同陆上管道相比,海底管道工作环境条件恶劣,运行风险更大,失效概率更高,非常容易发生失效事故。一旦发生失效事故,将会造成巨大的人力、物力与财力的损失。海底管道悬跨段的出现将会增加管道所受的载荷作用力,使管道更易发生破坏,现服役的海底管道目前均存在不同程度的悬跨,严重影响海底管道的安全运行。因此,分析海底悬跨管道的力学特性及治理措施将对我国海底管道的设计、施工与维护有重要的指导意义。本文主要研究工作和成果如下:(1)调研国内外海底悬跨管道力学行为研究现状,总结前人在理论解析法、数值模拟法和实验研究中所取得的成果和存在的问题,总结海底悬跨管道常用的防护治理措施。(2)对海底悬跨管道进行研究,利用非线性理论、流体力学基本理论等分析海底悬跨管道的受力特性,研究管道悬跨破坏机理和失效类型,并分析海底悬跨管道力学特性的影响因素。(3)以海底自由悬跨管道为研究对象,采用ANSYS软件建立海底悬跨管道固有特性分析有限元模型,进行海底悬跨管道固有特性分析,计算分析海流速度、管道悬跨长度、管径与壁厚、混凝土配重层厚度、土体弹性模量等因素对海底悬跨管道固有特性的影响,并依据模拟结果对海底悬跨管道固有特性的影响因素进行相关性分析。(4)以海流作用下的海底自由悬跨管道为研究对象,基于海底悬跨管道固有特性分析有限元模型,考虑非线性的影响,建立管土耦合的海底悬跨管道力学响应分析有限元模型,模拟管土耦合的海底悬跨管道力学响应行为,计算分析海流速度、管道内压、土体弹性模量、管道悬跨长度、管材、管径与壁厚、混凝土配重层厚度等因素对海底悬跨管道力学特性的影响。(5)分析标准SY/T7056中海底悬跨管道应力计算公式的不足,基于管道参数、土体与管道内外流参数等对海底悬跨管道力学响应的影响规律,通过多元回归理论拟合得到本文海底悬跨管道应力计算公式。(6)建立多跨海底悬跨管道有限元模型,研究跨间支撑土体长度、相邻跨跨度比、跨间支撑土体特性等多跨因素对管道固有特性和力学响应的影响,并与单跨海底管道模拟结果进行对比分析。(7)提出海底悬跨管道的治理流程,从施加外力和降流促淤原理的角度出发,基于有限元模拟的相关规律,总结海底悬跨管道相关治理措施,提出本文涡激振动抑制装置等海底悬跨管道治理措施。