论文总字数：23606字

摘 要

本文基于风电安装冲击沉桩的工程背景，利用有限元软件COMSOL Multiphysics对海上打桩系统进行建模，通过仿真计算得到了不同结构参数对桩体振动及声辐射特性的影响，对减少桩体振动噪声对周围海洋生物的危害具有一定指导意义。

本文主要通过二维轴对称建模及仿真计算，研究了长径比和土壤深度对桩体振动和声辐射特性的影响；通过三维建模及仿真计算，研究了偏心激励对桩体振动和声辐射特性的影响。通过观察各参数云图以及具体点探针的曲线对比图得出了各参数对桩体振动和声辐射特性不同程度的影响。桩顶受到瞬态激励后，管桩的长径比越小，振动在桩体中传递得越快，声波传播得也越快；管桩打入土壤深度越大，振动传递得越快，声波传播得也越快；施加偏心激励的管桩，声压及应力、加速度等在桩体中呈现分布不均匀的现象，大小分配也受到影响。

关键词：风电安装；海上沉桩；振动；声辐射

Abstract

In this paper, based on the engineering background of wind power installation of pile driving, the finite element software COMSOL multiphysics is used to model the offshore pile driving system. And the influence of different structural parameters on the vibration and acoustic radiation characteristics of the pile is obtained through the simulation calculation, which has certain guiding significance for reducing the damage of the vibration and noise of the pile to the surrounding marine organisms.

In this paper, the effects of the ratio of length to diameter and the depth of soil on the vibration and acoustic radiation characteristics of piles are studied by two-dimensional axisymmetric modeling and simulation. And the effects of eccentric excitation on the vibration and acoustic radiation characteristics of piles are studied by three-dimensional modeling and simulation. The influence of the parameters on the vibration and acoustic radiation characteristics of the pile is obtained by observing the nephogram of each parameter and the curve comparison diagram of the specific point probe. When the pile top is excited by transient state, the smaller the length diameter ratio of the pile, the faster the vibration is transmitted in the pile. And the faster the sound wave is transmitted, the deeper the pile is driven into the soil. The faster the vibration is transmitted, and the faster the sound wave is transmitted. The sound pressure, stress and acceleration of the pipe pile with eccentric excitation are distributed unevenly in the pile, and the size distribution is also affected.

Key Words：Windfarm installation；Offshore piling；Vibration；Acoustic radiation

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 研究理论及现状 2

1.2.1圆柱壳的水下振动与声辐射 2

1.2.2海上沉桩的声辐射 3

1.3研究内容 4

第二章 海上沉桩桩体振动及声辐射理论 5

2.1 圆柱壳的动力学理论 5

2.1.1 圆柱壳的动力学方程 5

2.1.2 圆柱壳的固有振动 7

2.2圆柱壳的声学理论 9

2.2.1 声波方程和Helmholtz方程 9

2.2.2 边界积分方程及其数值离散 10

2.3 本章小结 12

第三章 管桩的有限元建模分析 13

3.1 有限元法 13

3.2 COMSOL Multiphysics软件 14

3.3 有限元模型 15

3.4 本章小结 20

第四章 管桩沉桩过程中的瞬态振动特性 21

4.1长径比对管桩瞬态振动特性的影响 21

4.2 土壤深度对管桩瞬态振动特性的影响 25

4.3 偏心激励对管桩瞬态振动特性的影响 30

4.4 本章小结 32

第五章 管桩沉桩过程中的瞬态声辐射特性 33

5.1 长径比对管桩瞬态声辐射特性的影响 33

5.2 土壤深度对管桩瞬态声辐射特性的影响 37

5.3偏心激励对管桩瞬态声辐射特性的影响 40

5.4 本章小结 43

第六章 结论 44

6.1桩体振动及声辐射特性分析 44

6.2 沉桩振动噪声控制建议 44

参考文献 45

致 谢 47

第一章 绪论

本章基于海上风电场的发展背景，结合海上冲击沉桩的施工特点，概述了打桩噪声对海洋生态环境的影响，综述了海上打桩噪声问题的发展历程及研究现状，由此引出本文的研究内容。

1.1研究背景及意义

进入21世纪以来，人类加快了向海洋索取资源和拓展空间的步伐，人为噪声在海洋环境中的排放成为一个备受关注的环境问题。特别是基桩安装过程中产生的噪声，被认为是水下噪声污染最主要的来源之一。这是由于为了促进能源转型，满足可再生资源应对能源日益增长的需求，我国近年来大力发展海上风能产业，《风电发展“十三五”规划》指出，到2020年底，我国风电累计并网装机容量确保达到2.1亿千瓦以上，风电年发电量确保达到4,200亿千瓦时，约占全国总发电量的6%。

在风电安装过程中，需要对大型钢管桩进行沉桩。沉桩时，置于桩头的液压冲击锤或大型振动装置对桩头进行一系列的冲击，将桩逐步打入海床数十米以下，整个过程通常需要几个小时，近千次的锤击。每一次锤击，桩顶的瞬态冲击脉冲都会激发剧烈的桩壁振动，伴随着强烈的脉冲噪声。这些噪声辐射到水下海洋环境中，在距施工现场几十公里远的地方仍能被探测到。王蓓的研究指出^[17]，高频噪声会对海洋哺乳动物和鱼类造成不同程度的伤害，如会引起海豚焦躁，甚至会摧毁其听力系统，致使其失聪死亡。虽然确定打桩噪声会对鱼类和海洋哺乳动物产生有害影响，但由于很难量化水生物种听力受损的程度，海洋生物受冲击沉桩噪声影响的确切程度尚不清楚。

海上冲击沉桩会使桩体振动辐射高频噪声，引起了若干国家的规管机构和环境组织的注意，已经成为具有高度环境监测成本的高度管制的施工过程。Erbe^[1]简要概述了几个国家政府实施的限制，荷兰法律规定打桩作业只能在7月1日至12月底进行，以避免干扰鼠海豚的繁殖季节；德国联邦政府将作业噪声的暴露声压级制定为160dB，将峰声压级制定为190dB。美国也于2013年颁布临时性标准,规定大多数海洋哺乳动物所可承受的脉冲型声压级应低于190dB。我国虽未对海上施工作业噪声作出明确限制规定，但《中华人民共和国野生动物保护法》，香港地区的《野生动物保护条例》、《防止残酷对待动物条例》等，均包含对海洋动物的保护条款。近年来，一些大型工程项目也不乏对作业噪声的重视以及科学的考量。例如，港珠澳隧桥工程位于珠江口，该海域是国家一级保护动物中华白海豚的生活繁衍核心区，这引起了相关环境署等政府部门和民间组织的关注，要求施工单位确保不能伤害中华白海豚，港珠澳大桥运营期间也的确做到了"建设港珠澳大桥、白海豚不搬家"^[16]的目标。

海上打桩作业和动物保护之间的矛盾己经成为限制人类海洋开发活动的重要因素，打桩已经成为具有高度环境监测成本的高度管制的施工过程，因此对沉桩过程中的桩体声辐射特性的研究十分必要且刻不容缓。

1.2 研究理论及现状

1.2.1圆柱壳的水下振动与声辐射

圆柱壳结构被广泛应用于航空航天、水下结构等众多工业结构中，具有非常重要的研究意义。圆柱壳结构在流体中的振动及声辐射问题是研究人员们关注的焦点。流体介质中圆柱壳的振动与流场（声场）响应之间存在的耦合关系，增加了问题求解的复杂性。早期的研究将圆柱壳视为无限长，研究其在无限流域中的振动和声辐射特性，而不考虑流域边界对辐射声场的影响，直到20世纪70年代才出现大量的研究文献对有限长圆柱壳进行分析。

关于无限长圆柱壳在流体中的振动及声辐射问题的研究中，Junger^[2][3]根据圆柱壳结构在圆周方向的周期性特点，将其径向位移运用傅里叶级数展开，将轴向表示成平面波传播函数，结合分离变量法及流固耦合界面上的连续性条件得到了壳体表面声阻抗的解析表达式。Scott^[4]深入研究了无限长圆柱壳在水下的频散特征，结合Love壳体理论及Hamilton原理建立了无限长圆柱壳在水下的频散特征方程。

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