发展满足深水油气资源勘探开发所需的先进石油装备,是成功实施海洋油气资源开采战略的基石。随着海洋油气开发逐渐走向深水甚至是超深水区域,海底恶劣的高压和低温寒冷环境对油气输送管道的承载能力和保温性能提出了更加严格的要求。而常规单壁钢管在深水领域的使用带来越来越多问题,已逐渐难以满足应用要求。在此背景下,夹层管以其优异的结构强度和相对较好的保温性能,成为一种非常有竞争力的深海油气开发和输送管线解决方案,并引起了众多学者及科研人员的重视。复杂恶劣的受力环境以及夹层管自身结构和材料的非线性,使得夹层管在铺设和长期服役的过程中极易发生屈曲失稳的危险,导致管道失效破坏,造成巨大的经济损失和环境污染。因此,在夹层管的研究设计工作中对其屈曲性能的分析显得尤为重要。本文设计制备了几种不同的纤维增强水泥基复合材料作为夹层管核心层材料,结合夹层管的层间粘结性能实验,运用有限元数值模拟法对夹层管在外压、弯曲以及二者组合作用下的屈曲失稳机理展开了研究。探讨了核心层材料、层间粘结性能以及管道初始椭圆度等特征参数对夹层管屈曲失稳的影响。研究的主要内容有以下几个方面:(1)核心层材料及层间粘结性能实验研究。核心层材料实验,运用正交实验法设计了9种不同的核心层材料配比方案,通过模具设计加工和浇筑实验,共完成了27组单轴拉伸和压缩试样的制备。在此基础上,完成了各核心层材料的单轴拉伸和压缩实验,获得了相应的应力应变关系曲线。层间粘结性能实验,首先通过4组管道推出实验,完成了对不同核心层材料和核心层厚度的夹层管层间剪应力的测量。其次,通过斜面实验,对2种不同核心层材料与内外层管钢材之间的摩擦系数。(2)夹层管材料本构模型及层间接触模型研究。首先,对夹层管材料本构理论进行了深入分析,结合实验数据分别建立了描述内外层钢管应力-应变关系的改进后的Ramberg-Osgood本构模型和描述核心层材料应力-应变关系的混凝土损伤塑性本构模型。其次,对夹层管层间接触理论进行了分析,结合层间粘结性能实验建立了相应的夹层管层间粘结模型。此外,对结构稳定性理论展开了研究。(3)夹层管屈曲失稳数值模拟。运用ABAQUS有限元软件,建立了夹层管在外压、纯弯曲以及二者组合载荷作用下有限元数值模型,并对其屈曲失稳机理展开了模拟。进行了特征参数敏感性分析,研究了3种层间粘结性能、9种核心层材料以及5种管道初始椭圆度等特征参数对夹层管屈曲性能的影响。研究结果表明,在外压作用下,层间粘结性能、不同核心层材料和管道初始椭圆度对夹层管的屈曲性能影响显著。层间粘结性能越好,夹层管屈曲性能越强,填充PVA6 FRCC的夹层管其临界失稳压力随着层间粘结性能的增加最大提升18.27%。管道初始椭圆度越大,夹层管屈曲性能越弱,当初始椭圆度由0.3%增大至0.7%时,夹层管的抗压能力下降12.15%。而夹层管屈曲性能与核心层材料抗拉压性能正相关。在弯曲作用下,良好的层间粘结性能有利于加强夹层管屈曲性能,但不如外压作用时明显,而层间粘结性能以及管道初始椭圆度的影响非常小,随着椭圆度的变化,抗弯能力下降只有0.26%。在外压和弯曲载荷复合作用下,以上三种特征参数对夹层管屈曲性能的影响规律与外压作用时类似。值得注意的是,复合载荷作用时,初始外压越大,对夹层管的屈曲性能削弱越严重。