基于耐久时间分析的多灾害地震脆弱性评估：一台10兆瓦的单桩海上风力发电机与非线性土-结构相互作用的影响

《Ocean Engineering》：Endurance time analysis-based multi-hazard seismic fragility assessment of a 10?MW monopile offshore wind turbine with nonlinear soil–structure interaction

　　

• •
  针对10兆瓦单桩支撑的海上风力涡轮机（OWT）的多灾害脆弱性的综合概率框架。
• •
  使用经过验证的三维连续介质土壤模型对非线性Winkler p–y弹簧进行校准。
• •
  在ANSYS软件包中实现风–浪–流–地震载荷的完全耦合时域模拟。
• •
  基于耐久时间分析（ETA）进行脆弱性评估，并利用增量动态分析（IDA）验证结果的可靠性。
• •
  量化非线性土壤-结构相互作用（SSI）对结构响应、失效概率和性能极限状态的影响。

引言

全球对可持续能源需求的增加加速了可再生资源的发展，尤其是海上风能。海上风力涡轮机（OWTs）已成为大规模发电最重要的基础设施之一。在各种基础系统中，单桩因其简单的几何形状、易于安装和成本效益而在海上风能应用中得到广泛使用，特别是在深度不超过约35米的沿海水域（Karimirad, 2014; Sorensen and Ibsen, 2013）。随着海上风电产业的迅速扩展，许多风电场已建在地震活跃地区，如中国东南部海岸、日本和美国西部。在这些地区，OWTs可能同时受到地震和环境灾害的影响，包括风、浪和流载荷。设计建议中也认识到了这个问题；例如，DNV（2014）明确要求位于地震区域的海上风力涡轮机结构必须能够抵抗地震作用。

OWTs在 combined environmental and seismic loading 下的结构响应比传统民用结构要复杂得多，这是由于它们的塔架纤细、集成的机舱-转子质量、空气动力学阻尼以及土壤-结构相互作用（SSI）。此外，OWTs的地震评估涉及到与地面运动特性和结构属性相关的重大不确定性。以往的研究已经探讨了地震方向性、近断层效应、空气动力学阻尼、强地面运动响应以及单桩支撑系统的地震性能（Wang and Dong, 2011; Stamatopoulos, 2013; Valamanesh and Myers, 2014; Patil et al., 2016; De Risi et al., 2018; Wang et al., 2019），以及地震记录的脉冲效应和方向特性（Ali et al., 2020; Mo et al., 2021a）。最近，Zhang et al.（2023）强调了考虑地震、风和浪的综合载荷对实际结构响应评估的重要性。同时，10兆瓦及更大容量涡轮机的开发显著降低了能源平准化成本（Yan et al., 2022），但在风–浪–流–地震耦合载荷下引入了更大的结构和岩土工程挑战（Guo et al., 2026）。

在这种情况下，许多研究突出了SSI效应在海上风力涡轮机分析中的重要性（Arany et al., 2016; Austin and Jerath, 2017; Yang et al., 2019; Ju and Huang, 2019; Patra and Haldar, 2021; He and Takahashi, 2025; Carhoglu and Serdaroglu, 2026），表明忽略SSI可能导致对侧向位移和弯矩需求的保守估计。Das and Konar（2025）进一步证明，在振动控制设计中忽略单桩-土壤相互作用会显著低估多灾害载荷条件下海上风力涡轮机的动态响应。关于侧向加载桩的p–y关系也进行了大量研究（Murchison and O’Neill, 1984; McGann et al., 2011; Rahmani et al., 2018; Amar Bouzid, 2018），表明传统的基于API的公式可能无法充分捕捉大直径单桩在某些土壤条件下的行为。

为了解决与地震和环境载荷相关的不确定性，概率脆弱性分析已成为评估海上风力涡轮机性能的有效框架。先前的脆弱性研究使用有限元建模来评估不同容量的OWTs（Kim et al., 2014; Asareh et al., 2016; Mo et al., 2017; Yuan et al., 2017），而后续研究则纳入了额外的因素，如液体柱阻尼器、多个性能等级以及风–浪–地震耦合载荷（Hemmati et al., 2019; Del Campo and Pozos Estrada, 2020; Wilkie and Galasso, 2020; Zuo et al., 2020; Mo et al., 2021b; Charlton and Rouainia, 2022; Li et al., 2025; Haj Najafi, 2025）。Pinto et al.（2026）最近提出了一个考虑冲刷条件的地震脆弱性框架，并展示了渐进式土壤支撑退化对结构脆弱性的显著影响。大多数先前的研究采用了增量动态分析（IDA）（Vamvatsikos and Cornell, 2002），该方法可以提供可靠的地震性能评估，但需要大量的计算工作。相比之下，耐久时间分析（ETA）已成为评估海上结构的地震性能和脆弱性的有效替代方法（Dastan Diznab et al., 2018; Estekanchi et al., 2020; Akbarzadeh et al., 2025）。

尽管取得了这些进展，但对于大规模海上风力涡轮机（特别是结合了非线性SSI的10兆瓦单桩支撑系统）的多灾害脆弱性评估仍不够充分。大多数先前的研究主要集中在5兆瓦参考涡轮机上，并使用了简化的基础表示。此外，对于受到 combined environmental and seismic loading 的大型单桩支撑涡轮机的SSI建模方法的验证关注较少。为了弥补这些研究空白，本研究提出了一种考虑非线性SSI的10兆瓦单桩支撑海上风力涡轮机的多灾害脆弱性评估概率框架。所提出的方法包括两个阶段的验证过程。首先，开发一个三维有限元连续介质模型来生成单桩的响应时间历史，然后将其集成到非线性弹簧-阻尼器模型中进行全局动态分析。其次，在SSI子模型层面和全局结构分析层面验证ETA的适用性和准确性。利用这个经过验证的框架，开发了风–浪–流–地震的脆弱性曲线，以量化非线性SSI对位于地震活跃区域的海上风力涡轮机结构可靠性的影响。

部分摘要

10兆瓦海上风力涡轮机的结构建模

本案例研究考虑了由DTU和Vestas在2012年开发的10兆瓦OWT，该涡轮机由单桩基础系统支撑（Yan et al., 2022）。这种涡轮机代表了现代海上风电场中广泛采用的下一代大容量单元。其结构配置示意图如图1所示，主要几何和机械属性在表1中总结。关于材料属性，有效钢材密度为8500 kg/m3。

有限元模型的模态验证

为了验证所开发的有限元模型的准确性，使用Block Lanczos方法进行了模态分析，考虑了前四种振动模式。分析进行了两种情况：有SSI和无SSI的情况。

图14展示了包括SSI效应在内的单桩支撑涡轮机在轮毂轴方向上的前四种振动模式。前两种模式的相应自然频率在表5中总结，并与

讨论

多灾害脆弱性结果表明，SSI是影响单桩支撑海上风力涡轮机地震性能的关键因素，而不仅仅是次要的改进因素。结合SSI导致第一模式频率显著降低，系统整体灵活性提高；在本研究中，这表现为塔顶位移增加了约17.6%，泥线弯矩增加了近191.3%，与固定基础（NSSI）模型相比。

结论

本研究通过ETA方法整合了地震、风和浪载荷，提出了一个全面的多灾害脆弱性评估框架。研究重点关注量化SSI对OWTs结构响应和可靠性的影响。主要发现总结如下：

• 1.
  ETA的效率：验证结果表明，与IDA相比，ETA方法能够准确地再现结构响应。

限制和未来研究

应承认本研究的几个限制。首先，分析是针对特定的海上风力涡轮机配置和单一土壤剖面进行的；因此，不同涡轮机容量、单桩几何形状或岩土工程条件下的定量结果可能会有所不同。SSI是使用为所考虑的土壤条件校准的非线性土壤弹簧进行建模的，可能无法完全捕捉更复杂的土壤行为，如循环退化、应变

CRediT作者贡献声明

Alireza Hajikhanmohammadian：撰写 – 原稿起草、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Leila Kalani Sarokolayi：撰写 – 审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论、概念化。Saeid Kazemi：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、概念化。Leila Khan mohammadi：撰写 – 审阅与

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本作品时，作者使用了ChatGPT-5.5（OpenAI）来协助将手稿从波斯语翻译成英语，并改进技术语言，特别是在与现有文献的比较中。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的科学完整性和内容负有全部责任。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

Alireza Hajikhanmohammadian|Leila Kalani Sarokolayi|Saeid Kazemi|Leila Khan mohammadi