一种管土相互作用分析方法

摘要

本发明公开了一种管土相互作用分析方法，该方法包括建立管土相互作用模型、采用循环迭代的方法计算管道的位移和管道嵌入土壤深度等步骤。其优点在于：考虑了海底土壤泥面处不排水抗剪强度和土壤不排水抗剪强度垂向增量、管沟形状、管道结构表面粗糙度、管道自重和安装作用力等因素对管土相互作用的影响，采用循环迭代的方法计算管道的位移和管道嵌入土壤的深度，从而建立一个新的管土相互作用的分析方法，解决了海洋管道在安装过程中与海底土壤相互作用的问题，为海洋管道安装的安全可靠性提供了分析途径和理论依据。

主权项

一种管土相互作用分析方法，其特征是，该方法包括以下步骤：(1)建立管土相互作用模型：KY＝F$k_i=a{\left(\frac{y_i}{D}\right)}^b(S_{u0}+S_{ug}{y}_i)\frac{D}{y_i}$式中：K—总刚度矩阵；Y—管道各结点位移矩阵，Y＝[y₁ … y_i …]^T，可采用有限元法或者有限差分法用各连接结点的位移表示整个连续管道的位移；F—管道受到的总外力矩阵，包括管道自重和安装作用力；k_i—在i结点处土壤对管道的支撑刚度；y_i—在i结点处管道嵌入土壤深度；a—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，可由试验得到；b—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，可由试验得到；S_u0—海底泥面土壤的不排水抗剪强度；S_ug—海底土壤不排水抗剪强度垂向增量；(2)采用循环迭代的方法计算管道的位移和管道嵌入土壤深度，具体的计算步骤如下：A.给海洋管道各结点嵌入土壤深度设定微小的初值：$Y^0={\left[\begin{array}{cccc}{y}_1^0& ...& y_i^0& ...\end{array}\right]}^T;$B.计算各结点海底土壤对管道的支撑刚度：$k_i^j=a{\left(\frac{y_i^j}{D}\right)}^b(S_{u0}+S_{ug}{y}_i^j)\frac{D}{y_i^j};$式中：i—管道第i个结点，i＝1,2,…；j—第j次迭代，j＝0,1,2…；C.综合土壤支撑刚度和管道结构刚度形成总刚度矩阵，综合管道自重和安装作用力形成总外力矩阵,对管道位移进行计算：Y^j+1＝F/K；式中：Y^j+1—第j+1次迭代管道的位移；K—总刚度矩阵；F—总外力矩阵；D.如果(i＝1,2,…)，η为预先设定的计算精度，则继续进行迭代计算，令：Y^j＝Y^j+1，j＝j+1，如果则(i＝1,2,…)，然后重复B和C的计算；E.如果(i＝1,2,…)，则终止计算，得到管道位移和管道嵌入土壤深度。