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1、南京航空航天大学 民航学院第十九届中国可再生能源大会-风能分会暨风电高质量发展大会考虑桩-土-结效应超大型海上单桩式风力机地震响应研究汇 报 人：指导教师：汇报日期：南京航空航天大学风工程与机场工程防灾研究团队戚逸凡梁珂 柯世堂2023-08-11-2-研究背景海上风能研究背景 我国海上风能资源丰富、开发潜力巨大，对保障能源安全、推进绿色低碳发展、实现“双碳”目标具有重要意义。风力发电是可再生能源领域中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。随着陆地风能资源逐渐饱和，逐步由近海向深远海开发风资源，风力机也趋于超大型化和更高能量转换效率 海上风电是我国可再生能源发展的重点领域，“

2、十四五”期间其规模大幅提升。海上风场全球分布图全球海上风电装机容量（GW）-3-研究背景海上构筑物地震研究背景 中国海域主要分布在欧亚板块、太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块之间 我国海域地震主要集中在南海北部、东海和渤海的滨海断裂带上，具有强度大，频率高，震源深度浅的特点 中国海域及邻区每年发生的地震：4.0级以上地震约100次 6.0级以上地震约5次 7.0级以上地震约0.5次风电场分布震中分布我国海上风电场存在较高的潜在地震破坏风险-4-研究背景桩-土相互作用方法原理优点缺点等效桩长法将桩的实际长度缩短为一定比例的等效长度，以减少计算量简单易用，适用于桩长较大的情况忽略了桩-土相互作用的

3、非线性特性，可能导致频率计算误差独立弹簧法将桩-土相互作用用一组独立的弹簧模拟，每个弹簧只受桩的横向位移影响易于实现，适用于土层均匀的情况无法考虑复杂土壤和结构行为，不适用于高度非线性情况耦合弹簧法将桩-土相互作用用一组耦合的弹簧模拟，每个弹簧受桩的横向位移和转角影响考虑了桩-土相互作用的耦合效应，适用于土层不均匀的情况对于复杂土层和非线性行为的模拟有一定限制Winkler地基模型将桩-土相互作用用一组分布在桩周围的弹簧模拟，每个弹簧的刚度与土体的模量成正比考虑了土体的分层特性，适用于桩径较小的情况忽略了土体的连续性和桩-土相互作用的非线性特性p-y 曲线法将桩-土相互作用用一组曲线模拟，每条

4、曲线表示桩的横向位移与土体的横向抗力之间的关系能够较为准确地模拟桩的侧向响应，适用于各种土壤和桩型。依赖于试验数据和经验参数，不适用于大直径桩高性能桩单元法将桩-土相互作用用一组高性能的桩单元模拟，每个桩单元包含桩的弯曲、剪切和轴向行为，以及桩-土相互作用的非线性和非弹性特性考虑了桩-土相互作用的全面特性，适用于各种情况需要确定桩单元的材料和几何参数，需要大量计算资源和详细的输入数据-5-风机模型-上部结构塔筒局部坐标系选取近海超大型IEA 15-MW海上风力机为研究对象。参数数值额定功率/MW15切入风速/m s-13额定风速/m s-110.59切除风速/m s-125风轮直径/m240塔

5、架高度/m150塔筒直径/m6.5-10塔筒壁厚/mm23.998-47.517过渡层高度/m30桩长/m45桩径/m10桩壁厚/mm47.517-55.341轮毂质量/kg694叶片质量/kg205机舱质量/kg675塔架质量/kg860单桩质量/kg1318-6-风机模型-下部基础按API规范推荐，砂性土p-y曲线表达式为pus-浅层土壤极限土抗力；pud-深层土壤极限土抗力；pu-深度为H时土体极限抗力；C1、C2、C3-砂砾摩擦角函数；-土体有效容重；H-土体深度；k-初始土体切变模量；D-桩径；y-桩基挠度；A-经验参数，循环载荷时取0.9。utanh/()upAPkHyAP=us1

6、2()pC HC DH=+ud3pC D H=uusudmin,ppp=按API规范推荐，砂性土q-z曲线表达式为0pqqN P=maxppqqA=z/Dq/qmax0.0020.250.0130.500.0420.750.0730.900.11.00Nq-无量纲承载力系数；qp-桩端单位面积极限阻力；p0-有效围压；Ap-桩端横截面积；qmax-极限桩周土摩阻力。xyz(a)固支模型(b)PSSI模型(d)q-z曲线1.5 1.0 0.5 0.00.51.01.59060300306090土抗力 p(MN/m)变 位y(m)p-y曲变 埋深：2m 11m 17m 26m 35m 41m1.0