液化砂中不同类型海上风机基础在联合环境荷载作用下的动力响应对比分析

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Comparative Dynamic Response Analysis of Different Types of OWT Foundations in Liquefiable Sand under Combined Environmental Loads

　　

海上风电项目持续向更深水域和地震活跃区域扩展，这使得地震引起的液化成为风力发电机基础的关键危害。本研究比较了液化砂中海上风机（OWT）单桩、筒型和混合基础在联合环境荷载作用下的动力响应。此外，阐明了混合基础在液化场地中的荷载传递和抗力机制。研究人员建立了桩、筒型和混合基础的三维非线性数值模型，并通过1-g振动台试验进行了验证。随后，利用验证后的模型对不同的OWT基础在风、浪和地震联合荷载下进行了对比分析。结果表明，单桩基础更容易出现快速孔隙水压力累积和塔顶位移放大。筒型基础在液化土中表现出较小的整体响应，侧向位移和加速度减小；然而，它们仍然受到孔隙水压力累积和有效应力损失的影响。此外，由于其埋入式构造，筒型基础的施工需要更严格的场地条件。相比之下，混合基础能够显著抑制孔隙水压力发展，减小结构加速度和侧向变形，并通过扩展土-桩相互作用增强整体系统刚度。此外，平台与桩之间的协调相互作用使混合基础在钢材用量方面具有潜在优势。

**研究背景与问题**
随着全球能源结构向碳中和转型，海上风电项目持续向更深水域和地震活跃区域扩展。地震引起的砂土液化成为海上风机（OWT）基础的关键危害，因为饱和砂在强震下易发生液化，导致有效应力骤降，侧向阻力和刚度退化，进而引发结构过大位移、倾斜甚至整体失稳。现有研究多集中于单一基础类型（如单桩或筒型）或局部增强措施，缺乏在不同基础系统间统一荷载条件下的系统性比较；对风机-基础-土完整系统的动态分析不足，且多数研究仅考虑地震激励，未充分耦合风、浪联合环境荷载。为弥补这些不足，研究人员开展了本研究，比较单桩、筒型和混合基础在可液化砂土中的动力响应，并评估其工程适用性。该论文发表在《Journal of Ocean Engineering and Science》。

**研究内容与结论**
研究人员基于1:70缩比的1-g振动台试验（针对单桩和筒型基础），建立了三维非线性数值模型（OpenSees平台），并通过与试验数据对比验证了模型精度（孔压、加速度、位移等差异在15%以内）。随后，以中国阳江某6.45 MW海上风机为原型，在统一场地和荷载条件下建立单桩、筒型和两种平台-单桩混合基础（混合基础1保持原桩径，混合基础2减小桩径以考察材料效率）的模型，施加风（Kaimal谱）、浪（JONSWAP谱，Morison方程）和地震（低频、中频、高频三组记录，PGA为0.1g、0.3g、0.5g）联合荷载，进行对比分析。结论表明：混合基础能显著抑制孔隙水压力发展、降低结构加速度和侧向变形、增强整体系统刚度，且通过协调平台与桩相互作用在钢材用量上具有潜在优势；单桩基础易出现快速孔压累积和塔顶位移放大；筒型基础在液化土中整体响应较小但受孔压和有效应力损失影响，且施工条件要求更高。

**关键技术方法**
1. **三维非线性有限元建模**：采用OpenSees平台，土体使用bbarBrickUP单元（基于Biot固结理论的u-p格式），饱和砂层采用压力相关多屈服面02（PDMY02）本构模型，黏土层采用压力无关多屈服面（PIMY）模型。
2. **接触与边界模拟**：桩-土相互作用通过多点接触弹簧（MCPS）实现；筒型或平台-土界面采用ZeroLengthContactASDimplex单元结合薄界面层；模型底部固定、侧向采用等自由度（EqualDOF）约束以减小波反射，顶部为自由排水边界。
3. **荷载施加**：风荷载基于Kaimal谱和宽频调幅白噪声法（WAWS）生成时程；波浪荷载基于JONSWAP谱和Morison方程；地震输入选取低频、中频和高频三组代表性记录，峰值加速度（PGA）设为0.1g、0.3g和0.5g。
4. **模型验证**：对比1-g振动台试验中单桩和筒型基础的超孔压比、加速度和位移时程，验证数值模型准确性。

**研究结果**
**4.1 自由场和基础附近超孔压比响应**
通过数值模拟分析不同深度自由场的超孔压比时程发现：PGA增大导致孔压积累显著增强；低频地震下浅层孔压迅速上升达到液化状态，中频次之，高频孔压累积最弱。在基础附近，单桩和筒型基础周边孔压在低频和中频地震下接近液化，而混合基础1（等桩径）在浅层和中层保持低且稳定的孔压，未见完全液化；混合基础2（小桩径）孔压略高于混合基础1但显著低于单桩，表明混合基础具有持续的孔压抑制能力。
**4.2 地基-基础-上部结构系统动力响应对比**
通过对比塔顶水平位移、塔底弯矩和加速度时程：混合基础1位移和弯矩最小，筒型基础次之，混合基础2优于单桩基础；低频地震下位移和弯矩最大，中频次之，高频最小；位移沿塔高分布受基础旋转和整体平移控制。塔顶加速度受地震频谱影响大，基础类型间差异较小。土-结构相对位移在低频地震下，单桩基础最大，混合基础和筒型基础显著减小；中频地震下相对位移减小，但单桩仍最大；高频地震下所有系统相对位移均小。震后沉降估算表明，平台-单桩混合基础和单桩基础沉降相当（因荷载传递至深层非液化层），筒型基础沉降显著更大（因完全位于液化层内）。
**4.3 基础系统动力响应差异的机理分析**
通过概念示意图揭示机理：混合基础通过在桩顶引入平台组件，增加平台下方和桩侧土体的初始有效应力，扩大荷载扩散区，减小桩周剪切应变局部化，从而抑制超孔压相对增长，降低液化可能性。低频和中频地震下效果尤为显著；高频地震下响应由输入特性主导，基础间差异缩小。这种“孔压抑制-刚度保持-结构需求降低”的协调机制使混合基础在低频和中频地震下塔顶位移、残余变形和塔底弯矩更小。

**讨论与结论**
**讨论**：第5节从动态性能、施工可行性和经济性三维度评估基础系统的整体性能。单桩基础施工成熟但液化抵抗性有限；筒型基础变形控制好但施工条件要求高；混合基础通过引入平台增强土-基础协同作用，在低频和中频地震下兼具抗液化能力与结构响应抑制。混合基础2通过减小桩径可显著降低钢材用量（从约1200 t降至约700 t），同时保持优于单桩的动态性能。筒型基础造价较高（单位约1500–1850 USD/t），混合基础因平台采用钢筋混凝土而材料成本更低。安装时间上，混合基础仅比单桩增加约10–15小时，施工流程相对简单。
**结论翻译**：
(1) 基础类型极大影响液化发展和周边土体响应模式。在相同外部荷载下，单桩基础周边土体形成局部应变集中区，超孔压积累更快。筒型基础因其大直径和约束作用改善了孔压控制，但性能最终受限于依赖浅层土抗力，一旦上层完全液化，其侧向和抗倾覆能力大幅降低。平台-单桩混合基础扩大了荷载传递面积，减小了孔压积累并延缓了液化进程。
(2) 结构响应与基础-土相互作用特性密切相关。单桩支撑的OWT在液化后期易发生塔顶侧向位移放大和残余变形积累。筒型基础在浅层强度维持时表现出较小响应。混合基础有效减小侧向位移、塔底弯矩和残余变形，展现出优越的抗震鲁棒性。
(3) 结构位移与内力直接关联基础-土相互作用行为。在低、中频地震荷载下，混合基础降低了塔顶位移、残余变形和塔底弯矩。高频地震下，结构加速度响应主要受输入地震动频谱显著影响。
(4) 从工程适用性角度，混合基础在地震性能和施工可行性之间提供了有利平衡。引入平台组件增强了抗液化能力和地震稳定性，且未显著增加基础占地面积。当稳定性要求满足时，减小桩径可进一步降低钢材消耗和施工成本，使混合基础即使在材料高效配置下也能保持对单桩的优势。总体而言，对于液化风险显著且地震输入以低中频分量为主的深海风电场，平台-单桩混合基础可增强土-结构系统的整体地震韧性。在条件相对有利或稳定性要求适中的场地，减小桩径同时引入平台组件，提供了一种在保持优于传统单桩基础动态性能的同时降低钢材用量和施工复杂性的实用方法。