彈塑性海床上海底管道的穩(wěn)定性分析

(北京建筑工程學(xué)院 理學(xué)院，北京 100044)

波浪引起的水動(dòng)力載荷是作用在海底管道上的最主要的動(dòng)力荷載，而海床土壤提供給管道的側(cè)向阻力是管道得以穩(wěn)定的主要因素。海底管道的穩(wěn)定是一個(gè)波浪、管道和海床之間動(dòng)力耦合作用的復(fù)雜問題，研究管土相互作用，正確評(píng)價(jià)土體對(duì)管道阻力的作用，對(duì)于確保管道的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)型，對(duì)于完善有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范都有著重要的意義。

20世紀(jì)80年代以來，國(guó)外許多科研機(jī)構(gòu)采用機(jī)械式反復(fù)加載的方式深入研究了裸置管道的管土相互作用，并提出了管土相互作用模型。這些結(jié)論已歸結(jié)到“美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)”和“挪威船級(jí)社”所制訂的海底管線的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)規(guī)范中[1-5]。許多學(xué)者在數(shù)值模擬方面做了許多研究工作[6-7]。本文采用有限元計(jì)算軟件對(duì)管土系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 土體本構(gòu)模型

由于管道是設(shè)置在海洋環(huán)境中，波浪引起的載荷性質(zhì)為動(dòng)態(tài)的。因此，采用Ramberg-Osgood彈塑性模型作為土體的本構(gòu)關(guān)系。土性參數(shù)見表1。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的骨干曲線為

(1)

式中：E——彈性模量；

ε——應(yīng)變；

σ——應(yīng)力；

σ0——屈服應(yīng)力；

n——非線性項(xiàng)的硬化參數(shù)；

α——屈服偏移量。

表1 土性參數(shù)

2 有限元模型

在數(shù)值計(jì)算中，將管道視為線彈性材料，其彈性模量、泊松比分別為E=210 GPa，v=0.3。管道用8節(jié)點(diǎn)單元，海床用4節(jié)點(diǎn)單元，考慮到管線周圍的應(yīng)力集中，在管線及其附近采用了局部加密網(wǎng)格。有限元模型見圖1。

2.1 管-土接觸效應(yīng)

在海床-管線的相互作用分析中，當(dāng)有荷載作用時(shí)，海床土體與管線交界面上可能產(chǎn)生剪切滑移，因此需要設(shè)置接觸面單元。……