五桶式海上风电基础初始等效刚度研究：参数化分析与加固策略

本文创新性地采用子结构有限元法（FEM）研究了海上风电五桶式基础的初始等效刚度（KH/KV/KR），系统分析了结构构型、桶土刚度比（Ebucket/Esoil）、径深比（L/D）等关键参数影响，建立了可预测风机固有频率的刚度经验模型，并提出了灌浆加固、基桩增强等优化策略，为海上风电基础刚度设计提供了新范式。

　　

研究亮点

本研究通过三维有限元子结构分析法，揭示了五桶式基础在黏土中的刚度响应机制，首次提出"初始等效刚度"作为设计导向参数，为海上风电结构动力特性分析提供了新工具。

初始等效刚度分析

基于Abaqus建立的精细化模型表明：五桶式基础水平刚度K_H较单桶基础提升显著（软黏土中增幅达210%），其中桶土刚度比和径深比是主导因素。垂直刚度K_V对泊松比敏感性突出，而扭转刚度K_T与隔舱直径比呈非线性关系。

初始等效刚度工程应用

通过NREL 5MW风机案例验证，本研究的刚度预测模型可准确计算结构固有频率（误差<3%），特别适用于低径深比（L/D<2）工况，弥补了API规范对刚性基础刚度低估的缺陷。

刚度增强策略

针对不同工况提出三级加固方案：

1）桶内灌浆（提升K_R 45%）

2）高压旋喷（改善K_H 32%）

3）基桩组合（综合刚度提升达78%）

有限元模拟显示组合加固可使弯矩承载力提升2.1倍。

等效刚度退化行为

大位移分析揭示：当水平位移达0.1D时，K_H出现显著退化（软黏土中衰减60%），这种非线性响应主要源于桶周土体剪切带的渐进发展。

结论

该研究建立了首个五桶式基础刚度参数化框架，提出的"刚度增强菜单"为海上风电基础优化设计提供了模块化解决方案，其刚度退化模型为长期性能研究奠定基础。