海上风力涡轮机三脚架桶形基础在水平循环载荷下的承载特性

《Ocean Engineering》：Bearing characteristics of tripod bucket foundation for offshore wind turbines under horizontal cyclic loading

海洋风力涡轮机三脚桩式基础在软黏土与砂质海底条件下的水平循环荷载响应研究。基于PLAXIS 3D有限元模型，采用HSS黏土本构模型与SANISAND-MS砂质本构模型，对比分析服务性与疲劳极限状态下基础承载力、回弹刚度和累积转角演化规律。研究发现单桶抗拉模式最不利，黏土海底回弹刚度衰减至初始值的86.5%-96.3%，砂质海底刚度先升高后降低；黏土累积转角持续增大，砂质海底因自愈效应部分恢复但仍超限，为深水基础设计提供理论依据。

　　这项研究聚焦于海上风电基础结构中一种常见的基础形式——三脚桶形基础（tripod bucket foundation），特别是其在水平循环荷载作用下的承载性能。随着海上风电行业向更深水域扩展，对更大规模风机的支持需求日益增加，三脚桶形基础因其更高的刚度、承载能力和稳定性而逐渐成为优选方案。然而，这种基础在极端海洋环境荷载（如台风、地震等）下的表现仍存在诸多未知，尤其是在不同地质条件（如软黏土和无黏性砂）下的承载特性差异。因此，深入研究三脚桶形基础在水平循环荷载下的承载行为，对于优化设计、确保结构安全具有重要意义。

在软黏土和无黏性砂这两种典型海底地质条件下，三脚桶形基础的承载性能受到不同因素的影响。软黏土具有较低的强度、有限的刚度和较高的压缩性，而无黏性砂则缺乏颗粒间的粘结力，并且在饱和状态下摩擦强度显著下降。这些地质特性直接决定了三脚桶形基础在循环荷载作用下的响应表现。在无黏性砂中，研究者主要通过模型试验来探讨基础的承载行为，而软黏土则更多依赖于数值模拟方法。尽管模型试验能够提供较为直观的实验数据，但其成本较高、周期较长，难以全面模拟复杂的海洋环境荷载条件。因此，采用先进的土壤本构模型进行数值模拟，成为研究三脚桶形基础承载性能的重要手段。

研究中采用的HSS（Hardening Soil with Small Strain Stiffness）模型和SANISAND-MS模型，分别用于模拟软黏土和无黏性砂在循环荷载下的机械行为。HSS模型通过引入小应变刚度退化曲线和修正的屈服面，能够准确捕捉土壤在循环荷载作用下的刚度退化和变形积累现象，尤其适用于模拟软黏土在循环荷载下的响应。而SANISAND-MS模型则通过记忆面记录和动态演化应力历史，能够有效模拟无黏性砂在循环荷载下的刚度变化和变形积累。这些模型的选择和参数设置，经过与已有实验结果的对比验证，确保了其在实际工程中的适用性。

在实验设计方面，研究者针对两种典型荷载状态——正常使用极限状态和疲劳极限状态，分别构建了水平循环荷载方案。通过这些方案，系统地研究了三脚桶形基础在循环荷载作用下的承载能力、卸载刚度和旋转变形的变化规律。研究结果表明，单桶拉伸模式是相对最不利的荷载条件，其对基础结构的破坏作用尤为显著。在该模式下，垂直荷载传递至桶顶，对整体倾覆力矩的贡献超过80%。因此，在设计过程中，需要特别关注单桶拉伸模式下的结构响应，以避免潜在的结构失效风险。

在软黏土环境下，卸载刚度呈现出单调下降的趋势。随着循环荷载次数的增加，卸载刚度逐渐降低，分别在正常使用极限状态和疲劳极限状态下降至初始值的96.3%和86.5%。这表明，软黏土的循环荷载特性对基础结构的刚度影响较为显著，尤其是在长期荷载作用下，刚度退化可能导致基础性能的明显下降。而在无黏性砂环境下，卸载刚度则表现出先上升后下降的特征。在正常使用极限状态下，卸载刚度首先上升至初始值的121%，随后逐渐下降至109%。而在疲劳极限状态下，卸载刚度则呈现出单调下降的趋势，最终稳定在初始值的94%左右。这种变化趋势表明，无黏性砂在循环荷载作用下具有一定的自愈能力，但其刚度退化仍会对基础结构产生影响。

旋转变形方面，软黏土环境下的旋转变形呈现出持续增加的趋势，而无黏性砂环境则由于自愈效应，部分旋转变形可以得到恢复。然而，在疲劳极限状态下，无黏性砂的旋转变形仍达到0.417°，超过了允许的限值。这表明，尽管无黏性砂在循环荷载作用下具有一定的恢复能力，但其旋转变形仍然可能对基础结构的安全性构成威胁。因此，在设计过程中，需要充分考虑不同地质条件下旋转变形的变化规律，以确保基础结构在长期荷载作用下的稳定性。

研究结果还揭示了三脚桶形基础在不同地质条件下的承载性能演化机制。在软黏土环境下，基础的承载能力受到循环荷载方向和幅度的影响，特别是在地震频率与结构频率接近时，基础的旋转角度会显著增加。而在无黏性砂环境下，基础的承载能力则受到颗粒间相互作用的影响，尤其是在循环荷载作用下，基础的自愈效应能够有效减少累积变形。这些发现为三脚桶形基础在复杂海洋环境下的设计和运行提供了重要的理论和实践指导。

此外，研究还强调了在不同地质条件下，三脚桶形基础的承载性能差异。软黏土和无黏性砂在排水条件、刚度退化和循环累积变形方面存在显著不同，这些差异直接影响基础结构在循环荷载下的响应表现。因此，在进行数值模拟时，必须采用能够准确反映不同地质条件下土壤行为的本构模型，以提高模拟结果的准确性和可靠性。通过结合先进的本构模型和合理的参数设置，研究者能够更全面地理解三脚桶形基础在循环荷载下的承载特性，为实际工程应用提供科学依据。

综上所述，这项研究通过构建三脚桶形基础的三维有限元模型，结合HSS和SANISAND-MS本构模型，系统地分析了其在水平循环荷载下的承载性能。研究结果不仅揭示了单桶拉伸模式对基础结构的不利影响，还明确了软黏土和无黏性砂在不同荷载状态下的承载能力、卸载刚度和旋转变形的变化规律。这些发现对于优化三脚桶形基础的设计方法、提高其在极端海洋环境下的运行可靠性具有重要意义。同时，研究也指出了在进行数值模拟时，需要充分考虑不同地质条件下的土壤行为特性，以确保模拟结果的科学性和实用性。