Page 53 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 11 期 王天鹏，等：考虑冲刷的海上风电单桩-海床-结构地震响应分析 2511

表 3 风机、塔架和单桩基本参数 的捆绑节点沿地震方向运动一致，允许不同层的捆
Tab. 3 Basic properties of RNA, tower and monopile 绑节点存在相对运动。捆绑边界条件能够较好地消

参数 描述 数值 除边界效应对场地地震响应的影响 [34] 。
切入风速
V w,in 3 m/s 为研究冲刷条件对海上风电单桩-海床-结构地
额定风速
V w,r 11.4 m/s 震响应的影响，如图 4(b) 所示，冲坑简化为截锥体，
切出风速 25 m/s
其几何形状由 4 个参数控制：冲刷深度（S d ）、冲坑坡
V w,out
Ω 转子转速范围 6.9~12.1 r/min
角（S a ）、冲坑顶宽（S tw ）以及冲坑底宽（S bw ）。其中，
容许频率 0.22~0.31 Hz
f AP
S d 和 S t 取不同值以构建不同的冲刷条件，其余参数
w
风机总质量 350 t
m RNA
保持不变。根据试验观测 [35] 及 JIANG 等 [16] 的建议，
转子直径 126 m
D r
w
轮毂高程 84 m S a 取 30°，S b 取 w 0.5D P 。因此，在已知 S d 时，S t 可唯一
z hub
风机模型直径 确定。根据海上风电结构设计规范 [8,15] ，单桩基础最
D RNA 6.0 m
风机模型壁厚 大冲刷深度通常在 1.3D P ~2.5D P 范围内。为覆盖冲刷
t RNA 60 mm
塔架直径
D t 6.0 m 深度的实际变化范围，本文设计了 4 种冲刷深度（S d =
塔架壁厚
t T 70 mm 0, 0.5D P ，1.5D P ，2.5D P ），用于模拟不同的冲刷条件。
桩长 33 m
需要说明的是，后文以冲刷深度定量描述冲刷条件，
L P
桩径 6.0 m
D P
当给定冲刷深度时，其余冲坑形状参数相应确定。
桩壁厚 70 mm
t P
钢材密度 7850 kg/m 3 2.2 地震动挑选
ρ s
E 杨氏模量 210 GPa
ν 泊松比 0.3 本文挑选了 5 条地震动用于后续的地震响应计
结构阻尼比 算，包括 2 条人工合成的正弦型地震动和 3 条实测
R d 1%
地震动记录。如图 5(a) 和 (b) 所示，2 条正弦型地震
集中质量

壳单元 动的峰值加速度（PGA）均为 0.2g，频率分别为 0.5 和
塔架 1.5 Hz。如图 5(c)~(e) 所示，3 条实测地震动记录分别
壳单元
源自太平洋地震工程研究中心（PEER）数据库中的
单桩基础
衬砌单元 1989 年 Loma Prieta 地 震 与 1994 年 Northridge 地 震 ，
捆绑边界 冲坑
以及 1985 年 墨 西 哥 城 地 震 [36] ， 其 中 Loma Prieta 和
Northridge 地震在 PEER 数据库中的记录序号分别为
丰浦砂 和 条实测地震动的卓越频率 f p 分别为
12.5D P 740 1086。3 0.25 Hz。 5 条 输 入 地 震 动 （ 记 为 G1、
和
0.55、 2.24
G2、 G3、 G4、 G5） 均 经 过 基 线 校 正 以 消 除 场 地 残
输入地震动 余变形。
25D P 该单桩支承海上风机安装于抗震设防烈度 8 度
(a) 考虑冲刷的海上风电单桩-海床-结构数值模型
(a) Numerical modeling of monopile-seabed-structure of OWT 地区。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—
considering post-scour conditions
2015） [37] ，在 8 度设防烈度区，0.08g、0.2g 和 0.4g 分别
对应多遇、基本和罕遇地震的地震动峰值加速度水
平， 其 50 年 超 越 概 率 分 别 为 63%、 10% 和 2%~3%。
本文所选的 5 条输入地震动中，G1 与 G2 的 PGA 取
S w
0.2g，代表基本地震动；G3 与 G4 的 PGA 取 0.4g，代表
S d
S a 的 取 0.08g，代表多遇地震动。
罕遇地震动；G5 PGA
S bw
这样的选取方式能够覆盖该地区规范要求的主要地
震动水平，有助于系统评估单桩支承海上风机在不
同烈度地震动作用下的地震响应特性。
桩土接触面 如图 5(f) 所示，给出了 5 条地震动的加速度反应
(b) 冲坑及桩土接触面细部图
(b) Detailed drawing of scour hole and soil-pile interface 谱。与 G3~G5 相比，G1 和 G2 的加速度反应谱峰值

较高，且频率同样较高。根据震中距、谱特征及地
图 4 基 于 FLAC3D 建 立 的 海 上 风 电 单 桩 -海 床 -结 构 数 值
模型 震动持续时间等，地震动可分为长周期地震动和高
Fig. 4 Numerical modeling of monopile-seabed-structure of 频地震动 [38] 。根据分类原则，G3、G4 为高频地震动，
OWT developed in FLAC3D G5 为长周期地震动。上述地震动涵盖了较宽的卓