Page 56 - 《振动工程学报》2025年第11期

2514 振 动 工 程 学 报 第 38 卷

S d =0 S d =0.5D p S d =1.5D p S d =2.5D p
−120 −120 −120
(a) G1 (b) G2 (c) G3
−80 −80 −80
高程 / m −40 −40 −40

θ 1 =0.043°
θ 2 =0.065°
θ 2 =0.190° θ 1 =0.062° θ 1 =0.045°
θ 2 =0.097°
0 0 0
θ 3 =0.204° θ 3 =0.113° θ 3 =0.148°
θ 4 =0.155° θ 4 =0.090° θ 4 =0.071°
40 40 40
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.25 0.50 0.75 1.00 0 0.2 0.4 0.6
侧向残余位移 / m 侧向残余位移 / m 侧向残余位移 / m
−120 −120
(d) G4 (e) G5
−80 −80
高程 / m −40 θ 1 =0.038° −40 θ 1 =0.002°

θ 2 =0.054° θ 2 =0.004°
0 0
θ 3 =0.052° θ 3 =0.019°
θ 4 =0.051° θ 4 =0.030°
40 40
−0.05 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
侧向残余位移 / m 侧向残余位移 / m

图 7 受 G1~G5 作用的单桩支承海上风机在不同冲刷深度下的残余变形
Fig. 7 Residual deformations of monopile-supported OWTs subjected to G1~G5 under different scour depths

率条件下结构动力响应特征和冲刷影响。 估计值最大。另外，也可观察到 G3 和 G4 作用下的
基于数值模拟，在考虑冲刷条件及海床液化程 土体液化程度与结构 1 阶自振频率之间的相关性。
度 的 情 况 下， 可 估 计 整 体 结 构 的 震 后 1 阶 自 振 频 上述分析说明，G1~G5 引发的海床土体液化程
率。具体来讲，将 G1~G5 地震动作用于数值模型 30 s 度与其作用下的结构 1 阶自振频率估计值呈负相
后，继续进行 20 s 的结构自由振动。该单桩支承海 关，即更大程度的砂土液化会降低整体结构的自振
上风机安装在可液化海床中，振动过程中采用 CycLiq 频率。因此，安装在可液化海床中的海上风机整体
模型描述土体液化现象。参考文献 [39]，在自由振 结构的 1 阶自振频率不仅受冲刷深度影响，还受到
动阶段，将风机轮毂处加速度时程通过傅里叶变换 海床土体液化程度影响。
转换至频域，进而提取结构的自振频率，此时可得到 为探究冲刷对整体结构动力响应的影响机理，
液化后的结构 1 阶自振频率。 分析了结构 1 阶自振频率与输入地震动卓越频率的
在不同冲刷深度条件下，整体结构的 1 阶自振 相对差异，从结构动力放大系数的角度定量讨论其
频率变化情况如图 8(a) 所示。随着冲刷深度的增 影响。图 9 展示了 G1~G5 作用下塔顶动力放大系数
加，结构的 1 阶自振频率呈单调下降趋势。这主要 随冲刷深度改变的变化规律。塔顶动力放大系数被
是由于冲刷导致上部结构长度增加，结构刚度下降， 定义为塔顶峰值加速度与基岩峰值加速度之比。随
从而降低了结构自振频率 [17] 。 冲刷深度增大，G1 作用下的结构 1 阶自振频率远离
值得注意的是，在不同冲刷深度下，尽管 G2 与 G1 的卓越频率（f d = 0.5 Hz），可观察到 G1作用下的
G1 的 PGA 相同，G2 作用下的结构 1 阶自振频率均 塔顶动力放大系数随冲刷深度增大而单调减小，从
低于 G1。为探究其原因，如图 8(b) 所示，给出了 G1~ 2.59 下降至 1.32，降幅约 50%。
G5 震后远场海床沿深度的超静孔压分布，其中灰色 随 冲 刷 深 度 增 大， G2、 G3 和 G4 作 用 下 的 结 构
虚线表示超孔压比 r u = 1。可以发现，当作用卓越频 1 阶自振频率同样远离各自的地震动卓越频率，其动
率为 1.5 Hz、PGA 为 0.2g 的 G2 时，超静孔压分布曲 力放大系数均呈现了单调减小的变化规律，这表明
线与 r u = 1.0 线非常接近，这表明 G2 会导致海床表 两个频率的相对差异增大确实在一定程度上削弱了
层土体发生严重液化。相比之下，作用相同 PGA 但卓 结构动力响应。
越频率为 0.5 Hz 的 G1 时，超静孔压分布曲线与 r u = 1 G5 作用时，由于其卓越频率（f d = 0.25 Hz）低于结
线距离较远，表明 G1 导致的海床土体液化程度明显 构的 1 阶自振频率，随着冲刷深度增大，两频率的相
低于 G2。 对差异减小，观察到其动力放大系数随冲刷深度增大

PGA 仅为 0.08g 时，G5 产生了最低的超静孔压， 而明显增大。这主要是因为当地震动频率接近结构
土体液化程度最低，其作用下的结构 1 阶自振频率 自振频率时，结构最大位移、转角和弯矩等急剧放大。