考虑冲刷作用的、由四足桩式护套基础支撑的海上风力涡轮机在黏土中的地震响应

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic response of offshore wind turbine supported by tetrapod piled jacket foundations in clays considering scour

四腿群桩式 jacket 基础在地震与冲刷耦合作用下的动态行为研究采用高级三维有限元模型分析，发现地震激励下结构振动位移显著但残余位移小，风浪与地震荷载叠加时冲刷深度增加导致侧向位移、弯矩和加速度峰值增大，揭示冲刷削弱土抗力是主因。

　　

程新雷|刘嘉硕|王国胜|郎瑞清|卢德春|杜秀丽

中国天津城建大学天津软土工程特性与工程环境重点实验室

摘要

由于具有较高的结构刚度和较强的抗倾覆能力，四脚桩护套基础在较深水域（20–50米）部署海上风力涡轮机（OWTs）方面具有显著潜力。当这些基础位于地震活跃区域时，不仅会受到波浪和海流的冲刷影响，还会面临地震灾害。本研究利用先进的3D有限元建模技术，探讨了地震频谱特性和冲刷深度变化对海上风力涡轮机动态行为的影响。主要研究结果表明：在地震激励下，四脚桩护套OWTs会发生较大的振动位移，但事件后的残余位移很小。迎风和背风方向的桩在地震过程中会经历交替的上升/下降位移循环，从而产生差异沉降，导致整体倾斜。结构位移/加速度响应受桩顶处与OWTs基本自然周期相对应的响应谱值控制。地震波频谱组成对桩身内力和位移有显著影响。随着冲刷深度的增加，峰值横向位移、弯矩和加速度也会增加，这主要是由于冲刷导致土壤抗力下降所致。这些发现为地震区域的四脚桩护套OWTs的设计提供了基于韧性的策略。

引言

作为可持续能源的替代方案，海上风电在全球能源转型中具有战略重要性[1]。选择海上风力涡轮机（OWTs）的基础时，需要同时考虑水深和海底地质技术特性，以优化结构设计。与大直径单桩基础相比，四脚桩护套基础在适应不同水深和土壤类型方面表现出更好的适用性[2,3]。护套支撑结构采用空间框架设计，允许水流通过其构件，从而减少横向水动力荷载。该结构由四个呈正方形排列的桩组成，嵌入海底，提供较高的整体刚度和强大的抗倾覆能力（图1）。因此，这种基础配置非常适合在20–50米的过渡水深区域部署OWTs[4],[5]。实际应用案例包括德国的Alpha Ventus和Borkum风电场，以及中国的惠州（广东）和平潭（福建）风电场[6]。

在海洋环境中，构成桩基础的土壤会受到长期波浪和海流作用的冲刷影响[7]。冲刷导致桩的嵌入深度逐渐减小，从而减少了土壤与桩的接触面积[8,9]，进而降低了桩的摩擦阻力，最终降低了基础的承载能力。此外，位于地震活跃区域的风力涡轮机基础在运行过程中还要承受风/波浪/海流等环境荷载，并面临潜在的地震灾害[10]。已经证实，这些荷载可能对四脚桩护套基础产生较大的倾覆力矩。过大的旋转位移可能导致风力涡轮机运行故障，在极端情况下甚至可能引发灾难性的倾覆[11]。因此，迫切需要一个系统的评估框架来阐明在软粘土沉积物上、受地震-冲刷共同作用下的四脚桩护套支撑海上风力涡轮机的动态行为。

对于位于地震活跃区域的OWTs，设计过程中必须充分考虑地震荷载[12]。大量研究聚焦于单桩支撑海上风力涡轮机的地震性能，主要采用两种方法：地震离心机试验[13],[14],[15],[16]和三维有限元分析[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25]。这些研究一致表明，单桩基础在地震作用下会发生显著的倾斜和沉降。关于四脚桩护套基础的研究主要集中在离心机试验[14,26]和数值模拟[27],[28],[29],[30],[31]上，现有文献表明，四脚桩护套基础通常能够通过轴向推拉阻力抵抗水平风力和波浪荷载引起的较大倾覆力矩。目前关于地震荷载作用下的OWTs研究的文献较少。Alati等人[32]利用全耦合非线性时域模拟，发现三脚桩和护套基础在地震激励下的结构需求参数明显增强，应力结果也显示出显著放大。Ju和Huang[33]提出了一个基于有限元的计算框架，结合土壤-结构相互作用（SSI），用于OWTs护套结构的地震-风-波耦合分析。随后，Wang等人[34]通过高保真3D有限元建模，研究了分层软粘土沉积物中四脚桩护套基础在复合环境荷载下的地震行为。

冲刷会降低基础的强度和刚度，导致涡轮机的基本频率发生变化[35],[36],[37],[38],[39]。因此，冲刷引起的地质效应需要在海上风力涡轮机系统的结构设计框架中得到明确考虑[40],[41],[42],[43],[44],[45],[46],[47]。Matutano等人[48]通过3D有限元分析评估了单桩基础的局部冲刷坑几何配置对承载能力的影响，发现冲刷深度是比冲刷坑倾斜角度更重要的影响因素。Dai等人[49]通过数值模拟量化了冲刷对海上风力涡轮机单桩基础横向响应的影响，并开发了一种基于自然频率的冲刷深度监测方法。值得注意的是，护套基础的抬高桩腿和复杂的上部桁架结构使其在波浪-海流作用下的冲刷行为比单桩基础更为复杂[50]。为了阐明四脚桩护套基础周围的冲刷模式，研究人员进行了大量的水力模型试验[51],[52],[53],[54]。Zheng等人[55]表明，冲刷-循环荷载的协同作用会逐渐降低四脚桩护套基础的变形抵抗力，加速永久性旋转累积。Chen等人[56]发现，平衡冲刷深度（最大稳定冲刷深度）与流速和水深呈正相关，在护套中心轴与流方向之间角度偏差为30°时达到最大值。Chen等人[57]还研究了在波浪-海流共同作用下的护套基础周围冲刷形态，发现当相对速度超过0.49时，会产生独特的倒锥形冲刷几何形态。

关于OWTs在复合冲刷和环境荷载作用下的动态响应的研究较少。Jiang等人[58]建立了分析程序，用于评估冲刷后软粘土中单桩支撑OWTs的地震性能，考虑了冲刷坑几何形状和历史土壤应力变化。他们的发现表明，30°的坡度角对于分析的有效性是必要的。随后，Liang等人[59]通过降解反射动态p-y公式，研究了多环境荷载（风/波浪/水动力）作用下的地震行为。Cheng等人[60]利用简化的单边界面模型，结合三维数值模拟，量化了复合风-波-地震荷载下粘土中三脚桩基础的动态特性。

当前的研究主要集中在单桩支撑OWTs在单独冲刷或地震荷载作用下的动态行为，而针对四脚桩护套基础在复合地震-冲刷效应下的研究仍然较为匮乏。为了填补这一知识空白，本研究：（1）开发了一个考虑冲刷配置的四脚桩护套OWTs的先进3D有限元模型；（2）研究了渐进式冲刷条件下的地震响应机制和失效模式；（3）量化了地震频谱特性和冲刷深度变化对结构性能的影响。这些贡献为多灾害环境中四脚桩护套OWT系统的地震设计优化和韧性提升策略提供了有针对性的参考依据。

海上风力涡轮机参数

本研究采用了国家可再生能源实验室（NREL）5兆瓦海上风力涡轮机的基准参数（图2）。整个结构从顶部到底部包括：转子组件、钢管塔、过渡段、护套子结构和四脚桩基础。以护套腿的对角交叉点作为坐标原点，海平面处的轮毂中心高度为90.55米，模拟水深为50米。这座68米高的锥形钢管塔

单桩OWTs的缩比振动台试验模拟

本文通过预测Fang[73]进行的缩比单桩OWTs振动台试验结果，并将模拟结果与试验数据进行比较，验证了上述数值方法的可靠性。开发的三维有限元模型在几何上受到试验涡轮机和土壤容器尺寸的限制（图6），具体参数如下：（a）单桩：直径0.144米×长度0.9米，壁厚1毫米

自然频率

结构动力学设计要求将OWTs的基本自然频率置于关键激励带之外。这需要避免NREL 5兆瓦参考涡轮机的1P（转子旋转频率：0.115–0.2赫兹）和3P（叶片通过频率：0.345–0.6赫兹）的操作范围，同时避开海洋环境荷载的主导频率谱。这种频率分离可以消除共振引起的结构疲劳累积风险

结论

本研究采用先进的三维有限元建模技术，研究了四脚桩护套支撑的海上风力涡轮机（OWTs）的地震性能，明确考虑了冲刷深度的影响。主要研究结果如下：

• (1)
  随着冲刷深度的增加，四脚桩护套OWTs的基本频率呈轻微下降趋势。当冲刷深度达到桩直径的两倍时，自然频率的降低通常在1%以内。

CRediT作者贡献声明

程新雷：撰写——原始草稿、软件开发、方法论设计、概念构思。刘嘉硕：验证、软件使用、数据整理。王国胜：撰写——审稿与编辑、方法论指导。郎瑞清：方法论设计。卢德春：项目监督、研究指导。杜秀丽：项目监督。

利益冲突声明

我们声明与提交的工作没有任何商业或关联利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52025084、52378361）的支持。