地震载荷下单桩支撑海上风力发电机组高振型及混合基础加固效果评估

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Evaluation of high vibration mode and hybrid foundation reinforcement effects for monopile-supported offshore wind turbines under earthquake loading

　　

- 通过三维有限元分析研究了单桩基础和混合基础上10 MW海上风电机组的地震响应。- 通过模拟单桩支撑海上风电机组的离心机振动台试验对模型进行了验证。- 评估了地震震动期间高频振动对结构响应的影响。- 评估了混合基础在风-地震联合荷载作用下的性能。

**引言**

单桩基础是目前海上风电机组（OWT）最广泛使用的基础支撑系统[1]。根据2025年海上风电安装统计数据，固定式基础安装活动以单桩为主，共安装了644座单桩基础，而桁架基础仅安装了145座[2]。风能的利用正在加速发展，海上风电机组规模和已安装容量的快速增长即为明证[3]。2025年，15 MW海上风电机组的商业化部署正式启动，其中包括在德国的He Dreiht海上风电场安装了Vestas V236-15.0 MW机组。中国东方电气在2025年安装了一台26 MW原型机海上风电机组，其转子直径约310 m，代表了当前超大型海上风电机组的发展水平[4]。与此同时，为了利用更高的风能密度，海上风电场越来越多地部署在离岸更远、水深更深的海域[5]。

传统单桩基础似乎已不足以支撑自重更大、环境条件更恶劣的先进海上风电机组。所需的单桩直径和埋深大幅增加，导致材料和安装成本显著上升[6]。这些局限性促使人们探索新的基础概念。其中一种方法是混合基础，即将单桩与环形的承力板相结合。这种组合基础基于承台的概念，环形环箍的添加增强了剪切阻力，并为侧向偏转提供了更大的恢复力矩[7][8]。近年来，已通过数值模拟和物理模型试验研究了混合基础在正常运行条件下的性能，包括单调性和动力侧向荷载作用下的表现。以往的研究普遍表明，与传统单桩基础相比，混合基础在侧向承载力、刚度和转动性能方面有所改善[9][10]。基于这些增强效应，一些研究进一步探索了通过减少单桩埋深和直径作为经济权衡的混合基础，同时试图保持可接受的侧向性能。Anastasopoulos和Theofilou[11]发现，与传统的单桩基础（L=30 m）相比，混合基础在单桩埋深减半（L=15 m）的情况下仍可表现出更高的摇摆刚度。Alsharedah等人[12]报告称，环形环箍的添加提高了相对侧向极限承载力，同时允许减小单桩的贯入深度和直径。这些发现突出了混合基础作为未来大型海上风电机组的有力替代方案的巨大潜力。

随着海上风电在全球范围内的持续发展，位于地震区域的海上风电场数量不断增加。从理论观点来看，海上风电机组的整体结构通常被认为对地震活动不太敏感，因为其基频较低（例如0.2 Hz至0.5 Hz），对应于地震动中的低烈度部分[13]。然而，高阶振动模态的频率（即第二阶及以上振型）通常高于1.25 Hz，通常落在地震主导频率范围内（1–10 Hz）[14]。Sah和Yang[15]进行了一系列数值模拟，以研究高阶振动模态对单桩支撑海上风电机组的影响。结果表明，高阶模态效应可将地震需求放大约160%，忽略高阶模态可能会低估基底剪力和倾覆力矩。Xu等人[16]发表了现场监测数据，为单桩支撑海上风电机组的真实地震行为提供了有价值的见解。在地震期间，塔架中部高度处的振动幅度大于塔顶处的振动幅度。这些高阶模态的贡献在海上风电机组的地震响应中变得越来越重要，特别是对于准确预测结构需求和动态行为而言[17]。地震引起的砂土中超孔水压力的产生或液化是另一个重要因素，因为它与有效应力的显著降低、土体强度和承载力的减少有关。对于单桩基础而言，主要担忧是刚度退化、过度的侧向倾斜以及由此导致的整体稳定性降低[18][19]。液化还会降低液化深度范围内周围土体提供的支撑，从而延长主周期并降低整体海上风电机组系统的固有频率。这种频率偏移可能使系统更接近环境或运行激励频率（1P），从而可能增加海上风电机组的动态脆弱性[20]。随着海上风电机组尺寸的增大，上部结构的重量和高度也相应增加，可能导致更大的地震惯性力和倾覆力矩。Reinhardt等人[21]发现，固有频率随机组尺寸的增加而降低，而第二阶振动模态的贡献变得越来越显著。这种趋势可能影响抗震性能，因为海上风电机组的动态响应强烈取决于其固有频率与地震动频率内容之间的关系。此外，尽管单桩直径随海上风电机组尺寸的增加而大幅增加，但埋深通常增加的幅度要小得多[22]。大直径单桩仍然依赖浅层海底来提供侧向和转动约束，意味着地震引起的超孔水压力产生或液化仍可能显著影响大型单桩支撑海上风电机组的地震响应。此外，地震风险被认为是海上风电机组综合多灾害环境暴露的一部分，这意味着应考虑风-浪-地震联合危险环境。潜在的 seismic 失效对未来的公用规模海上风电场构成了重大风险，可能中断能源生产并导致巨大的经济损失[23]。

在海上风电机组未来的设计和安装中，特别是在地震易发地区，必须考虑地震因素。旨在提高海上风电机组抗震韧性的替代基础概念也引起了越来越多的关注。除了改善正常运行条件下的性能外，混合基础也被认为是一种有前景的抗震策略。Wang等人[24][25]通过离心机试验研究了海上风电机组混合基础的地震响应。混合基础周围土体表现出较低的超孔水压力比，因为较高的围压使其在振动过程中能够在一定程度上保持其强度和刚度。混合基础经历了更小的侧向位移和转动，表明其对动力倾覆力矩的抗力有所提高，这有利于海上风电机组的长期稳定性。一个局限性是仅考虑了地震荷载，由于实验条件的限制，忽略了环境荷载。

数值分析也证实了混合基础可以降低超孔水压力比并增强承载力，从而提高海上风电机组的整体稳定性[26]。然而，上述关于混合基础的地震研究很少考虑经济权衡效应。在考虑地震引起的超孔水压力产生和联合环境荷载的情况下，减少单桩埋深的混合基础抗震研究仍然有限。此外，大多数现有研究主要关注变形，包括整体位移和转动响应[11][12][24][25]，而结构构件性能，如混合基础中的内力，受到的关注要少得多。由于环形环箍承受的内力在物理模型试验中难以直接测量，数值模型为量化这些贡献提供了合适的工具。

本研究使用OpenSees框架[27]进行了海上风电机组的数值模拟。针对循环荷载下的饱和土，PDMY03本构模型通过与离心机试验结果进行校准。然后，将验证后的数值模型应用于10 MW海上风电机组的地震分析，考虑单桩基础和混合基础。本研究调查了高频振动对地震期间海上风电机组结构响应的贡献。随后评估了混合基础在风-地震联合荷载作用下的性能，特别关注其对整体响应（挠度和转动）和结构需求（弯矩和剪力）的影响。本文其余部分组织如下。第2节基于离心机试验展示了土体本构模型的验证，针对地震引起的超孔水压力产生和土-桩相互作用。利用验证后的土体模型参数，第3节描述了10 MW海上风电机组在单桩和混合基础下各种荷载条件（包括风和地震荷载）的数值模型。第4节讨论了模拟结果，包括海上风电机组结构的加速度、侧向位移和转动、弯矩，以及混合基础中环形环箍的增强机制。最后，第5节对这一数值模拟进行了总结。

**章节摘要**

**基于地震离心机试验的土体本构模型验证**
超孔水压力产生或液化分析的土体本构模型参数标定通常基于土元素尺度的不排水循环试验，因为其简单且边界条件可控。土元素试验通常在完全排水或完全不排水条件下进行，而在实际情况下，土体往往处于部分排水条件。此外，水力渗透率的影响无法得到充分...

**单桩和混合基础10 MW海上风电机组的数值建模**
利用上一节开发的校准土体模型参数数值模型，模拟了单桩和混合基础海上风电机组在地震和环境荷载作用下的动力响应。这些参数对应于密实砂土（Dr=80%），随后被采用到模型中。在该密实砂条件下，预期不会出现完全液化。然而，地震引起的超孔水压力积累仍可能降低有效...

**闲置条件下单桩支撑海上风电机组的地震响应**
研究了闲置条件（Case 1）下地震震动对海上风电机组响应的影响。通过考察仅考虑单桩基础、在十胜地震作用下的高频运动特性影响来评估高频运动特性的影响。输入运动、泥面线和塔顶的加速度时程曲线如图12(a)所示。响应从输入运动到泥面线再到塔顶逐步放大。更详细的...

**结论**
在本研究中，为了研究地震期间单桩支撑海上风电机组的高阶振动模态和混合基础增强效应，使用OpenSees框架和PDMY03土体本构模型开发了大型10 MW海上风电机组的数值模型。土体本构模型参数通过离心机试验结果进行标定。评估了高频运动特性的影响和混合基础的性能。获得的主要发现如下：...

**作者贡献声明（CRediT）**
Wentao He：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，概念化。Taichi Yamazaki：撰写——审阅与编辑，调查。Akihiro Takahashi：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

Wentao He | Taichi Yamazaki | Akihiro Takahashi