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钢悬链线立管(Steel Catenary Riser,简称“SCR”)是深水石油天然气开采中连接水下油气井与海洋平台的关键部件,关系着油气资源开采系统的安全性、施工成本及水下开采深度等问题。现阶段对钢悬链线立管的研究主要是数值模拟和模型试验两种方法,本文先通过数值模拟的方法对钢悬链线立管动力模拟中的相似问题进行验证,再通过已确定的相似关系进行动力模型试验,对钢悬链线立管的动力响应进行分析。 本文的主要研究工作如下: 1、总结了钢悬链线立管的研究及工程应用情况,汇总了相似理论的研究成果。 2、根据现有的相似理论对钢悬链线立管的动力模拟中的相似问题进行研究分析,以“抓住主要相似关系,适当的舍弃次要相似关系”为原则,结合工程实际背景提出一套适用于钢悬链线立管小比尺动力模型试验的相似关系。 3、由于本文采用的相似关系舍弃了严格几何相似的相似条件,为确保试验结果的有效性,采用数值模拟的方法对这两个相似常数对钢悬链线立管的动力特性的影响做了分析比较,计算得到的误差还是比较小,在可接受的范围内,为以后的模型试验提供了借鉴的经验。 4、根据本文中确定的相似关系,确定模型参数,进行动力模型试验。由于钢悬链线立管的实际约束情况比较复杂,在模型试验中需进行了一定的简化,下端约束采用铰支约束,上端考虑浮式海洋平台的比较大,采用释放一定水平位移的铰支约束。 5、由于管土相互作用的存在,钢悬链线立管的动力响应受海床土性质的影响比较大。因此,为接近实际情况,取大连市周边的近海粘土,对其进行筛分、排水固结。然后,用T-bar试验得到海床土的抗剪强度曲线,根据抗剪强度曲线,在Abaqus软件中可建立等效非线性弹簧模拟海床土。 6、试验工况采用正弦波、El-Centro地震波,借助试验室自主研发的振动台进行加载,得到结构的动力响应。根据模型试验数据,可知钢悬链线立管在振动过程中,一阶模态为水平弯曲振动,二阶模态为竖向弯曲振动,试验振动过程中应力最大值出现在管身与土的接触区域,与之前的研究成果一致,再次说明相似关系的准确性。