引言
单桩基础因其结构简单、施工效率高且成本效益好，被广泛用于支撑浅水和过渡水域的海上风力涡轮机 (Wu et al., 2019; Wang et al., 2018)。然而，在极端海况下，这些结构可能受到破碎波浪冲击，从而产生高度瞬态且空间非均匀的拍击荷载 (Ma et al., 2025; Govindasamy et al., 2023; Tai et al., 2019)。与准静态波浪荷载相比，破碎波浪冲击荷载的特点是持续时间短、上升陡峭且局部集中性强，因此可能在单桩基础中引起显著的动力响应。因此，准确表征此类冲击荷载对于理解和预测受极端波浪作用的海上单桩结构响应至关重要 (Wang et al., 2018; Zhao et al., 2024)。
最近的实验和数值研究表明，破碎波浪对圆柱形桩的冲击在空间和时间上都非常复杂 (Govindasamy et al., 2023; Tai et al., 2019)。沿单桩不同高程测得的冲击压力往往表现出不同的峰值大小、上升时间、持续时间和相位关系，这表明脉冲加载过程不能完全由单一的理想化脉冲来描述 (Hildebrandt, 2013; Wienke and Oumeraci, 2005; Campbell and Weynberg, 1980; Goda, 1966; Cointe and Armand, 1987)。这些特征对于单桩支撑的海上风力涡轮机尤为重要，其极端结构响应不仅取决于荷载的总冲量，还取决于冲击历史详细的时间演化 (Wilson, 2003)。图 1 展示了不同垂直位置测得的典型压力时间历程示例，说明了破碎波浪冲击荷载的时间复杂性。
在工程实践中，破碎波浪冲击荷载通常使用简化的理想化荷载历史来表示，如三角形或脉冲型模型，以便于结构响应计算和设计评估 (Wienke and Oumeraci, 2005; Campbell and Weynberg, 1980; Goda, 1966; Cointe and Armand, 1987; DNV-ST-0437, 2024; DNV-ST-0126, 2021; DNV-RP-C205, 2025)。这种理想化是有用的，因为它们提供了一种将不规则冲击过程转化为可处理的工程荷载的实用手段 (DNV-ST-0437, 2024; DNV-ST-0126, 2021; DNV-RP-C205, 2025)。然而，它们不可避免地忽略了一些真实破碎波浪冲击的时间特征，包括有限上升时间、不规则持续时间、局部时间不匹配和短期饱和阶段 (Hildebrandt, 2013; Wienke and Oumeraci, 2005; Campbell and Weynberg, 1980; Goda, 1966; Cointe and Armand, 1987)。这些简化对单桩基础动力响应的影响程度仍了解不足。
从结构动力学角度来看，单桩对脉冲荷载的响应不仅受荷载大小的控制，还受荷载历史时间特征的控制 (Wilson, 2003)。例如，Paulsen 等人 (2019) 报告称，圆柱形结构上的冲击力表现出有限的上升时间，这可以显著影响加速度响应 (Zhao et al., 2024)。Govindasamy 等人 (2023) 进一步表明，沿单桩的峰值压力在不同高程不同时发生，这意味着荷载存在显著的垂直变异性。这些观察结果表明，简化冲击荷载模型中嵌入的一些时间假设可能在动力上是不一致的，即使总冲量或峰值荷载保持不变。因此，需要对各个时间参数的作用进行系统评估，以便区分可接受的理想化与那些可能引入显著响应偏差的理想化。
尽管对破碎波浪荷载和单桩响应有大量研究 (Ma et al., 2025; Govindasamy et al., 2023; Tai et al., 2019; Zhao et al., 2024; Wienke and Oumeraci, 2005; Paulsen et al., 2019)，但简化冲击荷载模型中时间理想化的动力后果仍未得到充分量化。现有模型通常根据峰值力、总持续时间或总冲量进行校准或解释 (Wienke and Oumeraci, 2005; Campbell and Weynberg, 1980; Goda, 1966; Cointe and Armand, 1987; DNV-ST-0437, 2024; DNV-ST-0126, 2021; DNV-RP-C205, 2025)。然而，测得的破碎波浪压力表明，脉冲加载过程涉及有限上升时间、短期饱和阶段、不规则衰减和垂直方向上的压力峰值不同步 (Govindasamy et al., 2023; Tai et al., 2019; Zhao et al., 2024; Paulsen et al., 2019)。这些时间特征可能会改变施加荷载的频谱特性及其与单桩 - 土系统动力特性的相互作用。因此，两个具有相似峰值力或冲量的荷载模型可能会产生明显不同的加速度响应，即使它们的位移响应相当 (Wilson, 2003)。这种区别对于动力评估尤为重要，因为位移和加速度不一定受相同的荷载特征控制。
因此，本研究旨在阐明简化破碎波浪冲击荷载模型中的各个时间假设如何影响海上风电单桩基础的动力响应。与主要关注破碎波浪冲击力的大小、经验公式或工程理想化的先前研究不同 (Wienke and Oumeraci, 2005; Campbell and Weynberg, 1980; Goda, 1966; Cointe and Armand, 1987; DNV-ST-0437, 2024; DNV-ST-0126, 2021; DNV-RP-C205, 2025)，本研究在一个统一的实验 - 数值框架内隔离了上升时间、总持续时间、饱和时间和间隔时间的影响。首先使用聚焦波浪水槽试验来识别破碎波浪压力历史的代表性时间特征，并分离准静态和脉冲加载分量 (Ma et al., 2025; Zhao et al., 2024; Wienke and Oumeraci, 2005; Campbell and Weynberg, 1980; Goda, 1966; DNV-RP-C205, 2025)。然后将这些测得的特征通过参数化的三角形和梯形冲击历史引入全尺寸单桩 - 土有限元模型 (Liu et al., 2019; Huang and Chen, 2020)。通过比较受控时间变化下的峰值位移和峰值加速度，本研究确定了哪些时间特征可以在有限影响下简化，哪些必须保留以避免有偏的动力响应预测。主要贡献是建立时间荷载理想化、冲量控制位移和破碎波浪冲击下单桩响应中加速度敏感的动力放大之间的机理联系 (Wilson, 2003)。
本研究的创新之处在于将简化破碎波浪冲击模型的评估从力大小等效转向动力响应等效，从而阐明了为什么具有相似峰值压力或冲量的荷载历史可能会在单桩基础中产生不同的加速度需求。
本文其余部分组织如下。第 2 节定义了理想化冲击荷载表示和本研究考虑的关键时间参数。第 3 节介绍了波浪水槽实验和代表性破碎波浪压力历史的提取。第 4 节描述了全尺寸单桩 - 土有限元模型及其验证。第 5 节讨论了时间参数对结构位移和加速度响应的影响。最后，第 6 节总结了主要结论和工程意义。
