《Marine Structures》：Impact of marine water environment on the seismic response of offshore wind turbines supported by the four-pile jacket in clays
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•开发了一种数值方法，用于分析粘土中由四桩导管架支撑的海上风电机组（OWT）的地震响应。•研究了海水环境因素对海上风电机组地震响应的影响。•研究了海上风电机组的地震响应，如横向位移、旋转角度和加速度。引言海上风能因其丰富性、高效性和稳定性而迅速发展。与陆上风电相比，海上风能资
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开发了一种数值方法，用于分析粘土中由四桩导管架支撑的海上风电机组（OWT）的地震响应。
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研究了海水环境因素对海上风电机组地震响应的影响。
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研究了海上风电机组的地震响应，如横向位移、旋转角度和加速度。
引言
海上风能因其丰富性、高效性和稳定性而迅速发展。与陆上风电相比，海上风能资源更加丰富和稳定，这有助于更有效地利用风能并实现更大的装机容量。在海上风电场中，风机基础的设计和安装尤为关键，因为仅基础的成本就可能占总建设成本的 30% [39]。对于水深小于 30 米的情况，单桩基础是海上风电机组最常用的支撑结构 [6,25,47]。随着海上风能资源从浅水向深水开发，当作业水深超过 30 米时，导管架基础变得越来越受欢迎。这是由于其具有轻量化设计、高刚度、优异的稳定性以及适用于广泛水深范围等优势 [3,8,9,42,46,49]。
地震是最具破坏性的自然力量之一，能够对现有结构造成严重损坏 [33]。海上风电机组所在水域可能面临潜在的地震威胁 [55]。地震荷载会导致海上风电机组的基础承受巨大的倾覆力矩，从而导致过度旋转，影响海上风电机组的正常运转。在当前的海上风电机组设计规范中，服务极限状态（SLS）要求通常主导整个基础的设计 [2]。例如，根据 SLS [12]，单桩在泥线处的永久累积旋转容差规定为 0.25。因此，研究地震荷载对风力发电机的影响是必要的。此外，不同的海水环境因素，如海洋生长物厚度、结构浸没深度、结构内部进水和海水腐蚀，会改变海上风电机组的动态特性，进而影响海上风电机组的地震响应。
目前关于海上风电机组基础地震响应的大部分研究主要集中在大直径单桩上。例如，进行了地震离心试验 [22,26,48,52] 和缩尺振台试验 [16,41,54,55]，以检查支撑海上风电机组的单桩的基本地震响应特性。Wu 等人 [51] 对嵌入饱和可液化砂土中的单桩进行了离心机振台试验，发现由风和波浪引起的初始水平荷载会显著影响震后的弯矩和横向位移需求。土 - 结构相互作用（SSI）对单桩支撑海上风电机组地震响应的影响研究表明，SSI 降低了结构的固有频率 [14,34]，增强了结构旋转，并显著放大了结构的地震响应，这种效应受土壤条件、风力发电机尺寸和地震谱特性等因素控制。土壤液化对单桩支撑海上风电机组地震响应的影响研究表明，液化会显著放大横向位移、沉降和旋转角度等地震响应 [13,40]。此外，通过数值模拟研究了冲刷对单桩支撑海上风电机组地震响应的作用 [20,27,53]，表明冲刷会导致地震期间发生过度位移和弯矩。此外，通过进行数值模拟研究了风和波浪对单桩支撑海上风电机组地震响应的联合影响，研究结果强调联合效应对于准确评估海上风电机组结构响应至关重要 [10,35,45]。总之，上述研究为单桩基础的地震性能提供了有价值的见解。
此外，也有几项研究针对由导管架结构支撑的海上风电机组的地震响应进行了研究 [7,11]。Natarajan 和 Madabhushi [37] 进行了动态离心试验，以研究砂土中由导管架结构支撑的海上风电机组的地震性能。研究结果显示，在强地震荷载下，土壤中的超孔隙水压力会导致液化，从而引起海上风电机组的严重沉降和旋转，这可能超过规定的限值。James 和 Haldar [19] 检查了地震运动垂向分量对由导管架支撑的海上风电机组动态响应的影响。该研究揭示了由于垂向激励导致机舱加速度的显著放大。此外，还有一些关于钢平台地震损伤评估的研究。Konstandakopoulou 等人 [24] 研究了包含明显脉冲的近断层地震动下三维海上平台的地震响应。他们的发现强调了考虑土 - 桩 - 结构相互作用、几何非线性和地震波入射角对于可靠响应评估的重要性。在相关工作中，Konstandakopoulou 等人 [23] 检查了钢导管架平台对重复强地震的非弹性响应，表明连续事件造成的累积损伤导致变形增加，并与单次地震相比显著影响结构性能。Behrouz 等人 [5] 和 Soleimanian 等人 [44] 研究了在地震荷载下准确分析和评估导管架海上平台动态响应的方法。
然而，关于海水环境因素对海上风电机组动态响应影响的研究有限。例如，Shi 等人 [43] 研究了不同厚度和密度的海洋生长物如何影响由四桩导管架支撑的海上风电机组的固有频率和水动力荷载。在后续研究中，Shi 等人 [42] 探讨了各种建模参数（包括节点罐、重叠部分、构件进水、海洋生长物和过渡段（TP）质量）对由导管架支撑的海上风电机组的影响。他们的发现表明，节点罐、重叠部分和海洋生长物对结构的基本固有频率影响极小，而选择合适的过渡段质量有助于减少构件上的极端荷载。此外，Bai 等人 [4] 分析了由于均匀腐蚀导致的导管架平台结构强度退化，指出完全浸没区域的腐蚀效应比溅水区严重 3.5 倍。
基于上述文献综述，现有研究主要集中在单桩支撑的海上风电机组的地震响应上，部分研究扩展到了由四桩导管架支撑的海上风电机组的地震行为。然而，关于海水环境对四桩导管架支撑的海上风电机组地震响应影响的研究存在明显缺口。因此，本文利用 SACS 软件对软粘土中由四桩导管架支撑的海上风电机组进行地震响应模拟，并系统研究了包括海洋生长物厚度、结构浸没深度、结构内部进水和海水腐蚀在内的海水环境因素对海上风电机组结构地震响应的影响。研究结果可以为由四桩导管架支撑的海上风电机组的工程设计提供指导。
章节摘要
结构模型
图 1(a) 显示了由四桩导管架基础支撑的海上风电机组的设计草图。基于典型 NREL 5 MW 海上风电机组的设计规范 [21]，使用有限元软件 SACS 建立了海上风电机组的三维有限元模型（图 1(b)），主要设计参数列于表 1 中。海上风电机组塔筒高度为 87.6 米，采用变截面结构，塔筒直径从顶部的 3.87 米增加到底部的 6.0 米，并且
海洋生长物厚度的影响
海洋生长物，也称为污损，分为硬性和软性两种形式，也表现为海藻或海带。硬性污损包括贻贝、藤壶和管虫，而软性污损包括水母、海葵和珊瑚。在某些水域，软性海洋生长物厚度可达 30 厘米 [18]。海水中的振动导管架由于其运动而受到额外的动态水压力作用，水和导管架之间的相互作用可以使用等效
结论
本文使用 SACS 软件建立了由四桩导管架支撑的海上风电机组的三维有限元模型，并对各种情况下的海上风电机组进行了地震响应模拟。探讨了四个因素（海洋生长物厚度、结构浸没深度、结构内部进水和海水腐蚀）对海上风电机组地震动态响应的影响，并得出以下主要结论：
CRediT 作者贡献声明
徐东旭 (Dongxu Xu)：写作 – 初稿，软件，方法论，概念化。崔金涛 (Jintao Cui)：验证，软件，调查，数据管理。程辛磊 (Xinglei Cheng)：写作 – 审阅与编辑，方法论。王国生 (Guosheng Wang)：监督，方法论。陆德春 (Dechun Lu)：监督，调查。杜秀利 (Xiuli Du)：概念化。
利益冲突声明
我们声明，我们没有与提交工作相关的任何商业或关联利益，这不构成利益冲突。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金 (52378361) 和天津市科技局自然科学基金 (23JCYBJC00750) 的支持。
徐东旭 | 崔金涛 | 程辛磊 | 王国生 | 陆德春 | 杜秀利
