同，循环荷载对导管架基础冲刷深度演化影响不显著，这是因为导管架基础的侧向循环荷载会分散到各桩，减少了单桩的侧向力。此外，导管架基础复杂结构导致迎风桩和背风桩的平衡冲刷深度不同，分别为 1.4D 和 0.8D，显著的冲刷孔会削弱基础 - 土相互作用系统的刚度。
循环变形累积
研究表明，在循环荷载和冲刷共同作用的初始 10,000 次循环内，LDP 导管架基础会出现明显累积变形。这是由于导管架基础结构将侧向循环荷载转化为桩侧和桩底的剪切应力，导致砂土颗粒重新排列，孔隙比减小。随着循环次数增加，砂土逐渐密实，累积变形增速变缓。与仅循环荷载相比，共同作用下最终累积倾斜增加了 40.8%。同时，循环幅值对累积变形有影响，幅值大时变形持续发展，幅值小时趋于稳定。而且，考虑风浪循环荷载特征，单点加载会使累积变形更大，更易超过规范限制，导致设计过于保守。
承载能力演化
初始静态荷载试验确定了 LDP 导管架基础的极限承载弯矩为 100.5 Nm。长期循环荷载使砂土密实，承载能力提高 37.7%；局部冲刷降低桩 - 土相互作用刚度，承载能力下降 20.9%。共同作用下，最终承载能力介于循环荷载和冲刷单独作用结果之间，风浪荷载特征对承载能力结果影响较小。仅考虑冲刷会低估基础长期承载性能，仅考虑循环荷载则会高估。
固有频率迁移
海洋环境因素改变结构 - 土相互作用刚度，导致 OWTs 系统固有频率迁移。研究中 OWTs 模型初始固有频率为 17.58Hz。在不同循环幅值共同作用下，试验初期固有频率因砂质海床密实而快速增加，随后不同幅值下的频率响应出现差异。低幅值时频率逐渐下降并趋于稳定，高幅值时先增加后持续下降。单独冲刷使固有频率降低 1.8%，单独循环荷载使其增加 1.3%。共同作用下，虽最终固有频率与初始值差异不显著，但中期变化趋势不同。单点加载时最终固有频率略高，可能是由于基础长期沉降导致结构高度降低。
研究结论表明，局部冲刷和循环荷载单独作用对 OWTs 系统的影响相反，局部冲刷降低系统固有频率和极限承载弯矩，循环荷载则使其增加。二者共同作用显著改变 OWTs 系统力学响应，对累积变形、承载能力和固有频率演化都有重要影响。考虑风浪循环荷载的不同特征和两个加载点，能更合理预测 OWT 基础累积变形。该研究成果为准确评估和预测新安装 LDP 导管架支撑 OWTs 的服役性能提供了科学依据，对指导海上风电工程设计、保障 OWTs 安全稳定运行具有重要意义。同时，研究也指出了局限性，如仅基于单一水力条件分析冲刷场景，不同水流条件对导管架基础的影响及循环荷载与冲刷孔发展的相互作用有待进一步研究，为后续研究指明了方向。
