受斜向入射地震波影响的海岸软土场地上风力涡轮机的动态性能评估

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Dynamic performance evaluation of wind turbines on coastal soft-soil sites subjected to oblique-incident seismic waves

　　吕玉刚|巴振宁|吴梦涛|李涛|戴考山|王建泽|王斌|穆罕默德·阿尔哈迈德中国四川大学土木工程系及深部地下工程智能建造与健康运维国家重点实验室摘要随着风电场向沿海地区扩展，许多项目建在剪切波速度低且地层结构复杂的深层软土上。与内陆地区不同，这类沿海环境面临着双重挑战：深层软土的放大效应以及地震激发的多方向性。然而，现有研究大多将地震波简化为垂直入射，忽略了斜向入射与场地放大作用之间的耦合机制。为解决这一问题，本研究提出了一种半解析与数值相结合的混合框架，用于评估斜向入射地震波作用下沿海软土地基上风力发电机的抗震性能。该方法结合了基于动力刚度矩阵法和等效线性技术的半解析场地响应分析，用于模拟波浪在分层沿海土壤中的传播，同时利用OpenSees开发的NREL 5兆瓦风力发电机有限元模型，充分考虑了土-结构相互作用。研究通过系统性的参数分析，考察了地面运动类型、入射角度以及弱层特征对风电发电机性能的影响。结果表明，由于软土地基的周期延长效应，远场长周期地面运动比近场脉冲状运动更易引发长周期风力发电机结构的基频共振，从而影响水平加速度和基底剪力需求，而近场运动则主要影响垂直方向响应。峰值动力响应与入射角度存在强烈的非单调依赖关系，与传统假设相反，最大响应并不总出现在垂直入射情况下。对于沿海地质中常见的弱层，结构振动对其深度和厚度极为敏感——位于中深度的弱层往往具有隔振作用，而浅层或深层弱层则因波阻抗不匹配而加剧结构响应。这些发现凸显了考虑斜向入射与沿海场地特性耦合效应的重要性，为沿海风力发电机的抗震设计提供了更为全面的依据。引言近年来，全球风能发展迅速，已成为低碳能源体系的核心组成部分[1]。中国的风电装机容量持续增长，2024年中国新增风电装机量约占全球总量的68%[2,3]。但随着风能战略性地向沿海地区拓展，许多风电场不得不建在深层第四纪冲积层上（这类场所属于典型的陆地沿海软土区域，不在浅水区或潮间带）[4]。与内陆地区相比，这类沿海软土地基通常具有厚重的沉积层、较低的剪切波速度以及明显的土壤非线性特征。如此复杂的地质条件可能会显著增强地震作用，进而加重地震对上部结构的破坏[5,6]。因此，研究风力发电机的地震响应与破坏机制已成为推动风能技术发展的关键任务。为应对这些重要的工程需求，学者们广泛采用实验测试和数值模拟方法来评估风力发电机的抗震安全性。在实验研究方面，Prowell等人[7]对一台已退役的65千瓦风力发电机进行了首次全尺寸振动台试验，为后续实验研究提供了重要方法参考。Dai等人[8]则对1.5兆瓦风力发电机的缩比模型进行了振动台试验，证实长周期地面运动比短周期地面运动更容易引发更大响应。Shahidikhah等人[9]通过振动台试验系统分析了水土结构相互作用对海上风力发电机结构响应的影响，包括塔架加速度、横向位移以及基础液化可能性。与实验研究同步，随着计算能力的提升，数值模拟也越来越被广泛应用。在早期研究中，Bazeos等人[10]表明，将塔架、机舱和轮毂简化为质点即可准确预测地震响应。Lavassas等人[11]采用这种简化方法评估风力发电机的地震响应，得出结论：地震荷载可能成为风力发电机设计中的主导荷载类型。为进一步揭示风力发电机在地震作用下的复杂行为，后续研究在OpenSees和ABAQUS等平台上开发了高精度有限元模型，充分考虑了塔架、基础以及土壤的非线性特性。Wang等人[12]利用OpenSees开发的3D有限元模型，研究了风速、激励因子、波周期、峰值地面加速度以及土壤参数对风力发电机结构动态响应的影响，强调了在风力发电机设计中考虑地震效应的必要性。Padrón等人[13]使用OpenFAST平台分析了NREL 5兆瓦、IEA-10兆瓦和IEA-15兆瓦参考海上风力发电机在地震作用下的结构行为，发现即便强度较低或中等的地震也会显著增加大型海上风力发电机的结构受力。Shi等人[14]利用ABAQUS建立了考虑桩-土相互作用的三维精细化有限元模型，系统分析了不同运行条件下风力发电机的动态响应。Xi等人[15]提出了海上风力发电机地震响应分析的集成框架，指出地面运动输入方式会显著影响计算得到的地震响应值。Panagoulias等人[16]采用了Rubak和Petersen[17]提出的气动伺服弹性仿真环境，开发了风力发电机的数值模型，研究了土壤特性对其地震响应的影响，得出结论：结构系统与输入的地震激励都会受到场地土壤特性的影响。Chen等人[18]推导出了适用于粘弹性人工边界的层状土壤等效地震节点力公式，并系统分析了风、浪和地震共同作用下的海上风力发电机动态响应，结果表明地震作用会放大结构的位移响应。此外，Wang[[19], [20], [21]]和Su[22]研究了复杂场地地形的影响，揭示了地形条件如何改变地面运动的加速度时程和频谱特征，进一步指出地形效应会显著改变风电场内不同位置风力发电机的输入运动，从而导致其动态响应出现明显差异。尽管取得了这些进展，现有研究仍存在两个根本性局限：其一，大多数分析仍以假设地震波垂直入射为简化前提；其二，沿海软土地层与地震波特性的复杂相互作用往往未能得到充分研究。实际上，尤其是近场记录的地面运动，常常表现出多方向的斜向入射特征[23]。在更广泛的地震工程领域，人们早已认识到，仅依靠垂直入射假设往往无法准确评估结构性能。例如，Chen和Zhang[24]提出了一种地震波斜向入射的数值方法，证明斜向入射条件下的波输入机制会从根本上改变自由场响应，与垂直入射情况存在差异。Yang和Zhou[25]采用有限/无限元方法，推导出了斜向P波和SV波作用下海底的精确自由场响应，发现上层水体会在特定频段抑制垂直向的固体位移。Jiao和Ma[26]为S波入射下的饱和冻土推导出了解析解，指出地表位移对入射角度极为敏感，尤其是当入射角接近临界角时。另一方面，由于含水量高、压缩性强且强度低，沿海软土会对地震波产生显著的过滤和放大效应。历史上的地震后现场调查，如旧金山大地震的研究，早已证实了这一现象——位于软弱地基上的结构遭受的破坏最为严重[27]。此后，Kayen[28]通过比较不同岩土条件下的场地水平地震强度变化，进一步证明了土壤软度与地震强度增强的直接相关性。要准确评估风力发电机的抗震性能，就需要全面考虑不同地震波入射角度与沿海软土地基复杂地层之间的耦合效应。而这又要求对场地动态响应进行严格分析，以便为后续的结构分析提供可靠的地震激励输入。目前，现有的场地响应方法大致可分为两类：半解析方法（如传递矩阵法、反射-透射系数矩阵法以及刚度矩阵法[[29], [30], [31]]）和数值解方法（如有限元法、有限差分法、边界元法以及谱元法[[32], [33], [34], [35]]）。以矩阵公式为基础的半解析方法，在描述水平分层介质中的波传播方面具有明显优势。Thomson[36]分析了多层固体中的斜向入射弹性波，并利用矩阵公式建立了分层介质中平面波的传输模型。Wolf[37]在此基础上进一步发展了该领域的研究，采用刚度矩阵法研究了水平分层半空间在SH波、P波、SV波、洛夫波和瑞利波作用下的自由场运动。在Thomson矩阵公式的基础上，Haskell[38]推导出了多层弹性介质中瑞利波和洛夫波的色散方程，指出瑞利波在分层介质中存在色散现象。Ba等人[39]提出了一种刚度矩阵法，用于计算各向同性饱和分层场地在斜向入射地震波作用下的三维动态响应。与此同时，数值方法也被开发出来，以适应更复杂的几何形态和材料特性。Li等人[40]开发了一种带有精细插值函数的显式时域有限元方法，用于计算斜向入射体波作用下分层半空间中的自由场运动。Kamal和Narayan[41]采用高阶有限差分算法，研究了包括地面运动放大效应以及沉积盆地内的空间变化在内的复杂波传播现象。Huang等人[42]为斜向入射P波推导出了等效节点力公式，并提出了一种基于粘弹性人工边界且采用等效节点力输入的有限元方法。Liang等人[43]开发了一种将谱元法与频率-波数分析相结合的混合方法，用于模拟在斜向入射P波、SV波和SH波作用下的局部场地区域的宽频带地震波场。Zhang等人[44]提出了一种有限元方法，用于模拟三维非规则地形中的地震波场，解决了以往方法在入射角超过临界角时无法有效处理SV波的缺陷。在上述场地响应求解方法的基础上，研究人员还将这些分析方法拓展到了斜向入射地震波作用下的各类工程结构，包括桥梁[45]、地下发电厂[46]、圆形隧道[47]以及地铁站[48]。据笔者所知，目前很少有研究将这些严谨的场地响应分析方法应用于风力发电机的抗震性能评估中。这就导致一个普遍存在的问题：现有研究大多只关注风力发电机本身的动力特性，往往将沿海场地与风力发电机系统分开考虑。然而，这种简化存在问题，因为软土地基会通过过滤和放大效应显著改变地震动的频谱特性[49]。由于风力发电机的地震响应对这些输入频谱特性极为敏感[50]，忽略沿海软土环境带来的频谱差异必然会降低分析结果的准确性。鉴于这些挑战，当高柔性结构同时受到多角度地震入射与沿海软土场地条件的共同作用时，风力发电机的动态响应会变得极为复杂（见图1）。为解决这一问题，本研究提出了一种半解析与数值相结合的混合框架，用于在明确考虑斜向入射地震波的情况下，评估沿海软土地基上风力发电机的抗震性能。与传统方法相比，该方法具有降维效果以及能够自动满足无穷远处的辐射条件等优点。该研究方法将严谨的场地响应分析与风力发电机的有限元模型相结合，能够系统地评估不同类型地面运动、入射角度以及场地条件下的风力发电机抗震性能。这些研究结果为在深层软土地基上设计及减轻风力发电机的地震风险提供了理论依据。不过，该方法仍存在一些局限性。首先，输入的地震波并非来自真实的地震场景，因此没有考虑深层断层分布的影响。其次，土壤的非线性特性是通过等效线性方法来处理的，这种方法可能无法完全体现强震动作用下的高度非线性行为。第三，研究仅考虑了陆上沿海的风力发电机，且未纳入波浪载荷和流固相互作用的影响。未来的工作将重点放在基于不同场景的地面运动模拟，以及地震、风力和波浪的耦合作用分析上，以便在复杂的环境条件下更全面地评估风力发电机的性能。本文的其余部分结构如下：第2节详细介绍场地模型、风力发电机的有限元模型以及理论分析框架；第3节和第4节分别阐述所提方法的验证过程以及分析案例的设计；第5节探讨参数研究得出的结构响应特征；最后，第6节总结主要结论。

总体框架
图2展示了用于评估软土场地上风力发电机抗震性能的混合半解析与数值分析框架。该流程主要包括两个步骤。
第一步：沿海软土场的场地响应分析。采用基于动力刚度矩阵方法的半解析技术，来分析遭受斜向入射波作用的层状沿海软土场的地面运动。全局刚度矩阵是在频率域内构建的。

场地响应分析方法的验证
为验证本研究中采用的场地响应分析方法的准确性，采用了垂直入射的SV波进行了基准测试分析。将所提方法计算得到的结果与广泛使用的二维场地响应程序DEEPSOIL的计算结果进行了对比。验证用的场地模型由四层水平分布的土层构成，总厚度为40米，详细的岩土参数见表3。共选择了三种不同的输入地面运动记录。

输入地面运动
由于风力发电机的抗震性能对输入激励的频谱特性极为敏感，因此所选地面运动记录必须能够反映不同类型地震所具有的频谱差异，这样才能实现全面评估。按照既定的分类标准，地面运动根据断层距离、速度脉冲特征以及频谱周期含量进行分类。具体而言，那些断层破裂距离在20公里及以内的记录被纳入研究范围。

地面运动类型的影响
为研究不同地面运动特性的影响，使用了选定的近场脉冲状和远场长周期地面运动记录，分别在15°、30°、45°、60°和75°的入射角度下进行了动力学分析。图14比较了这两种激励类型所引起的塔顶平均峰值加速度。分析结果表明，远场长周期地面运动产生的平均水平塔顶峰值加速度比近场脉冲状地面运动的高出约26%，这一结论与以往研究结果一致。

结论
本研究提出了一种混合半解析与数值分析框架，用于评估位于沿海软土场地上的风力发电机的抗震性能。通过基于动力刚度矩阵的场地响应分析方法来处理斜向入射波，同时结合能够充分考虑流固相互作用的高精度有限元模型，该研究系统地分析了复杂沿海地层条件与多方向地震激励之间的耦合作用。主要研究结论如下：

作者贡献说明
卢玉刚：数据整理、定量分析、实验研究、软件应用、结果可视化、初稿撰写。巴振宁：概念设计、方法论设计、结果可视化。吴蒙涛：概念设计、资金筹集、方法论设计、软件应用、研究监督、结果验证、论文修改与润色。李涛：资源协调、论文修改与润色。戴高山：资金筹集、项目管理。王建泽：研究监督、结果验证。王斌：研究监督、结果验证。Mohammad AlHamaydeh：

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢以下机构的支持：中国国家自然科学基金[U24A20177, 52308513, 52408344]、中国国家重点研发计划[2024YFF0505404]、四川省科技厅项目[2025HJRC0015, 2025YFHZ0249]、成都市科学技术局科研项目[编号2025-YF05-00375-SN]，以及中国地震局工程力学研究所科学研究基金[2024D04]。