波流地震联合作用下海底悬跨管道的动力响应

摘要

海底管道是一种输送油气较为快捷方便的运输方式。悬跨管道的出现主要是由于波流的冲蚀和海底地形的复杂性。当海洋复杂荷载作用时，悬跨段两侧支撑受到地震引起的加速度和位移作用，悬跨管段受到波流引起的动水作用，诸多荷载的相互耦合对海底管道的安全运行产生严重威胁。因此，深入探索在多种荷载作用下海底悬跨管道的动力响应特征，具有重要的工程价值和社会意义。本文通过物模试验与数值模拟研究了海底悬跨管道在波流地震荷载联合作用下的动力响应规律，并为实际工程提供建议。
　　物模试验是在大连理工大学水下地震模拟系统实验室中进行的。通过试验采集的加速度和动水压力数据分析了管道的悬跨长度、管内状态、外界荷载组合对于管道基频以及动力响应的影响规律。得到结论：悬跨悬跨长度的增大会引起管道自振频率减小且管道的动力响应显著增大增大；水流流速、波浪高度和周期的在一定范围的增大会引起管道动力响应增大；三种荷载联合作用于管道时的动力响应大于荷载单独作用，且地震荷载起主要作用，波浪、水流荷载起次要作用。
　　数值模拟是利用ADINA有限元软件建模并分析计算结果。首先建立试验管道的模型，模拟与试验中相同的工况得到管道的动力响应结果，并与试验采集的数据进行对比分析，结果表明软件能够较好的模拟现实中管道的动力响应。在论证软件可靠性之后，进一步建立考虑跨肩管土接触、悬跨管水耦合的原型管道模型，在确定跨肩土体长度的基础上进行管道在波流地震联合作用下的动力响应分析，讨论海床土体弹塑性特性以及管道埋深等因素对管道动力响应的影响。通过分析管道关键部位的轴向应力、环向应力等数据，得到结论：在波流地震荷载组合作用下，随着管道壁厚、半径的变化，关键部位产生的动力响应变化规律并不相同；随着海床土体弹模、粘聚力的增大，管道动力响应逐渐减小；随着管道埋深的增大，动力响应先增大后减小；土体性质的变化对管土接触部分的动力响应影响大于对跨中部分的影响。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景

1.2 国内外研究概况及发展趋势

1.4 本文所做的工作与技术路线

2 水下悬跨管道模型试验

2.1 试验设备及测试仪器

2.2 试验工况

2.3 试验结果分析

2.4 本章小结

3 波浪单独作用下悬跨管道的数值模拟

3.1 海底悬跨管道动力方程[73]

3.2 ADINA软件简介

3.3 有限元模型信息

3.3 管道基频校核与模态分析

3.4 数值波高与试验波高对比

3.5 数值应变与试验应变对比

3.6 数值加速度与试验加速度对比

3.7 数值计算管顶轴线分析

3.5 本章小结

4 波流地震联合作用下悬跨管道数值模拟

4.1 计算工况

4.2 地震幅值的影响

4.3 波浪周期的影响

4.4 波浪高度的影响

4.5 典型地震和波流联合作用

4.6 管道径厚比的影响

4.7 本章小结

5 工程原型管道模型数值模拟

5.1 模型基本信息

5.2 本构模型

5.3 有限元模型基本信息

5.4 计算工况

5.5 数值模拟结果分析

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢