冲刷环境下四桩导管架基础海上风机地震与环境荷载耦合动力响应研究

针对地震多发区四桩导管架(TPJ)基础海上风机(OWT)在冲刷条件下动力响应研究不足的问题，Yikang Wang团队通过三维有限元分析，揭示了冲刷深度、土体强度及地震频谱特性对TPJ系统加速度、弯矩响应及桩-土相互作用机制的影响，为复杂海况下OWT抗震设计提供了关键理论支撑。

　　

随着全球海上风电产业向深水区扩张，四桩导管架(Tetrapod Piled Jacket, TPJ)基础因其高刚度、低成本优势成为5MW以上大容量海上风机(Offshore Wind Turbine, OWT)的主流支撑结构。然而在环太平洋地震带等高风险区域，TPJ基础面临波浪冲刷与地震耦合作用的严峻挑战——冲刷会改变桩周土体约束，而地震可能引发基础过大倾覆变形，现有设计规范却缺乏相关研究依据。更棘手的是，以往研究将环境荷载简化为静态集中力，未能反映实际风浪随机特性，导致TPJ系统在真实海况下的动力响应机制长期处于"黑箱"状态。

针对这一科学难题，同济大学研究团队在《Marine Structures》发表创新成果。该研究首次建立了考虑冲刷坑形态的三维有限元模型，采用Kaimal谱和JONSWAP谱精确模拟随机风浪荷载，结合改进的运动硬化土体本构模型，系统分析了El-Centro地震波(峰值加速度0.3g)与10m/s风速联合作用下TPJ系统的动力响应规律。

关键技术方法
研究采用ABAQUS/Standard构建包含NREL 5MW风机参数的TPJ全系统模型，通过Kaimal谱生成脉动风速时程，JONSWAP谱模拟不规则波浪；选用修正运动硬化模型表征黏土非线性行为，设置不同冲刷深度(s=1.0D-2.5D)模拟桩周土体流失；采用Newmark-β法进行时程分析，验证阶段通过离心机试验数据确认了桩身弯矩与加速度响应的模拟精度(误差<15%)。

有限元模型
模型严格遵循NREL 5MW OWT结构参数，TPJ基础采用空间刚架单元模拟，桩-土界面设置法向硬接触与切向摩擦(摩擦系数0.35)。冲刷坑形态采用指数函数描述，最大冲刷深度达桩径2.5倍时，桩身自由长度增加导致一阶固有频率下降12%。

模型验证
通过对比离心机试验中单桩基础在黏土中的滞回曲线，证实所建模型能准确捕捉地震引起的土体软化效应(p-y曲线法误差达22%时，本模型仅偏差8%)。加速度响应谱在0.1-10Hz频段与试验结果相关系数达0.91。

TPJ基础总体变形与动力响应
研究发现：1) TPJ钢框架展现优异抗侧移能力，最大水平位移仅塔高的0.15%；2) 风浪荷载使背风桩弯矩较迎风桩增大40%，需特别加强配筋；3) 冲刷深度增至2.5D时，桩顶加速度响应放大1.8倍，且出现显著上拔趋势(最大位移28mm)。

结论与意义
该研究突破性地揭示了三大规律：1) 冲刷深度改变破坏模式——浅冲刷(s=1.0D)时桩身最大弯矩出现在泥面下6m，深冲刷(s=2.5D)时转移至冲刷坑底部；2) 土体强度提升(s_u
=10+2.5z kPa)虽能降低基础位移，但会放大加速度响应谱在1-5Hz区间的能量密度；3) 地震主频接近2Hz时，桩身弯矩出现共振现象，较0.5Hz工况增加55%。这些发现为TPJ基础在冲刷条件下的抗震设计提供了量化依据，特别是背风桩的加强防护策略、冲刷监测阈值设定等关键参数，已应用于我国东海某风电场的设计优化。