[发明专利]一种管土动态耦合作用分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种管土耦合作用的研究方法，更具体的说，本发明涉及一种研究管道结构与海床土体动态耦合作用的分析方法。

技术背景

近年来，随着人们逐渐加大对海洋资源的开采和利用，海底管道、悬链线立管等管道结构在海洋工程中得到越来越广泛的应用。

所述的海底管道能够高效快速的将海底油井产出的石油、天然气等能源物质运送到陆地上，具有安装方便、造价低廉、高效运输等优点，是海底油气资源运输的主要装置，也是海底能源系统的大动脉。但由于起伏不平的海底地势和海底洋流的冲刷作用，易使海底管道出现悬跨现象，尤其是在外界来流的作用下，悬跨的海底管道很容易发生涡激振动，从而造成严重的结构疲劳破坏。由于悬跨管道的两端由海床土体支撑，而海床土体又对管道的运动具有约束作用，海床土体越坚硬，对悬跨管道运动的约束条件越强烈。当海底管道来回运动压缩海床土体时，就会使海床土体的性质发生改变。如此，海底管道的运动会对海床土体产生影响，而海床土体又会对海底管道的运动产生影响，也就是说，海底管道和海床土体之间存在着较强的动态耦合作用。

所述的悬链线立管在海洋工程领域中应用非常广泛，它一端连接海上平台，另一端连接海底油井，将油井产出的石油和天然气运输到海上平台，同时还可以对浮式采油平台进行定位。由于其本身重力的作用，悬链线立管成抛物线形，在与海底接触时会有一段较长的触地区域。悬链线立管会受到波浪、海流和海上平台的作用而发生运动，当运动传递到海底触地区域时，亦会出现管道结构和海床土体的动态耦合作用。

可见，所述的海底管道、悬链线立管等海洋管道结构，均会涉及到管道与海床土体之间的动态耦合作用。

当管道结构受到外力作用而发生运动时，会对支撑它的海床土体产生影响，以至使海床土体的性质发生改变。

当管道向下运动挤压管道沟槽中的海水时，会使沟槽壁面的土体因海水的冲击作用而发生脱落。此外，沟槽中的海水受到管道的挤压也会混合着部分海床土体被挤出沟槽。

当管道向上运动离开沟槽时，部分海床土体因土体的黏性而被管道黏带着向上运动，进而脱离原来的土体。

由于管道的循环运动会造成管道沟槽不断的加深、加宽，海床土体的刚度也会随之出现衰减现象。反过来，海床土体支撑着管道结构，对管道结构的运动具有约束作用，海床土体性质的改变就会对运动管道产生重要影响。总之，管道结构和海床土体之间既相互作用，又相互影响，具有较强的动态耦合作用。

现有技术对于管土动态耦合作用做了大量的简化，在对其分析研究中，一般是采用线性弹簧或者非线性弹簧模拟海底土体对管道结构的作用，却并未考虑到海底土体的特性、管道结构的特性和管道结构与海底土体相互作用的特性，比如：海底土体的抗剪强度、土体吸附效应、管道结构表面粗糙度、管道沟槽形状和土体非线性滞后现象等等。

发明内容

本发明的目的就是弥补现有技术的缺陷，并提供一种管土动态耦合作用分析方法。该方法考虑了海底泥面土体不排水抗剪强度和土体不排水抗剪强度垂向增量，还考虑了管沟形状、管道结构表面粗糙度以及土体非线性滞后效应等影响因素，从而改进了现有技术对管土动态耦合作用的分析方法，使管土动态耦合作用分析结果与实际情况更加吻合，提高了管土动态耦合作用分析结果的可靠性。

本发明的技术方案是：

一种管土动态耦合作用分析方法，采用了同时考虑土体刚度作用和土体阻尼作用的管土动态耦合作用分析模型：

a)土体刚度作用：

f_k＝k_soil·y

b)土体阻尼作用：

fd=csoil·y·]]>

式中：f_k—土体对管道结构的刚度作用力；

k_soil—土体支撑刚度；

y—管道结构的位移；

f_c—土体对管道结构的阻尼作用力；

c_k—土体阻尼系数；

—管道结构的速度；