海上大型沉管的沉放是施工中最为关键且危险的环节,恶劣的海洋环境可能会诱发沉管的剧烈响应而导致不可预知的后果,故海洋动力环境下沉管沉放系统的动力响应问题成为此类工程必须解决的核心问题之一。另一方面,沉管沉放系统为多浮体耦合系统,多浮体水动力耦合响应问题在理论上也颇具挑战性。采用物理模型试验方法,针对海上沉管沉放等待和沉放实施两个阶段具有理论与工程应用双重意义的关键问题开展研究。在沉放等待阶段(沉管-沉放驳刚接为单浮体系泊系统),重点研究了波浪作用下系统的动力响应规律和系泊方式选择问题;在沉放阶段(沉管-沉放驳由沉放吊缆柔性连接为多浮体系泊系统),重点研究不同沉放深度、负浮力和波浪条件下系统的耦合动力响应的变化规律;并将物理模型试验结果和数值计算分析相结合,对系统的耦合动力响应机理进行了探讨。主要结果如下:1)沉放等待阶段,受波浪平均漂移力影响,系泊浮体的水平平均位移在T<Troll时十分显著,可导致沉管+沉放驳系统在系泊等待的窗口周期时的系泊缆绳张力达到较大周期(T=2Troll)时的水平。在工程实际操作中需要特别注意。同时,甲板上浪会引起沉管-沉放驳系统的垂向平均位移量的增大,T=Troll时下沉位移量突出,这会增高管节撞击海底等工程风险。2)沉放阶段,沉管-沉放驳系统的运动响应和动力响应的频域特征主要取决于系统耦合响应模态和入射波浪谱特征。系统耦合响应模态的固有频率与运动响应和动力响应的峰值频域具有良好的对应关系。3)各响应模态中,系统耦合横摇共振的影响(即“横摇共振效应”)最为突出,该效应同时影响了系统的时、频域运动和动力响应。横摇共振效应在D/Dmax=0.80时最为显著:Tp=TRoll时沉管横摇和相对横摇可达Tp=1.25TRoll时的1.8倍,沉管纵摇可达1.6倍,吊缆张力可达1.2倍。此外,Tp=TRoll时沉管边角下沉量最大,撞击海底的风险最大。为规避横摇共振效应的影响,建议沉放作业时入射波浪周期小于D/Dmax=0时的系统耦合横摇的固有周期(Tp<TRoll(D/Dmax=0)),本试验系统中即Tp≤7s。4)沉管近底(沉深DD/max≥0.88)时,沉管的纵移、纵摇和回转三个运动分量会发生显著增大现象,即存在“近底效应”。D/Dmax=0.88时沉管回转可达D/Dmax=0.80时的5.1倍,沉管纵移可达3.0倍,沉管纵摇1.7倍。近底效应与入射波浪周期有关,建议定位准备时作业波浪周期小于D/Dmax=0.88时的系统耦合横摇的固有周期的0.5倍(Tp/TRoll(D/Dmax=0.88)<0.5),本试验系统中为Tp≤7s。5)沉放阶段,沉管和沉放驳之间的相对升沉和相对横摇变化分别是决定吊缆张力大小和总张力的分配的最直接因素:相对升沉控制了四根吊缆张力的总张力,而相对横摇决定了四根吊缆张力的同步离散度(张力分配)。相对沉放深度较小(D/Dmax=0.04)时,相对升沉对吊缆张力最大值起主要作用,而随沉放深度增大(D/Dmax=0.40～0.88),相对横摇对吊缆张力最大值的贡献更为突出。6)沉放初期的注水阶段,消除干舷(D=0m,η=0.0%)时,沉管几近失重状态,是整个系统的最不利时刻。此时,受沉管管节的甲板上水的影响,系统的相对升沉和相对横摇幅值突出,浮体间相互作用剧烈,极易引起吊缆的频繁松弛和突增。7)负浮力有正负双面效应,其正面效应在于可抑制系统横摇共振响应,特别是减小沉管和沉放驳之间相对运动及水平和垂向平均位移的幅度;负面效应在于增大了吊缆的初始张力水平。负浮力选择原则应在系统运动响应稳定性和吊缆绝对张力水平间取得平衡,试验认为获取该平衡的相对负浮力区间为1.3%～1.5%。8)沉放阶段,沉管-沉放驳系统的吊缆和系泊缆绳张力存在最不利沉放深度:中等沉放深度(试验中D/Dmax=0.40)对吊缆张力而言是最不利沉放深度;最小沉深(试验中D/Dmax=0.04)是沉管上系泊张力最不利沉深;近底沉深(试验中D/Dmax=0.88)是沉放驳上的系泊张力最不利沉深。