目前陆地和浅海的油气资源已经不能满足人们日益增长的能源需求,深海油气开发成为海洋石油和天然气行业所面临的主要任务。近年来在我国东海、南海和渤海等海域勘探到许多的深海油气田,但目前我国还未具备深水油气田的开发能力,特别是在深水管道铺设方面缺乏海上施工经验和深水铺管装备。S型铺管法作为目前工程中应用最多的海底管道铺设方法,采用托管架支撑并引导管道以设计的曲率和角度入水,管道的铺设形态呈现S形。与其它铺管方式相比,S型铺管法具有铺设速度快、作业效率高和适用性强等优点,适合于解决深远海油气田的管道安装问题,是我国深海油气开发急需的关键技术之一。S型管道铺设过程涉及了管道、托管架和铺管船等多个结构的非线性相互作用,在深水铺设分析和设计中所面临的主要挑战有以下三个方面:(1)在分析和设计管道铺设形态时难以考虑上弯段与托管架之间的相互作用,这对于深水S型管道铺设的作业安全尤为不利;(2)铺设过程涉及了几何大变形、弹塑性变形和接触作用等多种非线性因素的耦合影响,导致数值仿真分析难以准确求解托辊荷载和管道应变响应;(3)海洋环境和船体运动等动力荷载能影响管道与托管架之间的相互作用,导致深水S型管道铺设的动力问题求解困难,难以准确预测管道与托管架之间的托辊动荷载,无法保证管道与托管架结构在动力铺设过程中的作业安全。上述深水S型管道铺设问题也是目前海洋工程界和学术界所关注的研究热点,本论文将其纳入一整体研究框架进行探讨,并基于解析分析、数值仿真和模型实验方法,分别对管道铺设形态设计、上弯段非线性耦合作用及托辊动荷载等关键问题进行了系统的分析与研究,具体如下:(1)提出了 S型管道铺设形态分析的分段解析方法,能考虑离散托辊对上弯段管道的影响。分别建立了上弯段、直弯段和垂弯段管道的控制微分方程,采用数值迭代算法对管道控制方程进行定解,分析了铺设水深、管道尺寸、托管架半径和托辊间距等设计参数对管道铺设形态和内力分布的影响,研究结果表明铺设水深和管道尺寸越大,则上弯段管道的张力和弯矩也越大;托管架半径和托辊间距对管道铺设形态和张力的影响很小,减小托管架半径或增大托辊间距将引起上弯段弯矩的增大。(2)采用“面-面”接触模型研究了深水S型铺设中管道与托辊箱多个托辊之间的非线性接触问题。建立了管道、托辊箱和托辊的三维有限元模型,在铺设分析中考虑了管道几何大变形、弹塑性变形和管道与多个托辊的面接触等多种非线性因素的耦合作用,研究了张紧力对管道与托辊箱之间的接触状态以及上弯段管道应变的影响,研究结果表明托辊箱上只有前后两个托辊能接触到管道,两侧托辊没有提供给管道支撑力;张紧力的大小能影响管道与托辊箱之间的接触状态和接触力,合理设计张紧力能使管道重量在最大程度上均匀地分配到各个托辊箱。(3)设计了深水3000米S型铺设的动力子结构模型实验,研究了船体运动对管道与托管架之间动力相互作用的影响。在实验室内搭建了中大比尺托管架、管道模型的实验平台,利用六自由度运动台模拟了船体升沉、横摇和纵摇方向的耦合运动对管道与托管架相互作用荷载的影响,研究发现迎浪情况下的船体运动对托辊荷载的动力放大效应较为显著,个别托辊与管道之间存在动力冲击作用,产生了很高的动力放大系数。(4)提出了托管架动力铺设的解耦分析方法,能准确评估托管架的结构设计与作业安全。将模型实验测量的托辊动荷载变换到原型,以外力的形式加载到托管架有限元模型,采用MPC刚性梁连接的方法将船体运动传递到托管架,分析了在不同来浪方向下托管架进行铺管作业时的瞬态动力响应,结果表明最大动应力集中出现在节间连杆、主铰点和悬吊点等托管架的连接结构,并且主铰是应力集中最为严重的连接结构。(5)基于Miner疲劳累积损伤理论,对动力铺管过程引起的托管架连接构件的疲劳问题进行了研究。根据不同类型管节点的应力集中系数公式,计算了主铰点和悬吊点的热点应力。根据Palmgren-Miner线性累积损伤准则,分析了不同来浪方向的管道铺设工况对托管架的主铰点、悬吊点和节间连杆所造成的疲劳损伤程度,结果表明迎浪铺管对于托管架连接构件造成的疲劳损伤最大,在同一铺设工况中主铰点比悬吊点和节间连杆受损更严重。