海底跨断层输气管道断层作用下的数值模拟与分析

摘要

油气资源的深海开采和跨国运输需要海底管道跨越更广的范围完成其能源输送职能，管道会不可避免穿越断层活动区，断层荷载对管道安全的威胁越来越大。而目前国内外海底管道设计规范中对此类工况考虑不足，因此有必要开展跨断层海底管道在断层错动作用下的力学研究。本文以输气管道为例，采用ABAQUS软件进行数值模拟，分析了管道在断层错动作用下的力学响应规律并为海底管道跨断层设计提供了参考。主要研究内容包括以下方面：
　　（1）在必要的模型简化和理论假设基础上，基于ABAQUS软件建立了可以考虑管道几何大变形和管土非线性耦合作用的跨断层海底输气管道的有限元模型。基于管道跨断层解析计算理论首次提出能够综合考虑小变形管段轴向和弯曲变形对大变形管段力学影响的等效边界并给出了具体的公式推导，完成了等效边界模型的准确性和优良性验证。
　　（2）分析了跨断层海底管道在不同断层荷载作用下的主要破坏模式，并基于应变设计的准则建立起可以综合衡量各类破坏形式的管道安全性能评价体系。完成了海底输气管道分别穿越走滑断层、正断层和逆断层时管道的具体破坏历程分析与安全评价。
　　（3）将影响管道在断层荷载作用下响应的参数分为管道自身参数、管-土耦合参数以及海床土特性等，分别探究了它们对管道在三类断层作用下力学响应的影响趋势，给出管道跨断层参数选择的定性判断依据。
　　（4）采用均匀设计试验的方法，将参数分为管道相关参数和海床土参数进行数值模型试验，选取管道破坏的临界断层位移作为评价指标，基于多元回归理论建立了管道破坏位移与各类参数之间的表达式。进一步分析了各类参数对管道安全性能的影响权重和部分参数之间的交互作用。
　　（5）探讨了GFRP材料在跨断层海底管道补强领域的应用，分析了GFRP加强层厚度、管道加强长度和加强位置等对管道力学性能的影响程度，并探究了加强层对管道不同穿越角度的适应能力。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3本文研究内容和方法

第2章 跨断层海底输气管道模型的建立和验证

2.1模型的简化与基本假设

2.2 模型材料的力学性能

2.3 等效边界与等效边界模型

2.4等效边界模型的验证

2.5本章小结

第3章 管道在三类断层荷载下的破坏与评价

3.1跨断层海底管道的破坏模式

3.2 海底管道破坏的评价准则

3.3不同断层机制下海底输气管道的破坏历程

3.4本章小结

第4章 海底输气管道参数设计和均匀试验分析

4.1 管道自身参数设计

4.2 管-土耦合参数设计

4.3 海床土特性参数设计

4.4 跨走滑断层管道的均匀设计试验

4.5本章小结

第5章 GFRP在跨断层海底管道补强领域的应用探讨

5.1 FRP材料简介及工程应用

5.2 GFRP对管道补强效果的分析与参数设计

5.3本章小结

结论

本文不足及未来研究展望：

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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