Page 49 - 《振动工程学报》2025年第11期
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第 38 卷第 11 期                      振 动 工 程 学 报                                      Vol. 38 No. 11
               2025 年  11 月                    Journal of Vibration Engineering                       Nov. 2025



                 考   虑   冲   刷    的   海   上   风   电    单   桩   -海    床   -结   构   地    震   响   应   分   析



                                   王天鹏 ， 王志平 ， 刘振标 ， 张建民 ， 王 睿                           1
                                                                  2
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               （1. 清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室，北京 100084； 2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）
              摘要：单桩支承海上风机安装于地震活跃区域时，可能面临地震和冲刷带来的潜在风险。本文建立了考虑不同冲刷条件且安
              装于可液化海床的单桩支承海上风机数值模型，采用                  CycLiq 本构模型描述可液化土体的动力特性，基于离心模型振动台试验
              证明了数值模型的有效性。开展了一系列考虑不同冲刷条件和输入地震动的海上风电单桩-海床-结构地震响应分析，揭示了
              冲刷对单桩支承海上风机整体结构动力响应与残余变形的影响机理。分析表明冲刷主要通过两个因素影响地震响应：一是

              改变结构一阶自振频率与地震动卓越频率的相对差异，影响结构共振效应，从而影响结构动力响应与残余变形；二是削弱桩-
              土相互作用，从而降低结构动力响应，加剧残余变形。受长周期地震动作用时，冲刷深度增大可能导致结构共振效应加剧，引
              发显著的结构动力响应和残余变形；受高频地震动作用时，冲刷深度增大可能导致结构共振效应衰减，进而削弱结构动力响
              应，但结构残余变形受上述两个因素联合影响而非单调变化。
              关键词： 地震响应；海上风机；单桩基础；数值模型；冲刷
              中图分类号：TU43        文献标志码：A        DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202508097



                           Seismic responses of monopile-supported offshore wind turbines
                                            considering post-scour conditions

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                             WANG Tianpeng ，WANG Zhiping ，LIU Zhenbiao ，ZHANG Jianmin ，WANG Rui 1
                         （1.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；
                                 2.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China）
              Abstract：The monopile-supported offshore wind turbines (OWTs) installed in seismically active regions pose potential risks from seismic
              ground motions and post-scour conditions. In this study，numerical models with varying post-scour conditions are developed to simulate the
              monopile-supported OWT installed in liquefiable seabed，in which the CycLiq constitutive model is used to capture the dynamic behaviors of
              seabed  soils.  The  numerical  modeling  approach  is  successfully  validated  using  centrifuge  shaking  table  tests.  Seismic  response  analyses  of
              structures subjected to seismic loading are conducted. Specifically，the influence mechanisms of post-scour conditions on seismic responses are
              uncovered. The analysis indicates that scour affects seismic responses primarily through two factors：i) altering the relative difference between
              the  first-order  natural  frequency  of  structures  and  the  predominant  frequency  of  ground  motions  to  change  the  resonance  effect， thereby
              affecting both dynamic responses and residual deformations；ii) weakening the soil-pile interaction，which reduces dynamic responses but
              aggravates residual deformations. For long-period ground motions，increased scour depth may enhance the resonance effect，leading to greater
              seismic responses. In contrast，for high-frequency ground motions，increased scour depth may reduce dynamic responses，while the trend of
              residual deformation is non-monotonical due to the influences of the two mentioned-above factors.
              Keywords：seismic response；offshore wind turbine；monopile；numerical model；scour


                  近 年 来， 全 球 海 上 风 电 行 业 快 速 发 展 ， 截 至          机等上部结构形成了一体化的海上风电单桩-海床-
                                                          [1]
              2024  年底，海上风电累计装机容量已达                83.2 GW 。    结构整体系统。地震动可能从基岩传递至这一结构
              在海上风电开发需求的驱动下，单桩支承海上风机                            系统，产生潜在的地震风险，因此亟需开展针对海上
              被广泛安装于存在潜在地震活动的沿海地区，例如                            风电单桩-海床-结构的地震响应研究                [4-5] 。
              中国东南部、印度南部、欧洲南部以及美国西部等                                冲刷会侵蚀单桩基础周围的土体，形成局部冲
              沿海地区    [2-3] 。海上风电单桩基础、海床与塔架及风                   坑 ，从而显著削弱单桩基础的水平承载力 。冲刷
                                                                  [6]
                                                                                                       [7]


                  收稿日期：2025-08-17；修订日期：2025-09-19
                  基金项目：国家杰出青年科学基金项目（52425904）；国家自然科学基金面上项目（52378349）
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