钢管桩基础广泛应用于跨海桥梁、港湾码头和海洋风电基础设计中,在近岸、深海恶劣环境下,钢管桩基础承受较大的风、浪、流等水平动力荷载,其动力稳定性是确保结构安全的关键;同时,波流荷载作用下,基础周围土体的冲刷对动力特性也会产生影响,冲刷对结构的长期动力稳定性提出了更高的要求,考虑不当会导致体系的动力破坏。因此,研究钢管桩在冲刷作用下的动力特性具有重要的现实意义。本文依托国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(No.2013CB036304)和交通运输部应用基础研究项目(No.2013319759060),以江苏滨海北区H1#100MW海上风电场为工程背景,采用理论分析、模型试验和数值模拟等研究手段,开展了波流作用下、不同冲刷深度下钢管桩基础的动力特性变化规律及动力响应的研究,主要内容和成果如下:介绍了冲刷计算的两大相关理论:冲刷理论和波浪理论。在相关理论的基础上,结合滨海北区H1#海上风电场项目的相关水文、地质资料,利用MATLAB计算、比较了极端工况下的波浪荷载和局部冲刷深度区间,选取了方便有效的Airy波理论计算钢管桩所承受的波浪力。结合桩基础振动反应方程,在传统土体水平抗力的p-y曲线上,提出了一种考虑局部冲刷坑尺寸效应的修正p-y曲线,能较好的模拟冲刷后楔形土体的水平抗力,基于等效冲刷深度概念,提出了冲坑存在下的桩基动力响应的简化分析方法,建立频率计算数值模型,拟合了爱尔兰都柏林市的钢管桩动力原位测试,结果表明:(1)修正p-y曲线的等效冲刷深度计算法方便、有效;(2)将土体冲刷模拟为土体弹簧的缺失、总体刚度矩阵的减小方法可行。围绕冲刷作用、动力特性,设计了两种钢管桩基础模型试验:波浪水槽模型试验和钢管桩动力特性模型试验。波浪水槽试验考虑了三种冲刷条件:无冲刷、15cm冲刷和30cm冲刷,考虑了三种水深条件:25cm水深、35cm水深和45cm水深,利用ABAQUS有限元软件进行等比例模拟,结果表明:随着冲刷深度的增加,钢管桩模拟频率逐渐降低,分别为3.74HZ、2.5HZ和1.8HZ,略高于实侧基频值3.26HZ,1.95HZ和1.17HZ,桩顶最大加速度和桩顶最大位移增加;水深增加时,波浪力增加,动力响应增强,但增加幅度不大;采用等效冲刷深度计算,结构响应值介于整体冲刷和局部冲刷之间,更贴合实际工况。动力特性试验主要研究了钢管桩基础在强迫振动下的动力参数,现场水平振动考虑三种冲刷深度:0.5D、1D和1.5D。振动结果表明:无冲刷下,水平振动第一振型共振频率为14.5HZ,竖向振动第一振型共振频率为29HZ,数值为水平振动基频的两倍;随着冲刷深度的增加,钢管桩抗剪刚度、抗剪刚度系数和阻尼比均有所降低,且浅层土相比深层土对于水平刚度的贡献率更大。利用ABAQUS建立海洋风机全模型,给出了动力控制设计相关理论,采用Tempel简化公式及Block Lanzcos法对整机系统进行模态分析,最后进行整体冲刷、等效整体冲刷下波浪荷载作用下的动力响应,分析结果表明,冲刷深度增加,体系的自振频率降低,设计中需注意实际冲刷深度,以免发生共振破坏,采用等效整体冲深计算有利于降低富余度,提高经济效益,相关结果对工程设计有一定的参考意义。