[发明专利]一种管土动态耦合作用分析方法

摘要

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。

主权项

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·yb)土体阻尼作用：$f_d=c_{soil}\·\stackrel{\·}{y}$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；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：$P_1=a{\left(\frac{y_1}{D}\right)}^b(S_{u0}+S_{ug}{y}_1)D$$P_{1-2}=P_1+\frac{y-y_1}{\frac{1}{k_0}-\frac{y-y_1}{(1+\mathrm{\υ})P_1}}$P₂＝‑φP₁$y_2=y_1-\frac{(1-\mathrm{\υ})P_1}{k_0}\frac{1+\mathrm{\φ}}{\mathrm{\υ}-\mathrm{\φ}}$式中：y₁—管道结构嵌入土体的最大深度；P₁—最大土体作用力；a—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，由试验获得；b—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，由试验获得；S_u0—海底泥面土体不排水抗剪强度；S_ug—海底土体不排水抗剪强度垂向增量；D—管道结构外径；P_1‑2—管道结构回弹阶段土体作用力；υ—土体特性参数，由试验获得；k₀—土体特性参数，由试验获得；P₂—土体最大吸附力；φ—土体特性参数，由试验获得；y₂—土体最大吸附力出现位置；(2)管道结构局部分离阶段：$P_{2-3}=\frac{P_2}{2}+\frac{P_2}{4}\[3\left(\frac{2y-(y_2+y_3)}{(y_2-y_3)}\right)-{\left(\frac{2y-(y_2+y_3)}{(y_2-y_3)}\right)}^3\]$式中：P_2‑3—管道结构局部分离阶段土体作用力；y₃—土体作用力消失点位置；—土体特性参数，由试验获得；(3)管道结构再次回压阶段：$P_{3-1}=\frac{P_1}{2}+\frac{P_1}{4}\[3\left(\frac{2y-(y_1+y_3)}{(y_1-y_3)}\right)-{\left(\frac{2y-(y_1+y_3)}{(y_1-y_3)}\right)}^3\]$式中：P_3‑1—管道结构再次回压时土体作用力；由于土体非线性迟滞环与管道结构嵌入土体的最大深度有关，根据管道结构的运动情况，对管道结构嵌入土体的最大深度进行实时更新；又由于海床土体对管道结构的支撑刚度与管道结构所处的位置和运动方向有关，故：当管道结构上升远离土体，且管道结构位置处于y₁和y₂之间时，土体支撑刚度为：$k_{soil}=k_{12}=\frac{(\mathrm{\υ}-\mathrm{\φ})k_0}{1+\mathrm{\υ}};$当管道结构上升远离土体，且管道结构位置处于y₂和y₃之间时，土体支撑刚度为：$k_{soil}=k_{23}=-\frac{{\mathrm{\φk}}_0(\mathrm{\υ}-\mathrm{\φ})}{\mathrm{\ψ}(1+\mathrm{\υ})(1+\mathrm{\φ})};$当管道结构下降压缩土体，且管道结构位置处于y₁和y₃之间时，土体支撑刚度为：$k_{soil}=k_{31}=\frac{k_0(\mathrm{\υ}-\mathrm{\φ})}{(1+\mathrm{\ψ})(1+\mathrm{\υ})(1+\mathrm{\φ})};$其它状态下，土体支撑刚度均为零；土体阻尼系数可以根据下式确定：$c_{soil}=\frac{k_{soil}}{\mathrm{\ω}}\frac{E_{Dissipated}}{2{\mathrm{\πE}}_{Elastic}};$$E_{Dissipated}=\left|\underset{y_3}{\overset{y_2}{\∫}}{P}_{2-3}dy\right|+\underset{y_3}{\overset{y_1}{\∫}}{P}_{3-1}dy-\underset{y_2}{\overset{y_1}{\∫}}{P}_{1-2}dy$$E_{Elastic}=\left|\frac{k_{12}(y_1-y_2)}{2}\right|+\left|\frac{k_{23}(y_2-y_3)}{2}\right|+\left|\frac{k_{31}(y_1-y_3)}{2}\right|$式中：c_soil—土体阻尼系数；k_soil—线性化的土体支撑刚度；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。