南海油气资源丰富,是我国重点开发的海域之一。随着油气资源的开发逐渐由近海向深海发展,海洋平台也逐步由固定式平台向浮式平台转变。由悬垂段、触地段和海底水平段组成的钢悬链线立管成为连接海洋浮式平台与海底输油管道的重要结构。然而,浮式平台相对较柔,在波浪海流等复杂的海洋环境下会产生振动和漂移。平台的运动牵引立管触地段的运动,诱发触地段海底管道的损伤破坏。我国南海处于环太平洋地震带的地震高发区,海底地质条件复杂,发生地震的频率与强度均较高。在役立管触地段海底管道所受的复杂荷载对其安全运行构成严重的威胁。本文开展了一系列的试验研究和数值模拟,探究了深海立管触地段的抗震性能以及在工作内压、环境外压、动力循环荷载等复杂荷载作用下立管触地段完好管道与损伤管道的静力特性、动力响应及其损伤破坏机理。在此基础上详细考虑在役立管触地段海底管道可能存在的体积损伤(包括损伤程度和损伤位置)及其承受的复杂荷载(包括管道所受的工作内压、环境外压、海洋平台牵引引起的位移荷载以及地震动荷载等)建立了在役海洋立管触地段海底管道基于结构极限状态的安全评价模型,并将此模型应用于一组基于假设监测数据的在役海洋立管触地段海底管道的安全评价。本文的主要研究内容如下:(1)建立一套立管与海床相互作用的模型试验系统,开展一系列缩尺模型试验。首先分步骤地研究了 PVC模型管道和人工固结海床的物理力学性质;接着开展了模型立管在刚性基础上的提升试验,获得了立管触地段的静应力分布;最后进行了管-工作用模型在振动台上的模态试验和地震动试验,得到了管-工作用模型分别在水平方向和竖直方向的前三阶固有频率和相应的振型、以及沿立管触地段轴向和环向的一些特征点在不同地震荷载作用下的地震动响应,并对一些关键的地震动激励参数进行了详细的分析。(2)基于Winkler弹性地基模型确定土体抗力及其沿管道环向的分布,同时结合我国南海的地质条件,利用有限单元法将土体抗力离散成土弹簧,建立了适用于海洋立管触地段管-土相互作用的改进的Winkler弹性地基模型,并由室内模型试验验证该模型的可靠性。该模型在数值计算过程中考虑了管道和海床在相互作用中的几何非线性和接触非线性。该模型不仅可以模拟损伤管道,还可以模拟管壁所受的内压、外压等压力荷载,从而获得管道不同节点处的静力状态及动力响应。(3)运用改进的Winkler弹性地基模型,以有限元软件ABAQUS为平台,将该模型应用于完好的全尺寸触地段海底管道的力学分析以探究触地段海底管道在不同静力荷载组合下的结构形态、应力分布、动力特性以及海洋立管触地段各关键点在动力循环荷载作用下的动力响应,对复杂荷载作用下的完好立管触地段海底管道进行损伤分析。(4)在立管触地段的不同位置引入一定的体积损伤,对于环体积损伤海底管道和点体积损伤海底管道,开展触地段损伤管道在复杂荷载作用下的响应研究及损伤分析。针对环体积损伤海底管道,探究损伤结构的动力特性及动力响应;针对点体积损伤海底管道,探究其极限内压承载力。(5)基于模型试验及数值模拟的研究结果,综合分析在役海洋立管触地段海底管道的结构特点以及可能存在的体积损伤,运用结构极限状态理论,归纳出与海洋立管触地段管道结构失效密切相关的评价指标并对其量化。在此基础上,将未知测度理论和结构极限状态理论相结合建立在役海洋立管触地段海底管道的安全评价模型,并将此模型应用于一组基于假设监测数据的在役海洋立管触地段海底管道的安全评价。