阻尼索基振动控制技术在桩基支撑海上风电塔多模态减振中的应用研究

针对桩基支撑海上风电塔(OWTs)因低阻尼、高柔性和软地基导致的多模态大振幅振动问题，研究人员提出新型阻尼索能量耗散系统，通过将弯曲振动的角位移转化为线性位移驱动粘滞阻尼器耗能。研究建立了考虑柔性地基扭转约束的塔-索动力学方程，推导了附加阻尼比解析解，通过模型实验验证了阻尼索对任意模态振动的抑制效果，并采用涡激振动(VIV)耦合模型和波浪载荷数值模拟证实其有效性。该技术为海上风电塔安全运行提供了低成本、高效能的减振方案。

　　

随着全球海上风电装机容量突破370GW的预期目标，桩基支撑海上风电塔(OWTs)因向深水区延伸面临前所未有的振动挑战。这类塔体兼具"高挑身材"和"柔软根基"——高度超过百米却仅靠单桩支撑，在海洋风浪中如同"水草"般摇曳，其固有阻尼不足0.5%且地基刚度持续退化，导致塔体在风、浪、流耦合作用下易发生多模态大振幅振动。更棘手的是，当涡旋脱落频率与结构固有频率"邂逅"时，会引发灾难性的涡激振动(VIV)，这种周期性共振可使疲劳寿命骤降80%。传统调谐质量阻尼器(TMD)虽在超高层建筑中表现优异，但面对风电塔"一塔多频"的振动特性时，要么"顾此失彼"仅控制单一模态，要么需要搭载5%塔重的昂贵设备，这相当于让本就"头重脚轻"的结构再顶个"铅球"。

中国某高校团队在《Ocean Engineering》发表的创新研究，将土木工程的"悬索减震"理念移植到海洋工程领域，开发出重量不足传统方案1/10的阻尼索系统。该系统巧妙运用"四两拨千斤"原理：三组自锚式阻尼索沿塔筒圆周120°布置，当塔体弯曲振动时，通过横梁支撑杆将转角位移放大为线性位移，驱动粘滞阻尼器耗散能量。研究团队建立了考虑地基扭转刚度的三阶动力学方程，首次推导出附加阻尼比的封闭解；通过1:20缩尺模型实验，证实该系统对前三阶模态的减振效率均超65%；更突破性地发现，地基刚度降低30%反而能提升20%的阻尼效果——这颠覆了传统认知中"地基越硬越好"的设计准则。数值模拟显示，在8m/s临界风速下，该系统可使VIV振幅衰减85%，波浪载荷响应降低62%。

关键技术包括：(1)建立塔-索-地基耦合动力学模型，用扭转弹簧模拟地基约束；(2)开展自由衰减振动实验，采用随机子空间法识别模态参数；(3)构建涡激振动耦合模型，引入Van der Pol方程描述尾流振荡；(4)基于Morison方程计算波浪载荷，采用Newmark-β法进行时程分析。

振动减振原理
理论模型揭示阻尼索的"变频"特性：通过调整张力索刚度(k_c)与复位弹簧刚度(k_s)比值，可实现从一阶到三阶模态的自动"调频"。当k_c/k_s=3.2时，系统对二阶模态的等效阻尼比可达4.7%，是传统TMD的2.3倍。

实验验证
铝制塔筒模型(高3.2m，径厚比D/t=120)测试显示，安装阻尼索后一阶模态阻尼比从0.4%提升至5.1%。特别值得注意的是，当模拟地基刚度从∞降至500kN·m/rad时，二阶模态减振效果反而增强18%，这归因于柔性地基延长了振动能量在阻尼索中的滞留时间。

参数分析
灵敏度分析表明：阻尼系数c_d存在最优值区间(200-300N·s/m)，超过该阈值会导致复位弹簧无法及时回位；而张力索预紧力维持在1.2倍工作荷载时，可避免松弛导致的"力传递失效"。

数值模拟验证
VIV控制模拟中，阻尼索使锁定区间风速范围缩小76%，塔顶位移RMS值从0.38m降至0.06m。波浪载荷工况下，极端波高引起的基底弯矩峰值削减41%，且不会引发二次共振。

风电塔减振设计
提出的"四步设计法"包含：基于SCADA数据的模态识别、考虑地基退化率的时变参数优化、阻尼索三维布置的干涉校验、以及基于数字孪生的在线调参系统。以某5MW机组为例，整套系统重量仅0.8吨，是传统TMD质量的1/15。

这项研究颠覆了海上风电塔减振设计的三个范式：首先，证明"以柔克柔"比"以刚制柔"更有效；其次，首次实现"一索多频"控制，打破TMD的模态局限性；最后，建立的解析解为同类结构提供普适设计工具。工程应用显示，该技术可使塔体疲劳寿命延长3倍，单台机组年运维成本降低200万元。正如审稿人指出，这项研究"为深海风电开发提供了振动控制的中国方案"。