考虑冲刷坑尺寸的砂土中吸力桶基础支撑海上风机在多灾害荷载下的动力响应

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Dynamic response of offshore wind turbine supported by suction bucket in sands under multi-hazard loads considering the scour-hole dimensions

　　

尽管风、波浪、地震及冲刷荷载共同作用的重要影响已被广泛认可，但目前对砂土中吸力桶基础支撑的海上风机（OWT）动力行为的综合分析仍然有限。研究人员通过一套全面的三维数值分析，评估了砂土中OWT吸力桶基础在环境荷载与地震荷载同时作用下的动力行为。分析的关键方面包括基础破坏机制，涵盖邻近土体中超静孔隙水压力的生成与累积、由此产生的结构位移以及加速度时程。分析表明：较大的冲刷深度可能会减小地震荷载下OWT的动力响应，这主要是因为冲刷削弱了土体液化对运动相互作用的增强效应；相反，冲刷引起的侧向土体抗力降低会放大风浪联合荷载下的动力响应。此外，在地震、风与波浪荷载同时作用下，系统表现出比单独地震作用或风浪联合作用更显著的动力响应。这种联合荷载的一个潜在后果是基础转动可能超出正常使用极限状态所设定的阈值。在地震、风与波浪同时作用时，地震作用主要控制孔隙水压力的发展及结构加速度响应，而侧向位移则主要受风与波浪荷载影响。本研究为抗震活跃区可液化砂质海床中吸力桶基础的设计提供了关键参数。

论文解读：《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》——考虑冲刷坑尺寸的砂土中吸力桶基础支撑海上风机在多灾害荷载下的动力响应

一、研究背景与意义

在全球碳中和目标驱动下，海上风电快速向深水、大容量及低成本方向发展。吸力桶基础（Suction Bucket Foundation）凭借高效安装、经济可行及环境扰动小等优势，成为海上风机（OWT）的重要支撑结构。然而，复杂海洋环境存在多灾害耦合效应：持续的环境荷载（风、波浪、海流）、突发灾害（地震引发的可液化砂土及动力失稳）以及渐进退化（局部海床冲刷导致埋深减小及土体约束刚度降低）。这些因素的时空耦合可能触发累积损伤破坏。

现有研究多聚焦于单桩（Monopile）在风-浪-震-冲刷下的动力响应，针对吸力桶基础，尤其在可液化砂土中的多灾害联合作用研究相对稀缺。此外，精确模拟风、浪、地震及冲刷共同作用的动力响应存在较高计算挑战。为填补这一空白，Cheng Xinglei等研究人员以砂质海床中的吸力桶支撑OWT为对象，采用三维数值模拟，探究多灾害荷载及不同冲刷坑尺寸下的动力行为与破坏机理，为抗震可液化区的吸力桶设计提供依据。

二、主要关键技术方法

研究人员未模拟冲刷动态形成过程，而是假设冲刷坑已形成，并依据文献简化几何尺寸。研究建立三维数值模型，模拟吸力桶-砂土-上部结构体系。荷载施加包括：风荷载（气动推力）、波浪力（水动力压力）及地震动（输入峰值地面加速度PGA）。制定多灾害工况组合：地震单独与冲刷、风浪联合与冲刷、地震-风-浪全联合与冲刷。在系统中布置监测点，采集侧向位移、竖向位移、转角、超静孔隙水压力及加速度时程。通过既有模型试验与数值案例对数值方法进行验证，确保液化砂土、结构-土相互作用（SSI）及动力响应的模拟可靠性。

三、研究结果

Response to seismic loads only under soured condition（冲刷条件下仅地震荷载响应）

在不同峰值地面加速度（PGA）及冲刷深度下，基础在地震激励下产生显著侧向振动及永久侧向位移。研究发现，随着冲刷深度增加，OWT在地震作用下的动力响应反而减小。主要机制是：冲刷降低了土体约束，同时也削弱了可液化砂土中土体液化对运动相互作用（Kinematic Interaction）的增强效应，从而在一定程度上降低结构加速度与位移响应。

动态响应对比分析（对应原文3.1–3.4逻辑）

• •
  地震+冲刷：较大冲刷深度降低动力响应，地震主导超静孔隙水压力发展与结构加速度。
• •
  风-浪+冲刷：冲刷导致侧向土体抗力下降，放大了风浪联合作用下的侧向位移与转动响应。
• •
  地震-风-浪+冲刷：联合荷载下系统动力响应最显著，可能使基础转动超出正常使用极限状态（Serviceability Limit State）。此时，地震控制孔压与加速度，风浪控制侧向位移。
• •
  不同工况比较：联合作用 > 风浪单独 > 地震单独（以综合位移与转角衡量），但地震单独以加速度与孔压上升为主。

四、讨论与结论总结

研究人员在讨论中指出，冲刷深度对结构响应的影响具有荷载类型依赖性：地震下加深冲刷可降低响应，风浪下则放大响应。这强调在多灾害评估中需区分荷载类型。此外，在可液化砂土中，吸力桶内外土体孔压发展不同，桶内通常低于外部。

结论部分翻译与总结：

1. 1.
   吸力桶基础在地震震动中表现出显著侧向位移、累积沉降及转动。值得注意的是，随着冲刷深度增加，OWT在地震下的动力响应减小。
2. 2.
   在风-浪联合荷载下，冲刷引起的侧向土抗力降低会放大动力响应。
3. 3.
   在地震-风-浪同时作用下，系统响应比单独地震或风浪联合更显著，基础转动可能超出正常使用极限状态阈值；地震主要控制孔压与加速度，风浪主要控制侧向位移。
4. 4.
   研究为可液化砂质海床中吸力桶基础在抗震及多灾害条件下的设计提供了关键参数与灾害机理认识。