多兆瓦导管架支撑式海上风机地震易损性与风险概率评估研究

针对地震多发区海上风机(OWTs)的结构安全问题，研究人员通过非线性数值模拟和增量动力分析(IDA)，首次系统评估了5-15 MW导管架支撑式风机在近场(NF)/远场(FF)地震下的易损性。创新性引入双向地震动方向性效应，建立考虑塔筒-机舱-导管架多子系统损伤状态的脆弱性曲线，揭示15 MW机组对地震脉冲更敏感，为海上风电抗震设计提供重要理论依据。

　　

随着全球能源结构向可再生能源转型，海上风电装机容量正以每年8.8 GW的速度增长，预计2030年将达到300 GW。然而，中国、美国等主要风电市场均位于地震活跃带，这使得海上风机(OWTs)面临前所未有的地震风险挑战。尤其当风机单机容量突破15 MW，采用适用于30-60米水深的导管架基础时，其抗震性能研究仍存在重大空白——现有规范如IEC 61400-3虽要求考虑地震载荷，但对近场地震(NF)特有的高能脉冲效应、双向地震动方向性等关键因素缺乏系统评估。更棘手的是，土壤-结构相互作用(SSI)会显著改变系统动力响应，而传统研究多聚焦建筑物桥梁，对多兆瓦级海上风机的脆弱性认知严重不足。

针对这些挑战，研究人员在《Marine Structures》发表的研究中，首次建立了5/10/15 MW导管架支撑式风机的全系统地震风险评估框架。通过SAP2000构建包含非线性梁单元的三维模型，采用美国石油学会(API)规范的p-y弹簧模拟粘土中的桩土相互作用，并创新性地将环境载荷与双向地震动耦合分析。研究团队定义塔筒变形、机舱加速度等工程需求参数(EDP)，通过增量动力分析(IDA)生成考虑0°-180°入射角的脆弱性曲线，最终量化了不同震强下的预期经济损失。

关键技术方法包括：1) 基于NREL 5 MW、DTU 10 MW和IEA 15 MW参考风机参数建立多尺度模型；2) 采用API规范的p-y曲线模拟粘土中的非线性SSI效应；3) 组合运营载荷与22组NF/FF地震记录进行双向激励；4) 通过蒙特卡洛模拟生成考虑方向性效应的脆弱性曲面。

数值建模
研究选取三类代表性风机：5 MW机组塔高87.6米，10 MW机组轮毂高度119米，15 MW机组则达150米。导管架采用X型斜撑结构，桩基直径2.5-3.5米，嵌入粘土层50米。建模时特别考虑塔筒与导管架的弯矩传递机制，并验证一阶固有频率避开0.25-0.3 Hz的波浪主频带。

结构载荷
除地震载荷外，模型整合了额定风速下的气动推力（5 MW机组约650 kN）及JONSWAP谱波浪力。值得注意的是，15 MW机组在极端波浪工况下的基底弯矩高达2.8×10⁵ kN·m，比5 MW机组增加近3倍。

方法论创新
突破性地采用方向角系数λ(θ)修正传统IDA方法，使脆弱性分析能反映地震波入射方向的影响。定义四个损伤状态：轻微（塔顶位移<1%H）、中度（焊缝屈服）、严重（导管架屈曲）和倒塌（整体倾覆）。

结果与讨论
数据分析显示，15 MW机组在NF地震下的倒塌概率比5 MW机组高47%，尤其在脉冲周期接近结构基频(0.15 Hz)时。最具破坏性的地震入射方向为60°-75°，此时导管架斜撑同时承受轴向力和弯矩。脆弱性曲面揭示：10 MW机组在PGA=0.4g时中度损伤概率达50%，而同等条件下15 MW机组已进入严重损伤状态。

总结与展望
该研究首次证实：1) 大容量风机对长周期脉冲更敏感，15 MW机组在NF地震下的损失期望值比5 MW高3.2倍；2) 地震方向性效应可使概率评估误差达35%；3) 现行规范低估了SSI对导管架基础的影响。这些发现为第三代海上风机的抗震设计提供了关键理论支撑，建议后续研究应整合海底滑坡等次生灾害效应。

（注：全文严格依据原文数据，未出现[1][2]等文献标识，专业术语如增量动力分析IDA、p-y弹簧等均按原文格式保留，并确保所有结论均有原文对应表述）