大直径单桩海上风机的风浪效应动力模型试验

田抒平; 张陈蓉; 陈敬森

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20240404003

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大直径单桩海上风机的风浪效应动力模型试验

论文 | 更新时间：2025-08-20

- 大直径单桩海上风机的风浪效应动力模型试验
- Dynamic Model Testing of Wind and Wave Effects on Offshore Wind Turbines with Large‑diameter Monopile Foundations
- 防灾减灾工程学报 2025年45卷第4期页码：745-753
- 作者机构：
  
  1.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092
  2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092
- 作者简介：
  
  田抒平（1995—），女，博士研究生。主要从事桩基工程方面的研究。E-mail: tianshuping95@163.com
  张陈蓉（1982—），女，副研究员，博导，博士。主要从事桩基工程的科研与教学工作。E-mail: zcrong33@tongji.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(51779175)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20240404003
  中图分类号： TU473
- 收稿：2024-04-04，
  
  修回：2024-07-12，
  
  纸质出版：2025-08-28
- 稿件说明：
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田抒平,张陈蓉,陈敬森.大直径单桩海上风机的风浪效应动力模型试验[J].防灾减灾工程学报,2025,45(04):745-753.

TIAN Shuping,ZHANG Chenrong,CHEN Jingsen.Dynamic Model Testing of Wind and Wave Effects on Offshore Wind Turbines with Large‑diameter Monopile Foundations[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(04):745-753.
田抒平,张陈蓉,陈敬森.大直径单桩海上风机的风浪效应动力模型试验[J].防灾减灾工程学报,2025,45(04):745-753. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240404003.

TIAN Shuping,ZHANG Chenrong,CHEN Jingsen.Dynamic Model Testing of Wind and Wave Effects on Offshore Wind Turbines with Large‑diameter Monopile Foundations[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(04):745-753. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240404003.

摘要

极端风浪荷载作用下，海上风机结构动力响应较大，安全性能遭受严重威胁。以NREL‑5MW风机为原型，对极端荷载条件下砂土中大直径单桩基础海上风机进行一系列1

动力模型试验研究。采用自主研发的直线电机激振器，通过自定义输入归一化波形进行单点荷载加载，实现实际海况条件下环境荷载的随机不规则特性，对比分析了单独风荷载、单独波浪荷载以及风浪联合荷载作用下风机系统的位移和应力响应特性，探讨了不同加载条件对风机上部结构和桩基连接处疲劳破坏的影响。试验结果表明，极端风浪荷载条件下，风机位移和振荡幅度随荷载增加呈非线性趋势显著增加。波浪荷载是造成风机结构连接处疲劳破坏的主要因素。此外，单独风荷载和波浪荷载作用位移极值线性叠加明显大于风浪联合荷载条件下结构的耦合动力响应；而单独风荷载和波浪荷载作用时结构连接处疲劳损伤线性叠加明显小于风浪联合作用的疲劳损伤。分析结果可为海上风机的设计和评估提供一定参考。

Abstract

The dynamic response of offshore wind turbines is significant under extreme wind and wave loading

posing a serious threat to their safety. Taking the NREL-5MW wind turbine as a prototype

a series of 1

dynamic model tests were conducted to study the behavior of an offshore wind turbine with a large-diameter monopile foundation in sand under extreme loading conditions. To replicate the random a

nd irregular characteristics of environmental loading under actual marine conditions

a self-developed linear motor exciter was employed to apply single-point loading using customized input normalized waveforms. The displacement and stress response characteristics of the wind turbine system were then comparatively analyzed under wind-only

wave-only

and combined wind-wave loading. Furthermore

the influence of different loading conditions on fatigue damage at the connection joint between the superstructure and the monopile foundation of the wind turbine was investigated. The test results showed that under extreme wind-wave loading

the displacement and oscillation amplitude of the wind turbine exhibited significant nonlinear growth with increasing loading. Wave loading was the primary factor contributing to fatigue damage at the connection joint of the wind turbine structure. Additionally

the linear superposition of the extreme displacements under separate wind and wave loading was significantly larger than the coupled dynamic response under combined wind-wave loading. Conversely

the linear superposition of fatigue damage at the connection joint under separate wind and wave loading was significantly lower than that under combined wind-wave loading. These findings provide valuable reference for the design and evaluation of offshore wind turbines

demonstrating significant engineering applicability.

关键词

Keywords

references

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