非粘结柔性管由于其众多的结构配置和对海上应用的适应性而被广泛用于海上领域。此外，它们还具有方便运输和安装的特点。实际上，与均质钢管相比，它们不仅可以提供相同的强度，同时具有非常高的弯曲柔韧性，如相关文献［1］中所述。它们由多层不同材料组成。一个典型的例子是SSRTP，如图13.1所示。它通常由内层PE、钢带缠绕增强层和外保护层组成。内层PE的主要作用是避免腐蚀和泄漏，外保护层是防止海水与钢筋直接接触。钢带缠绕增强层由可变数量的螺旋钢带层沿管长度连续缠绕组成，可用来承受内外压及轴向拉力等，如Bai等［2］所述。

图13.1　SSRTP的纵向剖面图和横截面图

在深海环境下，管道需要足够的增强层来抵抗外压。例如骨架层、抗压铠装层和抗拉铠装层。在本章中主要研究骨架层在外压环境下的力学性能。

骨架层作为管道的最内层，是与液体直接接触的唯一组件。其主要目的是承受静水压力和快速减压。它是通过螺旋缠绕角度接近90°的波纹金属制造的，以便在径向方向上提供刚度和强度，如Bai等人［3］所述。(www.daowen.com)

在过去几十年中，关于柔性增强管的研究取得了巨大进展，受到外压时管道的压溃行为对于结构完整性的最终允许极限状态标准至关重要，如相关文献［4-5］中所述。自锁结构的压溃行为与管道屈曲严格相关。Sanchez［6］证明了对于这种情况必须考虑初始缺陷，防止低估临界屈曲载荷。因为壳结构相对于横截面的椭圆度具有高度敏感性，因此在有限元模型中可采用壳结构。除了外部压力之外，组合载荷还可能使管道产生较低的临界点。Gay Neto等人［7］分析了一项关于外压对自锁骨架层影响的研究，比较了3D全管和3D环模型的有限元结果，发现可利用环模型来节省计算时间。这两种模型同时也考虑了缺陷的影响，它们在横截面周围对称分布，因此可只考虑环的一半。Bai等人［2］讨论了受外压荷载下复合管的力学行为，与相应的试验和数值模拟相比，理论模型中SSRTP的屈曲压力较小。管道抗外压能力由钢带层和HDPE层一起提供，因为HDPE层的屈服应力低，因此考虑了塑性行为。除了其他参数研究之外，还包括考虑初始缺陷的影响。Bai等人［8］深入研究了非粘结多层管道的湿压溃，考虑了初始缺陷，将理论结果与不同压溃模式的试验测试和2D有限元分析进行了比较。唐等人［9］使用应变能量方法来获得自锁骨架层的压溃载荷，考虑了具有等效刚度的均质壳体上的缺陷，将结果与三维有限元模型进行比较，得出了临界压力与等效厚度有关的结果。Gay Neto等人［10］开展了一项关于干压溃和湿压溃的研究，包括抗压铠装层和自锁骨架层，根据数值结果给出了直管和弯管的压溃压力。

在这项工作中，Timoshenko等人［11］研究局部屈曲之后便开发了一个分析模型来研究螺旋元件。它将位移视为管的几何形状和作用在其上弯矩的函数，如相关文献［1］中所述。通过考虑将外压直接施加在骨架层表面上来研究压溃性能。根据相关文献［1］中的建议，考虑到最大水深处的静水压力并假定管道为空管道，在设计中必须考虑骨架层在压溃时能够承受的极端载荷。通过研究数值和理论方法，主要目的是了解在何种工况下需要添加额外的增强层，从而比较实际应用下SSRTP和自锁骨架层的最终极限状态结果。为此，本章对理论分析模型提出了创新修改，以便在对骨架层湿压溃的情况下评估临界压力时提供更准确的方法。