海上风电单桩基础在风-浪-地震耦合作用下层状土中的动力响应特性研究

针对中国东南沿海地震频发区海上风电单桩基础在风、浪、地震多场耦合作用下的安全问题，福州大学地质与矿业学院团队通过建立三维集成数值模型，创新性推导了适用于粘弹性人工边界的层状土等效地震节点力公式，揭示了风-浪荷载的协同放大效应与地震荷载对加速度响应的主导作用，为地震区单桩设计提供了重要理论支撑。

　　

中国东南沿海既是海上风电开发的热点区域，又是地震频发地带。这种特殊的地理环境使得支撑海上风力发电机组的单桩基础结构，在服役期间不可避免地会同时承受风、浪和地震的耦合作用。然而，现有研究多采用简化模型（如p-y弹簧）模拟桩-土相互作用，难以真实反映层状土中地震波传播特性，更缺乏对三种环境荷载耦合效应的系统认知。这一领域的研究空白，直接制约着地震区海上风电单桩基础的安全设计。

针对这一挑战，福州大学地质与矿业学院的研究团队在《Applied Surface Science Advances》发表了一项创新性研究。该工作通过建立包含机舱-塔架-单桩-层状海床的三维集成数值模型，首次系统揭示了大型单桩在随机风、浪和地震联合作用下的动力响应规律。

研究团队采用了三项关键技术：基于平面波理论和斯涅尔定律推导层状土等效地震节点力公式；通过ABAQUS二次开发实现粘弹性人工边界的动力输入；构建考虑土体非线性特性的等效线性粘弹性土本构模型。这些方法有效解决了传统均质土假设导致的波场模拟失真问题。

在层状土地震输入方法方面，研究提出了考虑波阻抗差异的反射/透射系数计算公式。通过对比验证，该方法较传统平均模量法的地表位移计算误差从15.7%降至1.13%，显著提高了层状介质中波场模拟精度。

风-浪耦合效应研究得出重要发现：在单桩顶部，风浪联合作用使加速度响应出现协同放大（0.38 m/s²），较单独风/浪荷载分别提升137.5%和72.7%；但在泥线处却呈现抑制效应，最大加速度降低7.1%。这种非线性的响应特征颠覆了传统叠加原理的认知。

在风-浪-地震三场耦合分析中，地震荷载主导了加速度响应（泥线处贡献率达75%），但风浪荷载会削弱地震引起的加速度峰值（降幅达13.4%）。值得注意的是，地震虽使泥线位移增加20%，但对单桩应力的影响不足5%，这一发现为抗震设计提供了关键参数依据。

该研究首次阐明了环境荷载与地震作用的竞争机制：风浪等长周期荷载主要激发结构低阶模态，导致显著位移累积（最大0.48 m）；而地震短周期高频振动则引发强烈加速度响应（1.72 m/s²），但位移贡献有限。这种机理差异解释了实际工程中单桩"强震不倒但疲劳损伤"的现象。

研究结论对海上风电工程实践具有双重指导意义：一方面，提出的层状土地震输入方法为近海工程抗震分析提供了新工具；另一方面，揭示的风-浪-地震耦合规律表明，地震区单桩设计需重点控制基础变形，而非单纯提高强度。这些成果为修订海上风电结构设计规范提供了重要理论依据。

未来研究可进一步拓展至浮式风机锚泊系统-海床相互作用分析，并考虑土体液化效应。当前建立的等效线性粘弹性模型虽能较好反映中小震级下的土体行为，但对强震引起的孔压累积问题仍需发展更精细的双相介质本构模型。