单桩支撑陆上风力机考虑风-结构-土相互作用与长期运行过程的时间依赖型地震易损性

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Time-dependent seismic fragility for onshore monopile-supported wind turbines considering wind-structure-soil interaction and long-term operational processes

　　

单桩支撑风力机(MWTs)在地震活跃区部署日益增多，地震荷载对其结构安全影响显著。在25至30年服役期内，MWTs持续承受风荷载与1P/3P荷载，这些侧向力引起土体性质持续演化，导致MWTs地震性能呈现时间依赖性。本研究聚焦地下水位位于桩端以下的陆上MWTs，不考虑波浪与海流等海洋环境荷载，提出一种评估长期运行后MWTs地震响应的框架，综合考量风-结构-土相互作用。该框架可有效刻画土体性质长期演化并分析其对地震响应的影响机制。在此基础上，研究人员采用增量动力分析(IDA)方法进行时间依赖型地震易损性分析，获得不同运行历史下的地震易损曲线。结果表明：随运行年限增加，风力机结构超越正常使用极限状态与极限承载状态的概率显著上升；风特性与地震特性等因素对结构抗震性能的影响机制发生明显变化。总体而言，陆上MWTs的运行历史对其抗震性能具有显著的退化效应。

研究背景方面，单桩支撑风力机(MWTs)作为清洁能源装备在东南沿海、日本沿岸及美国西海岸等地震活跃区大规模布设。DNV标准规定地震活跃区装机须进行抗震设计。现有研究多将长期运行过程与地震加载过程分离，假定长期运行不影响抗震性能，难以预测服役期内由风-结构-土相互作用引起的土体支承刚度与阻尼演化所导致的抗震性能退化。土壤边界条件作为关键影响因素，在25至30年服役期内受风荷载、1P/3P荷载持续作用发生非线性演化，使结构抗震性能呈现显著时间依赖性，亟需建立耦合长期运行与地震加载的分析体系。

研究人员以地下水位低于桩端的陆上MWTs为对象，排除波浪、海流及冲刷等海洋环境效应，建立考虑风-结构-土相互作用的长期运行-地震响应耦合框架，采用多体动力学法列写MWT系统运动方程 M·a + C·v + K·x = ΔF，其中结构刚度 k_str 与质量 m_str 基于欧拉-伯努利梁理论组装，初始土刚度 k_s 采用边界面p-y模型计算并随运行历史更新；土反力模量 E = p_u c β D^α Lⁿ y₀^(β-1) sech²(c y₀^β D^α Lⁿ)，H 由相应分式给出。在此基础上以NREL 5-MW级基准机型为参照，开展增量动力分析(IDA)，输入多组地震动记录并按运行年限（如0年、10年、20年、30年）更新土体边界条件，提取塔顶位移、加速度、桩身弯矩及转角等响应，对照正常使用极限状态(SLS)与极限承载状态(ULS)损伤准则统计易损概率。

主要关键技术方法包括：多体动力学建模与欧拉-伯努利梁单元组装获得结构质量与刚度矩阵；边界面p-y模型描述砂土在长期循环侧向荷载下支承刚度退化与阻尼演化；增量动力分析(IDA)以地震强度指标(如PGA)为刻度对同一条地震动调幅，获得不同运行历史下结构需求与易损曲线；设定SLS与ULS双阈值损伤判别。样本为参照公开基准机型参数的数值算例，无实体试验队列。

研究结果部分，第1节引言指出既有易损性研究未充分耦合长期运行导致的土性演化。第2节长期运行MWT结构地震响应分析框架中，2.1节长期运行过程分析框架建立风况-机组运行状态-土支承演化联动模型；2.1.1节风力机动力学模型以直接平衡法列式并嵌入边界面p-y模型实现土参数随操作时程更新；2.1.2节风致振动与1P/3P周期荷载通过叶素-动量理论耦合到塔架基础界面。第3节地震易损分析显示，运行30年后SLS超越概率较竣工态提升约数倍，ULS超越概率亦显著抬升；风特性（平均风速、湍流强度）与地震特性（近远场、PGA）的影响权重随运行年限重组，例如砂土中刚度退化使位移响应减小而加速度与弯矩增大。第4节结论指出陆上MWTs运行历史对抗震性能具有显著退化效应，传统不计长期演化的易损分析会低估真实风险。

讨论与结论翻译：综上，针对地下水位低于桩端的陆上单桩支撑风力机，研究人员提出耦合风-结构-土相互作用与长期运行过程的地震响应框架，借助边界面p-y模型追踪土支承特征演化，采用增量动力分析获得时间依赖型地震易损曲线。结论为：随着运行年限增长，结构超越正常使用极限状态与极限承载状态的概率显著增大；风特性与地震特性对抗震性能的影响机制随时间明显改变；陆上MWTs的长期运行历史对其地震性能表现出显著的退化作用，应在抗震设计与服役评估中计入运行历史诱导的土性演化效应。该研究发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》，为地震区陆上风电抗震寿命预测提供了时间依赖型评价路径。