海洋油气资源作为目前世界上重要的能源形式,在社会经济发展中发挥着越来越重要的作用。而海洋立管作为海洋油气开发系统的重要组成部分,是油气运输的最为经济有效的方式。随着海洋油气工程不断向深海区域发展,深水立管面临着越来越大的挑战:复杂海洋环境条件、显著浮式结构动力响应以及管土相互耦合作用等。本文首先从解析和数值角度分别提出针对深水缓波型立管和陡波型立管的二维静力分析基本理论,建立合理的缓波型立管和陡波型立管数值计算模型,系统研究海流水动力荷载作用下深水立管的静力特性及其影响因素。然后通过改进细长杆理论模型提出适用于不同立管构型的三维静力/动力响应数值计算模型,深入研究柔性管弯曲滞回特性以及防弯器约束对立管运动响应的影响作用。最后,以舟山海上浮式平台“华家池”号所处海域作为研究背景,实地采集该海域的真实海洋环境数据,研究柔性管海上铺设作业的运动响应特征,系统地建立一套复杂海洋环境下立管铺设安装安全评估的理论研究体系,主要研究工作可以概述为以下几个方面:(1)基于深水缓波型立管(Lazy wave riser)不同管段受力特性进行分段力学分析,采用悬链线法和线性梁理论的组合方法建立综合考虑海流水动力荷载和线性海床抵抗力等影响的二维静力数值计算模型,通过循环迭代进行数值求解,极大提高模型计算速度,深入研究缓波型立管构型、内力以及管道埋深等静力特征,并通过OrcaFlex有限元软件计算结果进行对比验证。(2)基于大变形梁理论,提出深水陡波型立管(Steep wave riser)的二维静力力学分析模型和计算方法,充分考虑立管抗弯刚度和水动力荷载等影响作用,采用有限差分法进行数值求解。基于该数值计算结果,建立陡波型立管两端防弯器约束下局部力学模型,针对该两点边值问题利用MATLAB内置bvp4c函数进行数值求解,并通过OrcaFlex有限元软件计算结果进行对比验证,进一步研究陡波型立管构型以及内力分布特征,并揭示防弯器和立管弯曲变形之间的内在关系。(3)建立三维复杂海洋环境下适用于不同布置构型的立管整体静态/动态响应理论分析模型,分别采用文克勒地基模型和修正库伦摩擦模型模拟管道-海床竖直相互作用和侧向相互作用,采用活塞流模型模拟管道内流作用,开展顶端简谐垂荡激振作用下钢悬链线立管和缓波型立管两种工况的案例分析,探究顶端简谐垂荡激振对钢悬链线立管和缓波型立管运动响应的影响规律。(4)建立三维复杂海洋环境下柔性立管整体静态/动态响应理论分析模型,充分考虑防弯器约束作用以及柔性管弯曲滞回特性,更加精确地预测柔性立管顶端区域和触地区的静力特性和动力响应。结合顶端简谐垂荡激振作用下柔性立管运动分析案例,揭示防弯器约束以及柔性管弯曲滞回特性对立管整体运动响应的影响规律,探究防弯器约束下顶端立管与防弯器相互作用机理。(5)实地收集舟山海上浮式平台“华家池”号所处海域的真实海洋环境数据,充分考虑波浪流水动力作用及铺管作业平台运动等动态环境影响因素,采用试验方法测试柔性管轴力-应变以及弯矩-曲率非线性关系,开展柔性管海上铺设作业的运动响应计算分析,建立完善的海上柔性管铺设作业的安全评估体系,为柔性管海上铺设提供参考建议。