采用地震-空气动力学耦合分析方法研究风荷载和海床地震动作用下海上风机的结构性能

《Ocean Engineering》：Structural performance of offshore wind turbines under wind and seafloor ground motions using a coupled seismic-aerodynamic analysis method

　　

• 一种面向海上风电机组（OWT）的全耦合地震-气动方法，集成了合成海底地震动、钢材损伤以及土-结构相互作用（SSI）。
• 针对典型的海水-土-基岩场地，推导了海底地震传递函数及相应的地震动时程。
• 将海上地震模块与有限元进行耦合，同时通过自定义接口传递OpenFAST气动载荷。
• 评估了单桩式海上风电机组在风-海底地震共同作用下的响应和损伤，包括风-地震载荷方向的影响。

引言

随着全球清洁能源需求的持续增长，海上风电已成为可再生能源领域的重要发展方向（Subbulakshmi等，2022）。与陆上风力发电机相比，海上风电机组（OWT）通常安装在近岸浅水区或远海区域，承受更加复杂的环境载荷，包括风、浪、洋流、海冰和地震（Liu等，2023a, 2025a；Yang等，2025）。OWT支撑结构（如单桩）不仅需要具有较高的结构刚度和抗疲劳性能，还需要在长期海洋腐蚀条件下保持可靠性能。近年来，位于地震多发区域的海上风电场逐渐增多，结构在风-地震共同作用下的响应引起了广泛关注。然而，大多数传统设计方法仅考虑陆上实测地震波，忽略了海域海底地震动的传播特性；同时，关于地震活动导致的OWT结构损伤甚至倾覆的研究相对较少，但该风险在设计过程中需要仔细评估。因此，有必要开发一种能够同时模拟气动载荷和海上地震激励的耦合分析方法，以揭示OWT在风和海底地震动作用下的损伤和动力失稳机理。

关于海上结构抗震行为以往研究的一个关键局限性在于，其主要依赖于陆上地震波记录。这种方法忽略了海上地震事件独特的传播机制和频谱特征，这些特征可能与陆上地震响应存在显著差异（Chen等，2015, 2017）。Boore（1999）通过地震波观测数据发现，地震动的水平分量对海水层的存在不敏感，而垂直分量则显著衰减。Diao等（2014）对海水影响垂直地震动的效应进行了理论分析，结果表明海底地震动由两种机制共同作用形成。虽然先前的研究已经阐明了导致这些差异的机制（Boore，1999；Diao等，2014；Takeshi等，2013），但缺乏涵盖多种地震参数的系统性评估。因此，Li等（2018a, 2018b）利用一维波传播和流体动力学模拟了海底地震动。Liu等（2022, 2023b）提出了一种海上地震的综合模拟方法，并通过实测和模拟记录进行了验证，探索了OWT的全耦合地震响应。然而，这些研究基于有限的地震动集，且未考虑严重海上地震的非线性响应和损伤。在此基础上，通过分析K-NET数据库中的131条海上地震记录和160条陆上地震记录，Wang等（Wang等，2026）评估了OWT的地震可靠性分析，结果表明，由于海底地震动强度大且持续时间较长，OWT对海上地震的敏感性高于陆上地震。

结构地震效应分析通常采用反应谱法（RSM）进行。RSM将复杂的结构振动问题分解为多个独立模态问题，利用少数低阶模态确定最大位移、最大振动速度和加速度响应，用于抗震承载力评估和结构构件的变形验算。RSM在海上风电领域得到广泛应用（Dai等，2015；Butt和Ishihara，2012）。基于模态分析理论，可以有效评估OWT的地震响应；然而，此类方法忽略了气动载荷和高阶模态对阻尼的影响。Witcher的数值分析表明，与停机状态下风力发电机的时域模拟结果相比，RSM低估了塔底弯矩超过70%（Witcher，2010）。Wang等（Wang等，2017a）和Zheng等（Zheng等，2015）也发现RSM对OWT地震分析结果的精度有限。Zhao等（Zhao等，2020）建立了考虑非均匀地震作用下桩-水和土-结构相互作用（SSI）的最大反应谱法（RSM），并分析了5 MW OWT在两种不同类型基础上的地震响应。相比之下，有限元法为OWT结构的抗震评估提供了另一种替代方案（Liu等，2024；Yan等，2021）。

数值模拟发现，增加的风载荷会放大风力发电机的地震响应（Asareh等，2016；Chen等，2025）。Yang等（Yang等，2019）指出，平均风速是影响OWT塔顶地震位移和海床线弯矩的显著因素。Chaudhari等（Chaudhari等，2022）基于OpenSees展示了超剪切破裂对地震载荷下OWT的影响。利用结构控制装置研究地震下OWT的振动响应也取得了进展。Zhang等（Zhang等，2023）采用了调谐质量阻尼器，而Das（2025）提出了负刚度放大柔性液体阻尼器-惯性器，以减缓OWT在风、浪和地震共同激励下的响应。这些研究一致强调了环境与地震共同载荷的重要作用，但现有结论尚不明确，未能得出统一结论。此外，相关研究忽略了土-结构相互作用（SSI）效应的精确模拟。在SSI研究中，Ju和Huang（2019）使用SACS软件，通过三种替代桩-土相互作用模型建立了一个大型10 MW单桩式风力发电机的模型，分析了风机在风和浪作用下的整体动态响应。Trojnar（2021）为OWT提出了混合单桩基础配置，并研究了其横向承载力、刚度和旋转性能。Ali等（Ali等，2020）研究了近断层脉冲型地震下海上风力发电机的变形特性和倒塌脆弱性；结果表明，无论地震动类型是否存在差异，5 MW OWT的结构脆弱性均保持较高水平。Bozyigit等（2023）提出了一种简化的混合方法，结合传递矩阵和模态叠加技术，用于考虑SSI效应的风力发电机地震响应分析；将土理想化为具有等效线性刚度的线弹性体，并使用有限元软件验证了该方法的准确性。尽管考虑了SSI效应，大多数现有研究侧重于OWT的地震动态行为（Ren等，2021；Yuan等，2024），而对其在地震载荷下的损伤分析研究有限。

为了正确评估OWT的抗震行为，有必要进行时域分析。通常，OWT的机舱模型被简化为质点，忽略了叶片柔性、转子旋转和传动系统相关性等重要因素（Ma和Zhang，2016；Smith和Mahmoud，2016）。对于超大型OWT，机舱组件的特性在结构地震响应分析中发挥着更为重要的作用。Patil等（Patil等，2016）通过采用机舱和转子组件的等效质量简化了塔架模型，并进行了地震易损性评估以评价其在强地震激励下的结构性能。该分析同时纳入了具有速度脉冲的近断层地震动和普通远断层记录，结果表明基础倾覆构成了最高的地震风险，其次是材料屈服。在上述研究中，OWT的机舱模型通常被简化为质点，忽略了叶片柔性、转子旋转和传动系统特性等重要因素。在此基础上，Wang等（Wang等，2017b）提出了多体动力学方法来研究地震期间OWT的运动特性。通过在FAST中建立地震模块，Pan和Liu等（Pan等，2023）探讨了OWT停机和运行条件下多调谐质量阻尼器（MTMD）的减震效果。随后，基于天然地震记录，Risi等（Risi等，2018）讨论了强地震作用下OWT的结构性能评估。近期研究通过不同策略进一步将地震载荷和SSI直接纳入FAST/OpenFAST中。Padrón等（2022）修改了SubDyn以包含地震激励和动态SSI，而Romero-Sánchez和Padrón（2024）将该框架扩展到考虑多支座激励和方向性的桁架式OWT。Wang和Ishihara（2022）开发了FounDyn模块用于基础-下部结构相互作用分析。最近，Qin等（2026）和Kaynia等（2025）将非线性或子结构法SSI公式引入OpenFAST进行耦合地震分析。Sahraeian等（Sahraeian等，2024）利用OpenSees中的有限元模型研究了可液化地基上5 MW参考OWT单桩基础的地震致灾性能。然而，关于OWT在海上地震波作用下全耦合动态响应的研究尚不成熟；同时，基于钢材损伤模型的更加精细的全耦合地震OWT模型尚未提出。事实上，合理建立OWT在风和海上地震作用下的精细全耦合计算框架，是确保OWT运动响应和损伤分析结果准确性的关键。

上述综述中大多数研究关注的是风与地震同方向作用下OWT结构的运动响应。然而，地震动的方向特性将导致其三向分量的强度分布不均匀，从而对大型风力发电机的安全构成重大威胁。这种不均匀性使得风载荷与地震载荷之间的耦合效应更加复杂和严重。由于大型风力发电机叶片尺寸和塔架高度的增加，其表现出更为显著的多种载荷下的动态响应特性；因此，方向效应对结构振动行为的影响更为显著（Jonkman等，2009）。此外，OWT在风-地震载荷条件下表现出不对称的结构响应（Bradley和Baker，2015）。Kim等（Kim等，2019）基于采用两级谱的水平谱加速度规范，计算了不同载荷方向下观测到的地震动的水平响应。Liu等（Liu等，2025b）基于FAST进行了风-地震耦合分析，以预测OWT动态响应的幅值，并计算了36种不同的风-地震组合，表明地震动的方向性对结构振动和载荷有显著影响。在额定风速下，考虑OWT的停机和工作状态，Mo等（Mo等，2021）利用OpenSees建立了有限元模型，研究了地震方向性对位于东海的5 MW风力发电机地震响应的影响。Wang和Dong（2011）指出，当地震方向与OWT集中偏心质量方向成90°时，Vestas 2 MW-V80风力发电机塔架的结构响应最为不利，而大规模风-地震耦合效应尚未得到充分考虑。

以往基于OpenFAST的研究已成功纳入了地震载荷和SSI，但主要关注整体结构响应。综合考虑场地特定的海底地震动、钢材损伤演化与气动反馈的研究仍然不足。因此，本研究开发了一种耦合OpenFAST-ANSYS/LS-DYNA框架，集成合成海底地震动、SSI和钢材损伤演化，实现OWT在风与海上地震共同作用下的动态响应和损伤的同时评估。

首先，基于地震波传播理论和流体动力学理论，推导了典型海水-土-基岩场地的海上地震传递函数，并合成了人工海底地震动时程，为稀缺的海底地震动实测数据提供了理论数据支持。

与此同时，利用多体动力学方法和有限元方法，开发了一个海洋地震模块并将其集成到OWT有限元模型中，OpenFAST在每个时间步计算出的气动载荷被传递到OWT有限元模型中。ANSYS/LS-DYNA中的结构变形被反馈到OpenFAST以修正气动载荷，而气动载荷在每个时间步被传递到结构节点，从而解决了不同积分方案之间的同步问题。随后，将钢材损伤模型纳入OWT分析框架，建立了考虑土-结构相互作用（SSI）效应的风-海底地震全耦合OWT模型，用于研究不同风和海底地震波组合下风电机组的动态性能。Bonora损伤模型作为用户自定义子程序在ANSYS/LS-DYNA中实现，在每个积分点和时间步更新损伤变量，向结构响应提供实时刚度退化反馈。为此，深入分析了海底地震运动特征对OWT运动响应和损伤的影响。最后，利用建立的耦合模型，评估了OWT在不同组合风-海底地震方向下的地震响应性能。本研究的其余部分结构如下。第2节提出了海上风电机组耦合地震-气动分析框架。第3节介绍了本研究中采用的基线风电机组和载荷条件。第4节分析了不同风和海底地震组合下风电机组的效应，并对不同风-海底地震方向下OWT的动力学特性进行了研究。最后，第5节对本文进行了总结和结论。

**海底地震运动合成方法**

场地条件可分为陆上场地和海上场地；其中海上场地包括两种类型：基岩-土层-海水层海上场地1和基岩-海水层海上场地2，如图1所示。需要指出的是，本研究以海上场地1为例。另一方面，根据传播路径，地震波分为纵波和横波，即压缩波和剪切波。假设海上地震……

**OWT模型描述**

本研究采用DTU 10 MW风电机组模型作为分析基准。转子直径为178.3 m，扫掠面积约为24931 m2，轮毂高度为119 m，设计额定风速为11.4 m/s。叶片采用创新的平底翼型设计，在确保结构强度的同时实现更大的气动性能，主要规格参数见表1。桩基嵌入至海底以下，其非线性行为……

**不同风和地震组合下风电机组的效应**

图6展示了不同风-地震组合下OWT塔顶的加速度响应，基于风电机组的额定风速。不考虑地震的单一风况用黑色实线表示，红色、绿色和蓝色曲线分别代表不同陆上和海底地震条件下的动力响应。如图所示，对应加速度响应的差异……

**结论**

本研究针对海底合成地震运动和风力载荷共同作用下OWT的动力行为及损伤评估问题，提出了一个综合性的全耦合海上地震-气动分析框架。开发了人工海底地震运动合成方法，考虑了海水层-土层-基岩剖面的典型场地条件，并生成了地震时程。在钢材损伤本构模型和耦合弹簧模型方面……

**作者贡献声明**

刘英州：撰写—初稿，软件，方法学，调查，资金获取，概念设计。刘仲贤：撰写—审阅与编辑，监督，方法学，调查，概念设计。连继建：可视化，监督，方法学，概念设计。胡金军：撰写—审阅与编辑，监督，方法学，调查，概念设计。严相宇：监督，方法学，调查。石巍：撰写—审阅与编辑，验证。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

感谢中国地震局工程力学研究所科研基金（项目编号：2024D31）；国家自然科学基金（项目编号：42506205）；天津市自然科学基金项目（项目编号：25JCQNJC00330）提供的资助。

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