鉆井平臺隔水管地震響應(yīng)分析

摘 要：隨著海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展，隔水管已成為鉆井平臺的必備設(shè)備。在抗震設(shè)計中最常用的振型分解反應(yīng)譜法的基礎(chǔ)上，對鉆井平臺隔水管的地震響應(yīng)進(jìn)行了理論分析，把離散系統(tǒng)的有關(guān)抗震計算公式推廣到隔水管連續(xù)系統(tǒng)。分析計算了地震發(fā)生時隔水管所受的地震作用力，推導(dǎo)出了隔水管在地震作用下每個橫截面上的剪力、彎矩和彎曲變形計算公式，為隔水管考慮地震作用時的工程設(shè)計提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：鉆井平臺；隔水管；地震響應(yīng)；反應(yīng)譜法

鉆井平臺隔水管是浮式鉆井船或半潛式鉆井平臺的水下裝置之一，主要功能是隔離海水、引導(dǎo)鉆具和循環(huán)鉆井液。目前國內(nèi)外很多學(xué)者對隔水管的靜力學(xué)、動力學(xué)和疲勞問題進(jìn)行了很多研究[1-4]，但尚未看到對隔水管在地震作用下的力學(xué)行為進(jìn)行分析的有關(guān)文獻(xiàn)。由于我國沿海地區(qū)處于地震活躍區(qū)域，因此對海洋鉆井隔水管進(jìn)行抗震設(shè)計就顯得非常必要。隔水管所受的地震作用是通過海底地面運動而將地震力傳給隔水管，它與隔水管的動力學(xué)特性直接相關(guān)而且與具體的海底場地類型有關(guān)。采用抗震分析應(yīng)用廣泛的振型分解反應(yīng)譜法分析計算地震發(fā)生時隔水管所受的地震力，導(dǎo)出了隔水管在地震作用下每個橫截面上的剪力、彎矩和彎曲變形計算公式，為隔水管考慮地震作用時的工程設(shè)計提供一定的理論參考。

1 隔水管動力學(xué)特性

4 地震作用力引起的隔水管總內(nèi)力和總彎曲變形

根據(jù)振型分解法，隔水管在任一時刻所受到的地震作用為該時刻各振型地震作用之和，并且所求得的相應(yīng)于各振型的地震作用力Fi（x）均為最大值，依據(jù)Fi（x）求得的地震作用引起的隔水管內(nèi)力和變形也是最大值。但是，各振型地震作用引起的隔水管內(nèi)力和變形并非一定同時達(dá)到最大值，這就出現(xiàn)了如何利用各振型的最大地震作用內(nèi)力和變形來總和隔水管總的最大地震作用內(nèi)力和變形問題。

一般情況下，各個振型在地震總反應(yīng)中的貢獻(xiàn)將隨著其頻率的增加而迅速減小，所以頻率低的幾個振型往往控制著結(jié)構(gòu)的最大地震響應(yīng)。因此在實際計算中，一般采用前2～3個振型即可。但考慮到周期較長結(jié)構(gòu)的各個自振頻率比較接近，所以《抗震規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)基本自振周期大于1.5s或房屋高寬比大于5時，可適當(dāng)增加參與組合的振型個數(shù)。

5 結(jié)束語

5.1 文章在抗震設(shè)計中最常用的振型分解反應(yīng)譜法的基礎(chǔ)上，對海洋鉆井隔水管的地震響應(yīng)進(jìn)行了理論分析，把離散系統(tǒng)的有關(guān)抗震計算公式推廣到隔水管連續(xù)系統(tǒng)，該方法也可以推廣到其它連續(xù)體抗震分析中去。

5.2 分析計算了地震發(fā)生時隔水管所受的地震作用力，推導(dǎo)出了隔水管在地震作用下每個橫截面上的剪力、彎矩和彎曲變形計算公式。

文章的分析結(jié)果可以為隔水管考慮地震作用時的工程設(shè)計提供一定的理論參考。

參考文獻(xiàn)

[1]Sakdirat Kaewunruena，Julapot Chiravatchradejb，Somchai Chucheep

sakul.Nonlinear free vibrations of marine risers/pipes transporting fluid [J].Ocean Engineering，2005，32：417-440.

[2]Marko Keber，Marian Wiercigroch. Dynamics of a vertical riser with weak structural nonlinearity excited by wakes [J]. Journal of Sound and Vibration，2008，315： 685-699.

[3]劉秀全，陳國明，暢元江，等.深水鉆井隔水管時域隨機波激疲勞分析[J].中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，36（2）：146-151.

[4]陶云，李杰，艾志久，等.深水環(huán)境下隔水管的橫向變形與彎矩分析[J].石油機械，2013，41（3）：68-71.

[5]方華燦.海洋石油鉆采設(shè)備理論基礎(chǔ)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1984.

[6]方同，薛璞.振動理論及應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[7]王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].武漢理工大學(xué)出版社，2008.

作者簡介：李軍強（1964-），男，博士，教授，研究方向：石油機械動力學(xué)。

摘 要：隨著海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展，隔水管已成為鉆井平臺的必備設(shè)備。在抗震設(shè)計中最常用的振型分解反應(yīng)譜法的基礎(chǔ)上，對鉆井平臺隔水管的地震響應(yīng)進(jìn)行了理論分析，把離散系統(tǒng)的有關(guān)抗震計算公式推廣到隔水管連續(xù)系統(tǒng)。分析計算了地震發(fā)生時隔水管所受的地震作用力，推導(dǎo)出了隔水管在地震作用下每個橫截面上的剪力、彎矩和彎曲變形計算公式，為隔水管考慮地震作用時的工程設(shè)計提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：鉆井平臺；隔水管；地震響應(yīng)；反應(yīng)譜法

鉆井平臺隔水管是浮式鉆井船或半潛式鉆井平臺的水下裝置之一，主要功能是隔離海水、引導(dǎo)鉆具和循環(huán)鉆井液。目前國內(nèi)外很多學(xué)者對隔水管的靜力學(xué)、動力學(xué)和疲勞問題進(jìn)行了很多研究[1-4]，但尚未看到對隔水管在地震作用下的力學(xué)行為進(jìn)行分析的有關(guān)文獻(xiàn)。由于我國沿海地區(qū)處于地震活躍區(qū)域，因此對海洋鉆井隔水管進(jìn)行抗震設(shè)計就顯得非常必要。隔水管所受的地震作用是通過海底地面運動而將地震力傳給隔水管，它與隔水管的動力學(xué)特性直接相關(guān)而且與具體的海底場地類型有關(guān)。采用抗震分析應(yīng)用廣泛的振型分解反應(yīng)譜法分析計算地震發(fā)生時隔水管所受的地震力，導(dǎo)出了隔水管在地震作用下每個橫截面上的剪力、彎矩和彎曲變形計算公式，為隔水管考慮地震作用時的工程設(shè)計提供一定的理論參考。

1 隔水管動力學(xué)特性

4 地震作用力引起的隔水管總內(nèi)力和總彎曲變形

根據(jù)振型分解法，隔水管在任一時刻所受到的地震作用為該時刻各振型地震作用之和，并且所求得的相應(yīng)于各振型的地震作用力Fi（x）均為最大值，依據(jù)Fi（x）求得的地震作用引起的隔水管內(nèi)力和變形也是最大值。但是，各振型地震作用引起的隔水管內(nèi)力和變形并非一定同時達(dá)到最大值，這就出現(xiàn)了如何利用各振型的最大地震作用內(nèi)力和變形來總和隔水管總的最大地震作用內(nèi)力和變形問題。

一般情況下，各個振型在地震總反應(yīng)中的貢獻(xiàn)將隨著其頻率的增加而迅速減小，所以頻率低的幾個振型往往控制著結(jié)構(gòu)的最大地震響應(yīng)。因此在實際計算中，一般采用前2～3個振型即可。但考慮到周期較長結(jié)構(gòu)的各個自振頻率比較接近，所以《抗震規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)基本自振周期大于1.5s或房屋高寬比大于5時，可適當(dāng)增加參與組合的振型個數(shù)。

5 結(jié)束語

5.1 文章在抗震設(shè)計中最常用的振型分解反應(yīng)譜法的基礎(chǔ)上，對海洋鉆井隔水管的地震響應(yīng)進(jìn)行了理論分析，把離散系統(tǒng)的有關(guān)抗震計算公式推廣到隔水管連續(xù)系統(tǒng)，該方法也可以推廣到其它連續(xù)體抗震分析中去。

5.2 分析計算了地震發(fā)生時隔水管所受的地震作用力，推導(dǎo)出了隔水管在地震作用下每個橫截面上的剪力、彎矩和彎曲變形計算公式。

文章的分析結(jié)果可以為隔水管考慮地震作用時的工程設(shè)計提供一定的理論參考。

參考文獻(xiàn)

[1]Sakdirat Kaewunruena，Julapot Chiravatchradejb，Somchai Chucheep

sakul.Nonlinear free vibrations of marine risers/pipes transporting fluid [J].Ocean Engineering，2005，32：417-440.

[2]Marko Keber，Marian Wiercigroch. Dynamics of a vertical riser with weak structural nonlinearity excited by wakes [J]. Journal of Sound and Vibration，2008，315： 685-699.

[3]劉秀全，陳國明，暢元江，等.深水鉆井隔水管時域隨機波激疲勞分析[J].中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，36（2）：146-151.

[4]陶云，李杰，艾志久，等.深水環(huán)境下隔水管的橫向變形與彎矩分析[J].石油機械，2013，41（3）：68-71.

[5]方華燦.海洋石油鉆采設(shè)備理論基礎(chǔ)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1984.

[6]方同，薛璞.振動理論及應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[7]王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].武漢理工大學(xué)出版社，2008.

作者簡介：李軍強（1964-），男，博士，教授，研究方向：石油機械動力學(xué)。

摘 要：隨著海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展，隔水管已成為鉆井平臺的必備設(shè)備。在抗震設(shè)計中最常用的振型分解反應(yīng)譜法的基礎(chǔ)上，對鉆井平臺隔水管的地震響應(yīng)進(jìn)行了理論分析，把離散系統(tǒng)的有關(guān)抗震計算公式推廣到隔水管連續(xù)系統(tǒng)。分析計算了地震發(fā)生時隔水管所受的地震作用力，推導(dǎo)出了隔水管在地震作用下每個橫截面上的剪力、彎矩和彎曲變形計算公式，為隔水管考慮地震作用時的工程設(shè)計提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：鉆井平臺；隔水管；地震響應(yīng)；反應(yīng)譜法

鉆井平臺隔水管是浮式鉆井船或半潛式鉆井平臺的水下裝置之一，主要功能是隔離海水、引導(dǎo)鉆具和循環(huán)鉆井液。目前國內(nèi)外很多學(xué)者對隔水管的靜力學(xué)、動力學(xué)和疲勞問題進(jìn)行了很多研究[1-4]，但尚未看到對隔水管在地震作用下的力學(xué)行為進(jìn)行分析的有關(guān)文獻(xiàn)。由于我國沿海地區(qū)處于地震活躍區(qū)域，因此對海洋鉆井隔水管進(jìn)行抗震設(shè)計就顯得非常必要。隔水管所受的地震作用是通過海底地面運動而將地震力傳給隔水管，它與隔水管的動力學(xué)特性直接相關(guān)而且與具體的海底場地類型有關(guān)。采用抗震分析應(yīng)用廣泛的振型分解反應(yīng)譜法分析計算地震發(fā)生時隔水管所受的地震力，導(dǎo)出了隔水管在地震作用下每個橫截面上的剪力、彎矩和彎曲變形計算公式，為隔水管考慮地震作用時的工程設(shè)計提供一定的理論參考。

1 隔水管動力學(xué)特性

4 地震作用力引起的隔水管總內(nèi)力和總彎曲變形

根據(jù)振型分解法，隔水管在任一時刻所受到的地震作用為該時刻各振型地震作用之和，并且所求得的相應(yīng)于各振型的地震作用力Fi（x）均為最大值，依據(jù)Fi（x）求得的地震作用引起的隔水管內(nèi)力和變形也是最大值。但是，各振型地震作用引起的隔水管內(nèi)力和變形并非一定同時達(dá)到最大值，這就出現(xiàn)了如何利用各振型的最大地震作用內(nèi)力和變形來總和隔水管總的最大地震作用內(nèi)力和變形問題。

一般情況下，各個振型在地震總反應(yīng)中的貢獻(xiàn)將隨著其頻率的增加而迅速減小，所以頻率低的幾個振型往往控制著結(jié)構(gòu)的最大地震響應(yīng)。因此在實際計算中，一般采用前2～3個振型即可。但考慮到周期較長結(jié)構(gòu)的各個自振頻率比較接近，所以《抗震規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)基本自振周期大于1.5s或房屋高寬比大于5時，可適當(dāng)增加參與組合的振型個數(shù)。

5 結(jié)束語

5.1 文章在抗震設(shè)計中最常用的振型分解反應(yīng)譜法的基礎(chǔ)上，對海洋鉆井隔水管的地震響應(yīng)進(jìn)行了理論分析，把離散系統(tǒng)的有關(guān)抗震計算公式推廣到隔水管連續(xù)系統(tǒng)，該方法也可以推廣到其它連續(xù)體抗震分析中去。

5.2 分析計算了地震發(fā)生時隔水管所受的地震作用力，推導(dǎo)出了隔水管在地震作用下每個橫截面上的剪力、彎矩和彎曲變形計算公式。

文章的分析結(jié)果可以為隔水管考慮地震作用時的工程設(shè)計提供一定的理論參考。

參考文獻(xiàn)

[1]Sakdirat Kaewunruena，Julapot Chiravatchradejb，Somchai Chucheep

sakul.Nonlinear free vibrations of marine risers/pipes transporting fluid [J].Ocean Engineering，2005，32：417-440.

[2]Marko Keber，Marian Wiercigroch. Dynamics of a vertical riser with weak structural nonlinearity excited by wakes [J]. Journal of Sound and Vibration，2008，315： 685-699.

[3]劉秀全，陳國明，暢元江，等.深水鉆井隔水管時域隨機波激疲勞分析[J].中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，36（2）：146-151.

[4]陶云，李杰，艾志久，等.深水環(huán)境下隔水管的橫向變形與彎矩分析[J].石油機械，2013，41（3）：68-71.

[5]方華燦.海洋石油鉆采設(shè)備理論基礎(chǔ)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1984.

[6]方同，薛璞.振動理論及應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[7]王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].武漢理工大學(xué)出版社，2008.

作者簡介：李軍強（1964-），男，博士，教授，研究方向：石油機械動力學(xué)。