船舶与海洋工程进展作业.

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1、船舶工程学院船舶与海洋工程进展(小论文)学号：S313010074专业：船舶与海洋结构物设计及制造学生姓名：许超任课教师：孙丽萍教授2013年12月12钢悬链立管与海床相互作用模型许超哈尔滨工程大学深海工程技术研究中心摘要：随着海洋油气资源开发逐渐向深水发展，对于海上浮式结构的系统性安全要求越来越高。海洋平台的随机运动会引起触底区域立管与海底的接触-分离循环运动，深海钢质立管联合工业计划（STRIDE）的研究表明触底区的管-土相互作用对立管的动态张力和疲劳寿命有重要影响。立管与海底的相互作用包括很多复杂的非线性问题：沟槽形状，非线性的土体刚度，土体吸力以及立管与土体的耦合作用等。目前

2、已有的管-土相互作用模型大都以线性或者非线性的弹簧模拟海底，没有考虑到土体吸力和沟槽形状的影响，对于模型中最重要的刚度系数也没有合适的确定方法。本文以海床土体的P-y曲线模型为基础，考虑到土体参数和沟槽形状的影响，将管-土相互作用分为加载和卸载两个阶段，推导了立管与海床相互作用的垂向支撑力和横向摩擦力方程，针对不同形式的管-土相互作用给出了相应的计算模型。关键词：钢悬链立管；触底点；动力响应；P-y曲线模型1前言在深海油气资源开发中，钢悬链立管（SCR）由于较大的柔性和低廉的造价而得到了广泛的应用，是深水油气田开发的首选立管形式。SCR的结构形式独特，具有复杂的非线性动力特性，在设计

3、、安装、工作中均遇到很大挑战。SCR主要由两部分组成，悬垂段和流线段，悬垂段为海底以上的部分，流线段为SCR与海床接触的部分，如图1所示，本文主要研究的是流线段SCR与海床土体的相互作用。触地点（TDP）是立管最先接触海床的部分，也是悬垂段和流线段的连接点。在海洋环境荷载的作用下，SCR的流线段与海床反复相互作用，导致触地点区域立管疲劳破坏，进而危及采油系统的安全。图1钢悬链立管位置模型Bridge等人在总结大尺度管土相互作用模型试验基础上，提出了海床动态土刚度的数值计算模型和土体吸力模型;Wills等人通过STRIDE12JIP工程实例与模型试验，分析了土体刚度变化、土体吸附力等因

4、素对管土相互作用的影响，研究了侧向管-土相互作用机制。Jung讨论了海床与钢悬链立管相互作用的数值模型，提出了简化的弹簧支撑模型。采用有限元分析理论分别研究了立管位移，土体刚度以及触底区域的长度对立管弯曲应力的影响。Charles等人在Dunlap的模型试验基础上，研究了钢悬链线立管与海床的相互作用，提出了完整的P-y曲线模型，可以模拟立管提升和循环载荷作用，并且对数值模型参数进行了讨论。国内方面，傅俊杰建立了非线性弹簧模拟TDP的耦合模型，通过模态分析得到钢悬链立管的动力特性参数及典型部位的位移、弯矩和应力时程;白兴兰采用大挠度曲线梁模型和弹性地基梁模型分别模拟SCR悬垂段和流线段

5、，提出了考虑SCR与SPAR的动力耦合效应的整体分析方法。2海床土体海洋和陆地不同，存在波浪和流的作用，环境条件更恶劣。波浪力作用在结构上，通过结构传给基础，由基础将力传给地基，使地基土受力变形。另一方面，波浪直接作用于海床土层，即土的上覆压力不断地在变化，引起土应力和变形场的改变，从而对结构产生影响。海洋土和陆地土的主要差别在于海洋土具有高压缩性、高灵敏度、高流动性、低强度的特点。在API（美国石油协会）和DNV（挪威船级社）的规范中，对于海床土体也有相关的说明。规范中主要把海床土体分为粘土，砂土和岩石，在DNV规范中，根据粒径的大小不同，又将岩石分为细砾，粗砾和巨砾。砂土是一种可

6、以被穿入的土壤，颗粒之间的粘着力可以忽略，密实度非常低。在立管与砂土的相互作用模型中，摩擦系数和浸没砂土的重量是两个重要的参数。在许多海洋底部广泛存在着含有碳酸钙的砂土，对于这种砂土需要特别重视。碳酸盐砂土的性质变化较大，需要根据区域地质调查的经验确定模型参数。已有的实验结果表明，碳酸盐土壤的密度和石英的含量越高，土壤的承载能力越强。土壤的胶结作用可以增加承载能力，同时导致横向压力和摩擦力的降低。粘土不可以被穿透，并且有明显的粘着作用，具有较高的密实度，但是颗粒本身具有较弱的承载能力。在载荷作用下，粘土表现为塑性材料的性质，具有强非线性的应力-应变关系。分析立管与粘土的相互作用时，需

7、要粘土的土壤阻力-位移曲线来确定立管的受力情况。岩石可以定义为砾石，即土壤中直径大于50mm的颗粒超过50%。岩石的承载能力由三轴剪切强度和合适的承载力系数决定。DNV规范中按照粒径大小对土体的分类如表1所示。12表1海床土体分类土壤粘土细沙中砂粗砂细砾中砾粗砾巨砾粒径大小mm0.06250.250.51.04.025125500分析立管与海床土体的相互作用，需要以下基本的土体参数：土体类型；原位应力状态；排水或不排水状态下的剪切强度；土体剪切模量和阻尼系