随着越来越多的海上风电场在地震活跃区域选址建设,海上单桩风电机结构在地震、波浪、气动风载等环境载荷下的运动响应与结构安全性正受到越来越多的关注。在最近开展的两次地震-波浪联合振动台试验中,海上风电机结构的缩尺模型均在单向激励下出现了显著的双向涡旋运动,产生了动力失稳现象;这一动力失稳现象可能导致风电机结构的实际响应高于预测值,从而降低结构安全设计的余度,因此有必要对其发生规律与响应特征进行深入探讨。为此,本研究以NREL-5MW海上单桩风电机结构64:1简化缩尺模型为研究对象,利用非线性动力学理论研究与缩尺振动台试验的方法,分析了其在强烈激励下的动力失稳现象。在理论研究中,本文对竖直悬臂梁推导了同时考虑惯性非线性项与几何非线性项的双向耦合非线性运动控制方程,提出了多尺度解法与Galerkin数值解法,并用这两种解法计算了理论缩尺模型在一系列简谐、窄带与地震激励作用下的响应。不同于文献,因顶部机舱的存在,本研究考虑了顶部集中质量的影响。多尺度解法结果显示,当结构承受频率接近其自振频率且幅值较大的单向简谐激励时,平面运动将变得不稳定,导致结构出现动力失稳,产生双向涡旋运动。Galerkin数值解法结果在简谐激励下与多尺度解法结果吻合良好,同时Galerkin数值解法结果表明结构在简谐与窄带随机激励作用下较易产生动力失稳,但在地震作用下则较难。在试验研究中,本文对试验缩尺模型加载了一系列单向与双向的简谐与地震激励。试验结果显示模型在8个单向简谐激励工况下出现了动力失稳现象,而在所有单向地震工况下均未出现动力失稳;试验结果与理论结果在定性上吻合良好,再次证明单桩风电机结构在简谐激励下较易出现动力失稳现象,在地震下则较难。另外,试验研究还揭示了风电机结构在双向激励作用下更易发生动力失稳现象。需要指出的是,这是首次在振动台试验中观测到悬臂梁在单向激励下的双向涡旋运动,填补了世界上在这方面的试验空白,试验结果有力支持了理论解的存在。除此之外,针对海上单桩风电机结构在地震与波浪作用下的弹塑性性能,本研究还提出了一系列考虑地震-波浪组合作用的侧向加载模式,并利用多种侧向加载模式对NREL-5MW海上单桩风电机结构进行了静力弹塑性Pushover分析,探究了侧向加载模式对结构Pushover曲线与破坏模式的影响。