Page 50 - 《振动工程学报》2025年第11期

2508 振 动 工 程 学 报 第 38 卷

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是海上风电单桩基础设计中的关键问题 ，在过去数 验中单桩基础与塔架均由实心铝制圆柱制作而成，
十年间受到学者们的广泛研究，涉及冲刷机理 、冲 质量分别为 7.25 t 和 6.25 t，风机由实心铝制方块模
[9]
刷深度评估方法 [10] 、防护措施 [11-12] 和冲刷后桩基承 拟，质量为 10.6 t，铝材杨氏模量为 68.9 GPa。刚性模
载力计算 [13-14] 等。尽管现行设计规范 [8,15] 强调了海 型箱尺寸为 26.65 m×12.05 m×8.85 m（长×宽×高），
上风机抗震设计的重要性，但其地震响应分析通常 单桩基础放置于模型箱底部且未固定。丰浦砂土
是在无冲刷的理想化条件下开展的，而冲刷在实际
层厚度为 4.5 m，采用无气水充分饱和，平均水位为
工程中难以避免。近年来，考虑冲刷的海上风电单
1.5 m。模型箱内布置了孔压传感器（PPT）、加速度
桩-海床-结构地震响应逐渐引起关注 [7,16-19] 。
计（ACC）及位移传感器。各结构部件具体尺寸及传
基于离心模型振动台试验，ZHU 等 [7] 发现，冲坑
感器布置位置详见图 1(a)。地震动输入采用 VELACS
可能会降低海上风电嵌岩桩的一阶自振频率和抗弯
刚度。此外，YUAN 等 [18] 通过一系列离心模型振动 : 孔压传感器 (PPT)
台试验，探索了干砂条件下局部冲刷与整体冲刷对 : 加速度传感器 (ACC)
单桩支承海上风机承载力的影响，结果表明整体冲 : 位移传感器
1.75 m
刷对单桩基础水平抗力削弱更为显著。由于试验成
本较高且操作复杂，现有研究通常仅考虑了少量冲 ACC3 1.25 m
刷条件。在数值模拟研究方面，JIANG 等 [16-17] 基于
非 线 性的 Winkler 地 基 梁 模 型 模 拟 桩 -土 相 互 作 用 ，
0.5 m
开展了不同冲坑形状下单桩基础与上部结构的地震
响应分析，结果表明冲坑的几何形状会显著影响桩 13 m
基 的 水 平 承 载 力、 位 移 以 及 弯 矩 包 络 分 布 。 文 献 泥面
[2] 和 [19] 分别采用 Winkler 地基梁模型与集中质量 1.5 m ACC2 3.25 m
参数模型分析了地震与环境荷载共同作用下整体结
构的地震响应，研究表明环境荷载和冲刷共同作用 1.5 m ACC1
PPT3 (0.25 m) 8.85 m
会放大上部结构的地震响应。 1 m 4.5 m
这些离心模型试验与数值模拟研究大多定性地 1 m PPT2 0.9 m
ACC4
探究了整体结构地震响应随冲刷条件改变的变化情 1 m PPT1 丰浦砂
况，为分析冲刷对海上风电单桩-海床-结构地震响应
地震动输入
的影响提供了宝贵经验，但冲刷对整体结构地震响 26.65 m
应影响机理的深入剖析仍少见报道。 (a) 离心模型振动台试验示意图
(a) Schematic of centrifuge shaking table test
为突破现有研究的局限，本文建立了海上风电
单桩-海床-结构数值模型，分析在不同冲刷条件下整 集中质量
体结构的地震响应特征，揭示冲刷对地震响应的影
响机理。本文第 1 节介绍了数值模型的建模方法及
模型验证结果，其中海床土体的动力特征由 CycLiq
塔架
本构模型描述；第 2 节详细展示了不同冲刷条件下
海上风电单桩-海床-结构的数值模型及模拟工况；
第 3 节给出了整体结构的位移、弯矩等结构动力响
应及残余变形结果，并分析了冲刷对结构地震响应
的影响机理；第 4 节总结了本文的主要结论。 单桩基础

丰浦砂
1 基 于 离 心 模 型 试 验 的 数 值 模 型 验 证

地震动输入

1.1 数值模型建模方法 (b) 离心模型振动台试验的数值模型
(b) Numerical modeling of centrifuge shaking table test

基于 50g 离心模型振动台试验，YU 等 [4] 开展了 图 1 饱和砂土中单桩支承海上风机离心模型试验与数值模拟
安装在丰浦砂海床中的单桩支承海上风机地震响应 Fig. 1 Centrifuge test and numerical simulation of monopile-
研究。如图 1(a) 所示，以模型的原型尺寸为基准，试 supported OWT in saturated sand