海上風電是全球應對氣候變化的關鍵可再生能源行業。全球風能理事會在今年新發布的“全球海上風電報告”中估計，未來十年海上風電新增裝機容量將達到235GW，大約是當前市場規模（35GW）的七倍，而要實現2050年全球碳中和目標，海上風電將最終達到2000GW。

今年是中國補貼海上風電的最后一年，2020年中國新增3.1GW海上風電，占全球新增（6.1GW）的一半以上，今年中國有望成為全球累計裝機最大的海上風電市場。

與歐洲海上風電多興建于北歐地震不活躍地區不同，中國位于世界兩大地震帶——環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震斷裂帶十分發育，中國地震帶主要分布在臺灣地區、西南地區、西北地區、華北地區、東南沿海地區的23條地震帶上。

海上風電正處于大規模發展中，從國內已建、已核準的海上風電項目以及未來規劃來看，很大比例的海上風電場址，正好位于這些地震帶附近，潛在存在著較高的地震破壞的風險。

對中國海上風電來說，合理的抗震設計尤其重要，需要在保證海上風電設備及其支撐結構的安全性的前提下，同時避免支撐結構設計成本顯著上升。這就首先需要科學、便捷的地震分析。

在油氣行業海洋工程固定式結構設計中，根據設計條件的不同，地震分析可以分為兩類，分別為ELE分析和ALE分析。常用的設計方法中吊車公司，對于ELE分析會選擇使用地震響應譜法，而對于ALE分析則更傾向于使用時程分析方法。

今年8月吊車公司，挪威船級社（DNV）發布了一本針對風電場地震分析的規范DNV-RP-0585，這是目前為止全球范圍內的第一本專門針對海上風電工程地震設計的規范。有別于油氣行業海上結構的地震設計要求，根據這一規范，在低水平地震區，對于陸上風電結構，地震響應譜法（RSM法）是通用的，但對于海上風電結構，RSM法僅僅是可以接受的，時域分析方法才是首選。

如何解決土壤非線性問題？

地震響應譜法和常規的時域分析方法都是線性動力分析方法，但樁-土相互作用是一個非線性迭代的過程。那么如何在分析中解決土壤的非線性問題，是設計人員的一大挑戰。

目前有以下三種解決方法：

1、完全不考慮樁土效應，直接在泥面附近對風機支撐結構施加固結的邊界條件。 2、考慮樁土效應，但僅考慮在某一特定荷載下的土壤非線性。 3、考慮樁土非線性效應，且不限定在某一個荷載。

第一種方法缺少對樁土效應的考慮，僅適用在項目初期簡單評估，不適用于正式設計過程；

第二種方法是通過在樁頭施加等效彈簧剛度陣來替代樁-土部分的方式來考慮樁土效應。但這種方法的缺陷是僅能考慮某一個特定工況下的樁土效應，且需要設計人員根據設計經驗在眾多工況中選出這一特定工況；

第三種方法則舍棄常規的線性時程分析方法，需要選擇支持非線性分析的求解器來進行分析，在整個分析過程中，可以始終保持著樁土的非線性屬性，并同時考慮材料的塑性性能。

以上三種方法海上風電，均可以應用DNV（挪威船級社）的Sesam軟件進行分析。

Sesam軟件最早由DNV（挪威船級社）于1969年發布，經過多年發展，已經成為海洋工程結構分析的行業標準軟件，并不斷更新模塊來拓展功能應用。

2011年，DNV更新拓展了Sesam原有模塊功能，適用于海上風電風機基礎（導管架）分析。2012年，DNV(挪威船級社)與GL（德國勞氏船級社）合并后，原GL旗下業內風機載荷計算標桿軟件Bladed也逐步整合至Sesam軟件分析流中，并持續完善。

Sesam軟件由主控模塊，前處理模塊，水動力分析模塊，結構求解模塊及后處理器模塊組成。通過選擇不同的模塊組合可以完成固定式結構，浮式結構，系泊纜等結構物設計。

Sesam軟件模塊架構圖

對于固定式風電結構來說海上風電，可以選擇：

GeniE – 用于結構建模，分析流程控制及規范校核 Wajac – 用于框架式結構的環境載荷計算 Sestra–用于線性結構分析 Usfos – 用于非線性結構分析 Splice– 用于樁-土分析 framework - 用于框架式結構規范校核，疲勞分析及響應譜地震分析 Sesam Wind Manager – 用于海上風電結構時程載荷下的ULS分析和FLS分析

而對于地震分析來說：

1、使用Sesam軟件包，在低地震區設計項目中可以使用響應譜法進行分析。

響應譜地震分析法在Sesam中的流程圖

2、使用Sesam Wind Manager根據DNV-RP-0585規范采用時程一體化方法或超單元方法進行地震分析。

一體化法和超單元法流程圖

當使用超單元法時，有兩種模擬方法可以使用，分別為地震超單元法和常規超單元法。地震超單元法需要多個交界點（interface node），且在載荷超單元文件中并不包含地震載荷。這種方法也并不能為所有的風機載荷計算程序接受，因此在使用中會受到諸多限制。而使用常規超單元法則可以不受這些限制的影響，并且可以使用不同的時程地震位移/加速度曲線考慮不同土層的地震波影響。

Sesam Wind Manager可以依據規范要求按照以下流程進行時程地震分析。

Sesam Wind Manager分析流程

Sesam Wind Manager界面

3、使用Usfos模塊, 可以在考慮材料非線性和幾何非線性的同時，始終保持著樁土的非線性屬性。同時也可以在不同的入泥深度，施加不同的時程加速度曲線。對于中高地震區的設計項目來說，使用這種方法可以通過考慮材料的塑性性能來降低結構建造成本。

Usfos地震時程曲線及結果示意圖

Usfos模塊主要用于結構彈塑性靜、動力響應分析。用于結構極限承載力分析及事故荷載靜動力分析，包括落物、撞船、爆炸以及地震等荷載條件。GeniE模型可以直接導出為USFOS模型進行非線性分析。