压（拉）-弯-扭及疲劳荷载作用下碳素钢-混凝土-不锈钢复合海底管道工作机理及设计方法研究

Safety of submarine pipeline under harsh environmental (such anchor pull-over, scour induced free span) and corrosion conditions has been significantly concerned by engineering sectors. Composite pipelines consistent of external carbon steel tubes, sandwiched concrete and inner stainless steel tubes may provide significant load-carrying capacities and anti-corrosion properties. However, existing studies on the structural behaviors of this type of composite pipelines are limited. This project aims to investigating the mechanism of the carbon steel-concrete-stainless steel composite pipelines under compression-bending-torsion conditions and cyclic loadings stress, through both experimental and theoretical approaches. The mechanism include the composite actions between the constituent components, loading-deformation histories and pipeline stress range-cycles at failure relationship etc. The classical failure modes and structural response including ultimate strength and S-N curves are obtained. Influences of key parameters including material strength, geometries, loading ratio etc. on the structural behavior of the proposed pipeline have been investigated through parametric studies. Prediction equations on ultimate strength under compression-bending-torsion condition and fatigue life under cyclic loading and detailing have been proposed accordingly, where employment of such composite pipeline in industry may be benefited. The findings by this study may provide reference for future engineering application of such composite pipeline.

海底管道在恶劣环境（如落锚拖拽，冲刷悬空）和油气腐蚀条件下的安全性和耐久性问题一直是有关工程界关注的焦点。由外层碳素钢管，夹层混凝土和内层不锈钢管组成的复合海底管道，具有承载力高、耐腐蚀等优点，但目前国内外尚缺乏对该类结构力学性能的系统研究。本项目拟以碳素钢-混凝土-不锈钢复合海底管道为研究对象，通过试验和理论分析，研究其在压-弯-扭及疲劳荷载作用下的工作机理，包括受力过程中不同材料之间的组合作用，管道结构的荷载-变形关系，钢管应力幅值-疲劳失效循环次数关系等。揭示该类结构典型破坏形态以及静力和疲劳性能（S-N曲线）的变化规律，研究其在受力过程中各组成部分之间的共同工作特点。在系统分析材料强度、几何尺寸、荷载比等主要参数对该类结构静力和疲劳性能影响规律的基础上，提出其在压-弯-扭及疲劳荷载作用下静力和疲劳性能计算公式以及实用构造措施，为该类结构应用于海底管道提供依据。

海底管道在恶劣环境（如落锚拖拽、冲刷悬空）和油气腐蚀条件下的安全性和耐久性问题一直是有关工程界关注的焦点。由外层碳素钢管，夹层混凝土和内层不锈钢管组成的复合海底管道（以下简称“中空夹层复合管”），具有承载力高、耐腐蚀等综合优势，可作为应对上述工程问题的优选结构形式，但目前国内外尚缺乏对该类结构力学性能的系统研究。本项目通过开展试验研究、数值模拟与理论分析，在组合作用机制、承载能力变化规律等方面开展研究，取得的主要成果包括：（1）全新提出了钢管-混凝土等界面性能推出滑移试验方法，创新建立了钢管-混凝土等界面本构模型；（2）进行了中空夹层复合管道在复杂受力作用下的试验研究和有限元分析，提出了承载力实用计算方法；（3）进行了双金属复合管道在压、弯、扭及其复合受力状态下的试验研究和有限元分析，提出了承载力实用计算方法；（4）进行了中空夹层复合管道疲劳性能试验，建立了基于损伤力学和扩展有限元法的疲劳寿命分析模型，提出了中空夹层复合管道受弯疲劳寿命计算方法。本项目深入分析压-弯-扭和疲劳荷载下的中空夹层复合管和双金属复合管的工作机理，全新提出了新型中空夹层复合管道结构形式，及其承载力和疲劳寿命计算方法，可为相关极端环境下海底管道的设计工作提供重要依据。基于本项目，发表SCI检索论文16篇，出版著作1部，授权中国发明专利4项，授权美国发明专利2项，制订国家和团体标准5部。