非线性管土作用下钢悬链式立管动力响应分析

钢悬链线立管(SCR)在上部浮体运动和波流荷载激励下会与海床土相互作用,传统的线性海床模型假定荷载位移关系是线性的,没有考虑管土相互作用的非线性过程和海床土吸力的影响,本文基于大挠度柔性索理论的钢悬链式立管动力分析程序CABLE3D,将立管受到线性海床的弹性支撑力扩充为立管受到的海床垂向力,充分考虑管土非线性相互作用,并考虑海床土吸力对钢悬链式立管触地点区域的影响,开发出新的动力分析程序。程序采用非线性有限元方法对控制方程进行离散,时域内采用Newmark-β法,求解给定上部浮体运动条件下,SCR的动力响应,通过算例对线性刚度海床和非线性刚度海床进行对比,并分析了不同海床刚度对SCR触地点动力响应和疲劳损伤的影响。结果表明:非线性海床刚度模型比线性海床刚度模型更接近真实的管土作用过程;在非线性海床刚度模型下,海床土刚度越大,SCR触地点区域垂向位移响应越小,应力幅值越大,疲劳损伤越严重。

海床土刚度对钢悬链线立管触地点动力响应的影响分析

基于大挠度柔性索理论,分别采用大挠度曲线梁、弹性地基梁模拟钢悬链线立管的悬垂段和流线段,揭示触地点在不同海床刚度和浮体运动条件下的动力响应。其中,SCR控制方程的建立和求解采用非线性有限元法,数值积分采用Newmark-β法,海床约束采用弹簧-阻尼系统模拟。结合SCR顶端的运动边界条件,求解线性波浪载荷条件下SCR触地点的动力响应及应力状态。通过工程算例,分析海床刚度对SCR触地点挠度及应力大小的影响。研究表明:海底土刚度越大,SCR的极限应力越大,疲劳损伤越严重;SCR的竖向运动,将会引起触地点处的峰值弯曲应力。

非线性管土耦合作用下钢悬链式立管触地区敏感性分析

浮体运动和海床土刚度是引起钢悬链式立管(steel catenary riser,简称SCR)管土相互作用的关键因素,将导致SCR触地区的疲劳损伤。以工作水深为1500 m的浮式平台上生产立管SCR为研究对象,基于法向抗力模型和侧向阻力模型建立管土作用模型,在环境载荷和浮体运动作用下,开展SCR与浮式平台的整体分析,研究海床土参数对SCR触地区动态响应和疲劳寿命的敏感性。通过改变海床土的不排水抗剪强度Su0、强度梯度ρ、吸力因子f_(suc)、吸力衰减参数λ_(suc)以及再贯入系数λ_(rep)等,得到不同参数对触地区动力响应、疲劳寿命的影响规律。研究结果表明:①基于软黏土海床,随着不排水抗剪强度Su0的增加,触地区立管疲劳寿命减幅达到33.23%,敏感性最高;②吸力因子f_(suc)越大,立管疲劳寿命越小且减幅达23.77%,其敏感性较高;③随着再贯入系数λ_(rep)增大,触地区立管疲劳寿命增幅达到15.48%;④海床抗剪强度梯度ρ和吸力衰减参数λ_(suc)对立管疲劳寿命影响较小。研究结论能为SCR设计分析及安全服役提供重要参考。

基于整体分析的钢悬链线立管触地点动力响应分析

在立管动力平衡系统的力学模型中考虑浮式平台的惯性作用和管-土相互作用,研究在不同参数激励下钢悬链线立管触地点动力响应。基于大挠度柔性索理论,分别采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁、弹性地基梁模拟立管的悬垂段和流线段,考虑触地点处的大曲率,建立了立管的三维有限元模型,利用Galerkin方法对运动方程离散为一组非线性二阶常微分方程,运用Newmark-β法求解离散方程。通过在立管的动力方程中引入δ函数来体现浮式平台对立管的惯性和水动力影响,将悬链线立管与浮式平台作为一个整体进行动力分析,以工程中实际使用的1800m水深的钢悬链线立管为例,通过对立管顶部进行谐波激励,分别就水动力系数、管内流体密度和海床土体刚度对立管特征点动力分析的影响进行分析,研究表明:水动力系数的改变对立管触地点的动力响应的影响较为显著,主要体现在弯矩和张力幅值的增加;管内流体密度不同,触地点位置不同,表明立管在输送不同液体或气体可能发生疲劳破坏的位置也不同;而海床土刚度对立管触地点区域的弯曲应力影响较大,对轴向应力则影响不大,其结果对SCR设计具有重要的指导意义。