CN105184102B

CN105184102B - 一种管土动态耦合作用分析方法

Info

Publication number: CN105184102B
Application number: CN201510650925.5A
Authority: CN
Inventors: 高喜峰; 徐万海; 谢武德; 袁曦林
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Xiaertela Shanghai New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2015-10-10
Filing date: 2015-10-10
Publication date: 2018-02-23
Anticipated expiration: 2035-10-10
Also published as: CN105184102A

Abstract

本发明公开了一种管土动态耦合作用分析方法，该方法包括建立管土动态耦合作用分析模型以及根据管道结构嵌入土体的最大深度确定土体非线性迟滞环等步骤。其优点是：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以及管沟形状、管道结构表面粗糙度和土体非线性滞后效应等多种因素的影响，根据管道结构所处的位置和运动方向确定海床土体对管道结构的支撑刚度和土体阻尼系数，并根据管道结构的运动情况对其嵌入土体的最大深度进行实时更新，从而建立一种新的管土动态耦合作用分析方法，解决了管道结构和海床土体的动态耦合作用问题，为海底管道、悬链线立管等管道结构与海床土体之间动态耦合作用提供了有效的分析途径和可靠的理论依据。

Description

一种管土动态耦合作用分析方法

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：

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_d—土体对管道结构的阻尼作用力；

c_soil—土体阻尼系数；

—管道结构的速度；

根据管道结构嵌入土体的最大深度确定土体非线性迟滞环，其中包括管道结构回弹阶段、管道结构局部分离阶段和管道结构再次回压阶段；

(1)管道结构回弹阶段：

P₂＝-φP₁

式中：y₁—管道结构嵌入土体的最大深度；

P₁—最大土体作用力；

a—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，由试验获得；

b—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，由试验获得；

S_u0—海底泥面土体不排水抗剪强度；

S_ug—海底土体不排水抗剪强度垂向增量；

D—管道结构外径；

P_1-2—管道结构回弹阶段土体作用力；

υ—土体特性参数，由试验获得；

k₀—土体特性参数，由试验获得；

P₂—土体最大吸附力；

φ—土体特性参数，由试验获得；

y₂—土体最大吸附力出现位置；

(2)管道结构局部分离阶段：

式中：P_2-3—管道结构局部分离阶段土体作用力；

y₃—土体作用力消失点位置；

—土体特性参数，由试验获得；

(3)管道结构再次回压阶段：

式中：P_3-1—管道结构再次回压时土体作用力；

由于土体非线性迟滞环与管道结构嵌入土体的最大深度有关，根据管道结构的运动情况，对管道结构嵌入土体的最大深度进行实时更新；

又由于海床土体对管道结构的支撑刚度与管道结构所处的位置和运动方向有关，故：

当管道结构上升远离土体，且管道结构位置处于y₁和y₂之间时，土体支撑刚度为：

当管道结构上升远离土体，且管道结构位置处于y₂和y₃之间时，土体支撑刚度为：

当管道结构下降压缩土体，且管道结构位置处于y₁和y₃之间时，土体支撑刚度为：

式中：

ω—响应模态的圆频率；

E_Dissipated—土体吸附的弹性势能；

E_Elastic—土体阻尼消耗的能量。

本发明的分析方法克服了现有技术的不足，其有益效果在于：

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以及管沟形状、管道结构表面粗糙度和土体非线性滞后效应等多种因素的影响，根据管道结构所处的位置和运动方向确定海床土体对管道结构的支撑刚度和土体阻尼系数，同时根据管道结构的运动情况对管道结构嵌入土体的最大深度进行实时更新，从而建立了一种新的管土动态耦合作用分析方法，解决了管道结构和海床土体的动态耦合作用问题，为海底管道、悬链线立管等管道结构与海床土体之间动态耦合作用提供了有效的分析途径和可靠的理论依据。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的优点和特征更容易被清楚理解，下面结合附图和实施例对其技术方案作以详细说明。

本领域技术人员周知，海床土体由气相、液相和固相三相物质组成，不同海域不同深度的土体往往具有不同的性质；另外，海床土体还具有较强的非线性，受到外力作用会发生弹性变形和塑性变形。这些因素使得管道结构和海床土体之间的耦合作用更加复杂，而海底管道、悬链线立管等相类似的管道结构在外力的作用下发生运动，最容易在管道结构与海床土体接触的区域内出现疲劳破坏。传统方法对海床土体进行了简化，采用线性弹簧或者非线性弹簧模拟海床土体对管道的作用，并未考虑到海床土体的特性、管道结构的特性以及管道结构和海床土体之间的耦合特性，致使理论分析计算的结果与实际情况相差较大。因此，在工程应用中，需要预留较大的安全余量才能够满足实际需要。

本发明则考虑了海底泥面土体不排水抗剪强度、土体不排水抗剪强度垂向增量以及管沟形状、管道结构表面粗糙度和土体非线性滞后效应等多种影响因素，并为此提出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方法(参照附图)：

a)土体刚度作用：

f_k＝k_soil·y

b)土体阻尼作用：

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_d—土体对管道结构的阻尼作用力；

c_soil—土体阻尼系数；

—管道结构的速度；

(1)管道结构回弹阶段：

P₂＝-φP₁

式中：y₁—管道结构嵌入土体的最大深度；

P₁—最大土体作用力；

S_u0—海底泥面土体不排水抗剪强度；

S_ug—海底土体不排水抗剪强度垂向增量；

D—管道结构外径；

P_1-2—管道结构回弹阶段土体作用力；

υ—土体特性参数，由试验获得；

k₀—土体特性参数，由试验获得；

P₂—土体最大吸附力；

φ—土体特性参数，由试验获得；

y₂—土体最大吸附力出现位置；

(2)管道结构局部分离阶段：

式中：P_2-3—管道结构局部分离阶段土体作用力；

y₃—土体作用力消失点位置；

—土体特性参数，由试验获得；

(3)管道结构再次回压阶段：

式中：P_3-1—管道结构再次回压时土体作用力；

本发明与现有技术的关键区别在于：

(1)考虑到土体非线性迟滞环与管道结构嵌入土体的最大深度有关，根据管道结构的运动情况，对管道结构嵌入土体的最大深度进行实时更新；

(2)考虑到海床土体对管道结构的支撑刚度与管道结构所处的位置和运动方向有关，故采用的分析方法是：

其它状态下，土体支撑刚度均为零；

式中：—土体特性参数，由试验获得；

土体阻尼系数可以根据下式确定：

式中：

ω—响应模态的圆频率；

E_Dissipated—土体吸附的弹性势能；

E_Elastic—土体阻尼消耗的能量。

本发明相对于现有技术，具有如下特点：

(1)考虑了海床土体的特性：

深海海底以软黏土为主，土体的不排水抗剪强度是表示软黏土强度的主要参数。本发明考虑了海底泥面土体的不排水抗剪强度和海底土体不排水抗剪强度垂向增量，可以合理的描述海底土体的实际情况。针对外力作用下海床土体较强的非线性，本发明采用数学公式描述了土体的非线性迟滞效应，将各阶段的土体作用力进行线性化分析，依据管道结构运动的方向和位置确定土体支撑的弹簧刚度，依据土体非线性迟滞环确定土体阻尼系数，同时根据管道结构的运动情况对非线性迟滞环进行实时更新，以使分析结果更加符合海床土体在动力作用下的实际情况。

(2)考虑了海床土体和管道结构的接触状态：

土体沟槽和管道结构表面是海床土体与管道结构相互作用的接触面，其对管土的动态耦合作用会产生影响。土体沟槽的形状不同、管道结构的表面粗糙度不同，管土耦合作用也会不同。本发明重视了海床土体与管道结构的接触状态对管土动态耦合作用的影响，并通过试验获得与实际情况基本符合的相关计算参数。

(3)解决了管土动态耦合作用问题：

由于海底管道、悬链线立管等管道结构在受到外力作用时会发生运动，且海床土体对管道结构的运动有阻碍作用，而管道结构的运动又会使海床土体的性质发生改变，所以，研究管道结构和海床土体之间的动态耦合作用需要考虑多种因素的影响。本发明综合考虑了海底泥面土体的不排水抗剪强度和土体不排水抗剪强度垂向增量以及管沟形状、管道结构表面粗糙度和土体非线性迟滞效应等影响因素，根据管道结构嵌入土体的最大深度、运动位移和运动方向确定土体对管道结构的刚度作用和阻尼作用，同时依据管道结构的运动情况对管道结构嵌入土体的最大深度进行更新，使得理论研究的计算结果更符合管土动态耦合作用的本质特征。

以上参照附图和实施例对本发明的技术方案进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各个技术特征均可能发生某些变化，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。特别需要指出的是：只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的细节变化或相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一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：

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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_d—土体对管道结构的阻尼作用力；

c_soil—土体阻尼系数；

—管道结构的速度；

(1)管道结构回弹阶段：

P₂＝-φP₁

式中：y₁—管道结构嵌入土体的最大深度；

P₁—最大土体作用力；

S_u0—海底泥面土体不排水抗剪强度；

S_ug—海底土体不排水抗剪强度垂向增量；

D—管道结构外径；

P_1-2—管道结构回弹阶段土体作用力；

υ—土体特性参数，由试验获得；

k₀—土体特性参数，由试验获得；

P₂—土体最大吸附力；

φ—土体特性参数，由试验获得；

y₂—土体最大吸附力出现位置；

(2)管道结构局部分离阶段：

式中：P_2-3—管道结构局部分离阶段土体作用力；

y₃—土体作用力消失点位置；

—土体特性参数，由试验获得；

(3)管道结构再次回压阶段：

式中：P_3-1—管道结构再次回压时土体作用力；

<mrow> <msub> <mi>c</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>o</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>o</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mi>&omega;</mi> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>i</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>p</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>e</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&pi;E</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> <mi>i</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

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式中：

ω—响应模态的圆频率；

E_Dissipated—土体吸附的弹性势能；

E_Elastic—土体阻尼消耗的能量。