随着风能开发向水深更深,风能资源更丰富的远海海域发展,以及单个风机装机容量的增加(5MW-10MW),海上风机的基础形式日益多样化。在诸多基础型式中,导管架基础在早期油气平台中被广泛使用,技术相对更加成熟,有很多可供借鉴的经验,因此在目前风电开发向深海挺进阶段,这种基础得到了更为广泛的应用。与油气平台不同之处在于,导管架基础海上风机为细长柔性结构,塔筒顶部风机叶片高度较高且会承受相当大的水平荷载。在台风等极端水平循环荷载的作用下,导管架基础泥面处会产生较大的倾覆弯矩,桩基与周围土体会产生较大的竖向相互作用,导致下部群桩基础产生相当大的桩土弱化,影响风机的正常运行及其服役寿命。综上,开展导管架基础在极端循环荷载下的整体响应研究,是非常有意义的。本文基于大型商用有限元软件COMSOL Multiphysics 5.5,建立了包括导管架基础海上升压站、四桩导管架基础海上风机、三桩导管架基础海上风机在内的数值模型。分析过程中,采用本文提出的新型Q-z模型、API规范的桩土非线性弹簧、课题组前期研究的循环弱化t-z模型,结合MATLAB进行二次开发。主要研究成果总结如下:(1)在砂土中,根据动三轴实验中土单元的应力应变曲线,结合桩端影响区域的概念,构建了可以考虑位移累积的新型Q-z模型,该模型简单可靠,参数易于标定。采用该模型,对于承受轴向循环荷载的单桩,在加载初期,桩端土会产生位移累积,一定的循环次数后累积位移不再增加,可认为桩端土达到弹性加卸载阶段;导管架基础海上升压站在水平循环荷载下会发生一定的基础沉降和整体倾斜,但不会发生倾覆破坏,如果桩端位移累积过大,可能影响其服役寿命。(2)对于四桩导管架基础海上风机,桩长较短且土体等效弱化程度较大时,风机在常规风况下的一阶频率会跌至1P频率区间,可能引起共振,影响风机服役寿命;导管架基础角桩最大弯矩出现在5D-6D范围内,随土体等效弱化程度增加,桩身弯矩最大值随之增加,增加幅值与桩身长度有关;极端荷载下,土体等效弱化程度较大时,Q-z弹簧抗倾覆贡献明显增加,后排桩有拔出的危险。以上分析结果可为砂土中四桩导管架基础海上风机的设计提供参考依据。(3)对于研究较少的三桩导管架基础海上风机,根据与四桩导管架基础风机用钢量相同的准则建立其数值模型,考虑极端循环荷载下桩土界面循环弱化。35m桩长时,相较四桩导管架基础风机可承受100次的极端循环荷载,三桩导管架基础风机在荷载循环21次时即发生倾覆破坏;倾覆破坏前,运行荷载下海上风机一阶频率没有明显变化,而结构整体变形随极端荷载次数增加不断发展;随桩侧桩土弱化程度增加,t-z弹簧抗倾覆贡献明显减小,Q-z弹簧抗倾覆贡献明显增加;撤去极端荷载后的正常运行阶段,前排桩桩端卸荷回弹可能使桩侧抗力反向,t-z弹簧贡献弯矩方向与风浪流荷载在泥面处弯矩同向。