[发明专利]一种海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法

权利要求书

1.一种海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：引入如下假定条件，建立Pasternak层状地基中水平动荷载、动弯矩和竖向荷载共同作用下的海上风电大直径Timoshenko单桩水平动力响应分析模型；

步骤2：基于Timoshenko梁理论和Pasternak地基理论，建立层状地基中桩身单元的水平动力控制微分方程；

步骤3：通过求解步骤S2中所述的水平动力控制微分方程，得到层状地基中桩周土体弹性变形段和塑性变形段的单桩水平振动分析参数，其中所述参数至少包括桩身的水平位移、截面转角、弯矩和剪力。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法，其特征在于：步骤1中，假定条件包括海上风电大直径单桩等效为圆形等截面和均质弹性体，将桩模拟为Timoshenko梁模型，考虑土体塑性屈服特性，假定地基土为粘弹性-塑性地基，将桩周土体模拟为改进的Pasternak地基模型，按照土层划分为i层，每层划分为j段，假定桩-土界面不分离且不发生相对滑移。

3.根据权利要求1所述的一种海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法，其特征在于：步骤2中的水平动力控制微分方程的表达形式为：

式中：表示偏导数符号，u_(i,j)(z,t)、θ_(i,j)(z,t)和V_(i,j)表示第i层第j段桩身单元的水平位移、转角和桩身单元顶端的竖向荷载，z和t表示深度位置和时间，A_p、G_p、E_p、I_p、ρ_p和D_p分别表示桩身截面面积、剪切模量、弹性模量、截面惯性矩、密度和计算直径，κ为桩身截面形状剪切系数，k_si、c_si和G_si分别表示第i层土体的刚度系数、阻尼系数和剪切系数，计算公式如下：

式中：E_si、ρ_si、β_si和V_si分别为第i层土的弹性模量、密度、滞回阻尼比和剪切波速，d为桩身直径，a₀为无量纲频率，ω为水平动力激振圆频率，其中，a₀＝ωd/V_si，ν_si为第i层土的泊松比；

当海上风电大直径单桩的桩顶承受稳态简谐激振时，桩身的水平位移和转角转化为：

/

式中：u_(i,j)(z)、θ_(i,j)(z)、M_(i,j)(z)和Q_(i,j)(z)分别为第i层第j段桩身水平位移幅值、桩身截面转角幅值、弯矩幅值和剪力幅值。

4.根据权利要求1所述的一种海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法，其特征在于：步骤3中，为获取层状地基中海上风电大直径单桩水平振动分析参数，须要对步骤S2中所述的水平动力控制微分方程进行求解，但考虑到直接求解方程的复杂性，通过结合受力分析传递矩阵法，得到步骤S3所述的分析参数。