引言
近年来，海上风电凭借资源丰沛、风况相对稳定以及适宜规模化开发等优势，发展迅速，并逐步由近海浅水区域向中深水及深水区域拓展。随着服务水深的增加和风机容量的提升，海上风机（OWT）支撑结构与基础体系在结构承载能力、安装施工以及运行安全等方面面临着更高的要求。基础形式的选择与水深、环境载荷、海床条件以及经济因素密切相关[1,2]。在浅水区域，单桩基础凭借其结构形式简单、施工经验成熟的优点，成为应用最为广泛的OWT基础类型。然而，随着水深增加，单桩基础的结构尺寸、柔性控制要求及施工造价均显著上升，其适用性因而受到逐步限制。相比之下，导管架基础具有空间桁架体系的承载特征，整体刚度大、稳定性好、材料利用效率高，因而特别适用于中深水区域复杂的风—浪环境[3]。同时，相关优化研究表明，在材料利用效率、结构轻量化设计以及疲劳寿命控制等方面，导管架基础仍有进一步优化的潜力[4,5]。
在服役期内，OWT将长期承受风载荷与浪载荷的共同作用。风载荷主要作用于塔筒和叶轮—机舱总成，而波浪载荷则主要作用于浸没于水中的导管架构件及桩基。这两类载荷在时程与空间分布上均表现出显著的随机性，可能改变结构的整体振动响应、侧向变形特征、基底剪力以及倾覆力矩。对于导管架OWT而言，支撑结构由大量管状构件和焊接节点组成，在主桩腿、斜撑及其连接节点处容易发生应力集中。在长期的风—浪联合作用下，这些区域的疲劳损伤会逐渐累积。因此，有必要从整体动力响应与局部节点疲劳损伤两个层面，综合评估导管架OWT在风—浪联合作用下的服役性能[6]。
目前，关于风—浪载荷下OWT动力响应的研究主要集中于单桩基础和吸力桶基础等典型基础形式[[7], [8], [9], [10], [11]]。部分研究主要探讨了土—结构相互作用[[12], [13], [14], [15]]、基础刚度与边界条件[16,17]以及冲刷[[18], [19], [20]]对结构动力特性的影响。随着导管架基础在中深水区域的应用日益增加，其风—浪诱发的动力响应逐渐受到关注。已有研究[[21], [22], [23]]表明，波浪参数、风—浪耦合关系以及结构的固有振动特性均会显著影响塔顶位移、基础反力、构件内力等关键响应指标。同时，桩—土相互作用可改变导管架基础的等效约束刚度与荷载传递路径，进而影响整体动力响应[24,25]。为提高预测精度，研究方法逐渐由传统的解耦分析演进为一体化数值模拟，综合考虑了叶轮—机舱总成、波浪载荷的空间分布、基础边界条件以及极端波浪—水流作用[[26], [27], [28]]。模型试验结果[29,30]进一步表明，风载荷主要控制塔顶位移与整体响应水平，而波浪载荷对基底剪力、局部构件内力以及频域响应的影响更为显著。
除动力响应外，疲劳损伤同样是固定式OWT运行安全评估中的关键问题。现有研究主要聚焦于大直径单桩支撑的OWT，重点关注环境载荷随机性、基础约束条件、土—结构相互作用及海床冲刷等关键因素对结构疲劳损伤演化及剩余疲劳寿命的影响[[31], [32], [33], [34]]。相关研究表明，海洋环境载荷的长期随机性，叠加基础刚度退化与非线性土体响应，可显著改变结构的动力特性及疲劳累积过程。与单桩基础相比，导管架基础以空间框架体系为特征，荷载传递路径更为复杂，节点区域易出现应力集中与多轴疲劳问题，因此其疲劳性能受到广泛关注。近年来，针对OWT导管架基础的疲劳研究已从多个视角展开，主要包括长期风—浪耦合作用下的疲劳损伤演化、关键连接节点的局部多轴疲劳以及结构疲劳寿命预测[4,6,[35], [36], [37], [38]]。这些研究逐渐由传统的疲劳强度验算演进为全生命周期性能评估，为提升OWT导管架基础的设计安全与服役耐久性提供了重要的理论基础。
然而，关于海洋环境因素对OWT动力响应与疲劳损伤演化影响的研究仍然相对有限。海洋生物附着、结构浸没深度变化以及海水腐蚀（见图1）等环境因素可长期作用于OWT支撑结构，改变其质量分布、水动力特性、截面性能及边界约束条件，进而影响结构的动力特性、荷载响应以及疲劳损伤累积过程。已有少量研究分析了海洋生物附着对导管架OWT自振频率与水动力载荷的影响[39]。部分研究进一步探讨了构件进水、节点建模参数以及过渡段质量变化对导管架结构动力性能的影响[40]。此外，相关研究还考察了腐蚀导致的导管架平台结构截面退化与承载能力下降[41]。然而，现有研究大多集中于单一环境因素对结构动力特性、水动力响应或承载能力的影响，而针对不同海洋环境因素对OWT结构风—浪诱发动力响应及导管架关键节点疲劳损伤影响的系统性对比研究仍然十分有限。
为填补上述研究空白，本研究以软黏土地基上的四桩导管架海上风机为对象，建立了一套基于等效桩顶边界条件、用于管节点风—浪时程动力响应与疲劳损伤的统一分析框架。在相同的风—浪荷载条件下，分别改变海洋生物附着厚度、结构浸没深度以及海水腐蚀程度，以评估不同海洋环境因素的独立影响。本研究的主要创新贡献如下：（1）在统一的数值分析框架内，系统评估了三种代表性海洋环境因素对四桩导管架海上风机风—浪诱发动力响应的影响；（2）对比分析了导管架关键节点疲劳损伤的演化规律，特别关注不同类型节点（包括水上节点与水下节点）对环境因素敏感性的差异；以及（3）揭示了不同环境条件下疲劳损伤的空间分布特征及疲劳敏感节点区域。研究结果可为海上风机的运行安全评估、疲劳损伤评价以及维护优化提供科学依据。
