海洋工程装备是我们向海洋进发的方法和手段,随着科学技术的发展,这些工程装备不再局限于单纯的船舶工程,已经扩展到海洋工程所涉及的各个领域,而结构设计与构件设计是保证海洋工程装备正常服役的重要环节,任何海洋工程装备都需要具有足够的强度、刚度和稳定性。目前,由于波纹钢表面带有波纹,可以提高结构的稳定性和刚度,能够保证以最少的材料发挥最大的承载能力,所以波纹钢结构已经在结构工程中被广泛的应用,诸如管道、涵洞工程和波形钢腹板等等。鉴于目前海底管道主要以钢质圆管作为主要受力体,管径增大必须相应增加壁厚来保证管道的稳定性,所以研究提出将波纹钢―混凝土复合管道应用于海底管道中,以此来克服现有海底管道管径限制的问题。此外,波纹钢―混凝土复合平台结构具有较好的防火、耐久性和较高的刚度,可以以最少的材料来提供最大的跨度和刚度,并且这种平台结构具有通用性,所以研究提出将这种平台应用于海工结构平台板中,诸如浮岛、人工岛、跨海大桥等人类在海洋中居住、通行结构的平台板。上述两种复合结构均是在其他结构多年应用的基础上提出的新型结构,目前已见于工程应用,但对其力学机理、强度分析尚需进行深入探索,因此本文选择了波纹钢―混凝土复合管道和平台两种结构体进行强度分析与试验研究。通过室内试验的方法对波纹钢―混凝土复合管道和平台的力学性能和承载力计算方法进行研究。对波纹钢―混凝土复合管道进行室内加载试验,研究了不同内管复合管道的承载力和刚度、钢筋混凝土外管的破损程度、填充层强度、内管偏心对波纹钢―混凝土复合管道力学性能的影响,提出了波纹钢―混凝土复合管道承载力计算方法和荷载分配机理,并结合目前海底管道的设计方法提出了波纹钢及其复合管道应用于海底管道的在位强度计算方法。通过数值分析的方法研究了波纹钢―混凝土复合平台的截面应力分布、抗弯承载力,提出了波纹钢―混凝土复合平台抗弯承载力的计算方法与合理截面;采用抗弯试验研究了波纹钢的局部屈曲问题,提出了波纹钢局部屈曲的计算方法,为波纹钢―混凝土复合平台的设计提供了理论支撑。得到主要结论如下:如果仅采用波纹钢管道作为海底管道且管道直径小于7.7m时,则可借鉴AISI(American Iron and Steel Institute,美国钢铁协会)设计法进行管道设计抗力计算;如果管道跨径较大或者非圆形截面且埋置于海床下,则可采用CHBDC(Canadian Highway Bridge Design Code,加拿大桥梁设计规范)设计法进行管道设计抗力计算。波纹钢―混凝土复合管道的承载力高于钢管、HDPE(高密度聚氯乙烯)管―混凝土复合管道及单管结构的承载力和刚度,并且钢筋混凝土作为外管能够提高波纹钢管道的耐久性和局部稳定性;复合管道在两点加载作用下表现出“套管”(管中管)的力学性能,其承载能力依赖于组成复合管道的各个单管结构,轴力与弯矩在管体材料中的分配依赖于EA/D(刚性系数)和管道环刚度;复合管道的极限承载能力主要依赖于钢筋混凝土管和填充层,波纹钢管在复合管道中发挥的作用很小;钢筋混凝土管的破损程度对复合管道的影响较小,当钢筋混凝土管未发生完全破坏时,其复合管道的承载能力与完好无损的钢筋混凝土管道的复合管道相近;偏心复合管道的承载力计算方法与同心复合管道的承载力计算方法不同;采用本文提出的复合管道的承载力计算方法与实验承载力误差大多数小于20%,只有一个填充层为砂浆的复合管道的误差为30%,并且计算值是试验值的下限,这对工程设计是有利的。进行管道强度计算时,将内压与外压分开考虑,以获得较为保守的管道壁厚和波形;复合管道截面设计时,应将内外压力设计值根据管道的EA/D分配给不同的管体材料,然后分别验算它们是否满足各自的设计强度;由土压力或者其他荷载引起的不平衡力矩应根据管道的环刚度分配给不同的管体材料(组成复合管道的不同管环),再验算它们是否满足各自的设计强度。其耐久性设计可参考本文归纳的波纹钢防腐处理方法,并结合目前海底管道的防腐处置措施,可保证波纹钢及其复合海底管道的耐久性。波纹钢―混凝土复合平台只发生适筋破坏,即延性破坏;荷载―位移曲线在构件屈服前基本呈直线,屈服后进入强化段,还可继续承载;波纹钢―混凝土复合平台应设计成第一类截面;相应的增加波纹钢底板宽、减少顶板宽;保持截面面积不变的前提下,尽量减少斜腹板的宽度、增大弯折角度;合理的截面是受压区高度刚好等于波纹钢顶板上部的混凝土板厚,即中性轴刚好位于波纹钢顶板上边缘;波纹钢板的局部屈曲验算可以采用本文提出的屈曲计算模型,该模型将波纹钢板局部屈曲分解为:简化的平面刚架、顶板局部屈曲和腹板局部屈曲,并考虑三者的屈曲相关性;波纹钢截面选择时,如已知波形和板厚,则可确定波纹钢的临界荷载,再与波纹钢截面抗弯承载力进行对比,从而判别波纹钢是否发生局部失稳。