非线性管土模型在海底管道悬跨疲劳评估中的应用

王 猛

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

在海底管道自由悬跨分析中，管土作用对悬跨静态平衡和动态响应有重要影响。在静态分析中，应考虑沿管道的海床轮廓。例如，对于斜度较大的海床，静力平衡中需要考虑土壤轴向摩擦力。在动态分析中，土壤约束条件影响管道的自然频率，而管土接触力作为阻尼力直接影响管道的动力响应。如果考虑非线性接触力，则必须在动态分析中考虑土壤刚度和阻尼的短期和长期特性。

近年来，学者们对管土接触模型展开了深入研究。Bridge等[1]分析和总结了STRIDE和CARISIMA[2]两个国际工业联合研究项目取得的实验数据和成果，提出了土壤支撑力与吸力的循环模型。Aubeny等[3-4]在Bridge等的模型基础上， 相继提出了非衰减和衰减刚度的管土模型。Nakhaee等[5-6]根据Aubeny等提出的管沟底部海床刚度具有衰减效应的模型，并改进了程序CABLE3D。You[7]讨论了海床与钢悬链立管作用的数值模型，提出了简化的弹簧支撑模型。基于Bridge和Aubeny的管土模型，Randolph等[8]提出了新的模型数学表达式。

本文将非线性管土作用模型应用于海底管道悬跨评估，分析该模型对管道悬跨疲劳的影响。

1 土壤模型

1.1 非线性模型

Randolph等[8]基于Bridge[1]和Aubeny[2]的管土模型，提出了新的管土模型的数学表达式。管土相互作用的P-y曲线如图1所示。土壤的极限支撑力和极限吸附力作为土壤力的包络线。根据实验数据和有限元分析结果，使用幂指数函数拟合得到较好的结果。

图1 典型的土壤P-y曲线

式中：Nc为支撑力系数，当z/D＞0.1时，Nc=a(z/D)b；……