海洋立管是连接海上平台和海底井口的关键装备,在浮体运动、环境载荷和内流等作用下引发复杂的流固耦合问题,当漩涡脱落频率与立管固有频率接近时,系统将在一定的流速范围内被激发锁振,导致立管结构失稳产生剧烈的大幅振动,并加速疲劳损伤。海洋立管广泛以“串”、“列”及“群”的结构形式存在于实际工程中,海流流经立管群时,相邻立管的尾流、间隙流互相干涉,多重流体的非线性叠加以及尾流的多样性改变了立管的涡激振动规律,其尾迹漩涡脱落模式、结构受力以及流固耦合机制与孤立管涡激振动相比存在显著差异。随着油气开发水深的增大,立管长细比及柔性加大,干涉效应的影响愈发明显,显著增大立管的服役风险。开展耦合干涉效应的立管群涡激振动机理研究对立管安全服役具有重要的工程意义,也是目前针对立管涡激振动亟待解决的关键问题之一。本文以“管群结构—管间流体”为载体,选择“三立管系统”为研究对象,于中国海洋大学波流联合水槽内进行了耦合干涉效应的站立姿态管群变角度涡激振动试验,相邻立管以4倍立管直径的距离等间隔布置,外流激励在0.1-0.6m/s的流速范围内变化,变换立管群轴线与来流方向的夹角,其角度配置为0°、30°、45°、60°和90°。将裸光纤光栅技术(BFBG)应用于水下涡激振动试验测试,采用高清摄像机全程监测,并建立了尾流振子模型进行孤立管涡激振动数值模拟,将模拟结果与试验数据进行对比分析。基于BFBG所获应变信号和模态分解理论得到立管群任意位置的位移幅值,基于快速傅里叶变换及小波分析方法在频域、时域内研究结构振动频率,并运用S-N曲线法和Miner线性准则计算立管群累积疲劳损伤。引入“频率干涉比”、“位移干涉效率”、“疲劳损伤干涉效率”概念划分出干涉增强、抑制区域,分析了角度变化下耦合干涉效应的立管群频率、位移、疲劳损伤相对孤立管动力响应变化规律。研究结果发现,模型试验测得的立管动力响应参数变化与数值模拟结果吻合度较高,验证了模型试验过程控制的可行性与试验数据的准确性。尾流的遮蔽效应是影响0°、30°中、下游管振动的主控因素,导致了 0°管群斯特劳哈尔数逐渐减小及中、下游立管主导频率骤降。边壁效应主要体现在45°、60°、90°立管群结构,整体上增大立管群振动频率。多重流体对变角度管群的干涉效应导致模态转换的强度不同,模态转换导致了 45°管群展向相对位移在顺流向最大,其振动轨迹向来流方向偏斜。横向疲劳损伤比顺流向高至1-2个数量级,尤其45°、60°管群顺流向疲劳损伤程度高于其他角度,且60°布置下以斯特劳哈尔数为参考依据的主导频率达到峰值、以行波特性为标志的振动模态转换最为强烈。角度变化下,横向及顺流向干涉效果差异显著,频率干涉比、位移干涉效率以及疲劳损伤效率未表现出一致性。在低流速下,多频率输入导致立管疲劳损伤大大加剧,管间流体对邻近立管的干涉效应比高流速更加强烈,因此对于低流速下尾流反馈效应以及间隙流对立管的干涉作用仍不容忽视。