鉆井平臺隔水管地震響應分析

摘 要：隨著海洋石油工業的不斷發展，隔水管已成為鉆井平臺的必備設備。在抗震設計中最常用的振型分解反應譜法的基礎上，對鉆井平臺隔水管的地震響應進行了理論分析，把離散系統的有關抗震計算公式推廣到隔水管連續系統。分析計算了地震發生時隔水管所受的地震作用力，推導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計提供一定的理論參考。

關鍵詞：鉆井平臺；隔水管；地震響應；反應譜法

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、引導鉆具和循環鉆井液。目前國內外很多學者對隔水管的靜力學、動力學和疲勞問題進行了很多研究[1-4]，但尚未看到對隔水管在地震作用下的力學行為進行分析的有關文獻。由于我國沿海地區處于地震活躍區域，因此對海洋鉆井隔水管進行抗震設計就顯得非常必要。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特性直接相關而且與具體的海底場地類型有關。采用抗震分析應用廣泛的振型分解反應譜法分析計算地震發生時隔水管所受的地震力，導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計提供一定的理論參考。

1 隔水管動力學特性

4 地震作用力引起的隔水管總內力和總彎曲變形

根據振型分解法，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，并且所求得的相應于各振型的地震作用力Fi（x）均為最大值，依據Fi（x）求得的地震作用引起的隔水管內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力和變形并非一定同時達到最大值，這就出現了如何利用各振型的最大地震作用內力和變形來總和隔水管總的最大地震作用內力和變形問題。

一般情況下，各個振型在地震總反應中的貢獻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構的最大地震響應。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構的各個自振頻率比較接近，所以《抗震規范》規定，當基本自振周期大于1.5s或房屋高寬比大于5時，可適當增加參與組合的振型個數。

5 結束語

5.1 文章在抗震設計中最常用的振型分解反應譜法的基礎上，對海洋鉆井隔水管的地震響應進行了理論分析，把離散系統的有關抗震計算公式推廣到隔水管連續系統，該方法也可以推廣到其它連續體抗震分析中去。

5.2 分析計算了地震發生時隔水管所受的地震作用力，推導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。

文章的分析結果可以為隔水管考慮地震作用時的工程設計提供一定的理論參考。

參考文獻

[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].中國石油大學學報（自然科學版），2012，36（2）：146-151.

[4]陶云，李杰，艾志久，等.深水環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.海洋石油鉆采設備理論基礎[M].北京：石油工業出版社，1984.

[6]方同，薛璞.振動理論及應用[M].西安：西北工業大學出版社，1998.

[7]王社良.抗震結構設計[M].武漢理工大學出版社，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。

摘 要：隨著海洋石油工業的不斷發展，隔水管已成為鉆井平臺的必備設備。在抗震設計中最常用的振型分解反應譜法的基礎上，對鉆井平臺隔水管的地震響應進行了理論分析，把離散系統的有關抗震計算公式推廣到隔水管連續系統。分析計算了地震發生時隔水管所受的地震作用力，推導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計提供一定的理論參考。

關鍵詞：鉆井平臺；隔水管；地震響應；反應譜法

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、引導鉆具和循環鉆井液。目前國內外很多學者對隔水管的靜力學、動力學和疲勞問題進行了很多研究[1-4]，但尚未看到對隔水管在地震作用下的力學行為進行分析的有關文獻。由于我國沿海地區處于地震活躍區域，因此對海洋鉆井隔水管進行抗震設計就顯得非常必要。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特性直接相關而且與具體的海底場地類型有關。采用抗震分析應用廣泛的振型分解反應譜法分析計算地震發生時隔水管所受的地震力，導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計提供一定的理論參考。

1 隔水管動力學特性

4 地震作用力引起的隔水管總內力和總彎曲變形

根據振型分解法，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，并且所求得的相應于各振型的地震作用力Fi（x）均為最大值，依據Fi（x）求得的地震作用引起的隔水管內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力和變形并非一定同時達到最大值，這就出現了如何利用各振型的最大地震作用內力和變形來總和隔水管總的最大地震作用內力和變形問題。

一般情況下，各個振型在地震總反應中的貢獻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構的最大地震響應。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構的各個自振頻率比較接近，所以《抗震規范》規定，當基本自振周期大于1.5s或房屋高寬比大于5時，可適當增加參與組合的振型個數。

5 結束語

5.1 文章在抗震設計中最常用的振型分解反應譜法的基礎上，對海洋鉆井隔水管的地震響應進行了理論分析，把離散系統的有關抗震計算公式推廣到隔水管連續系統，該方法也可以推廣到其它連續體抗震分析中去。

5.2 分析計算了地震發生時隔水管所受的地震作用力，推導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。

文章的分析結果可以為隔水管考慮地震作用時的工程設計提供一定的理論參考。

參考文獻

[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].中國石油大學學報（自然科學版），2012，36（2）：146-151.

[4]陶云，李杰，艾志久，等.深水環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.海洋石油鉆采設備理論基礎[M].北京：石油工業出版社，1984.

[6]方同，薛璞.振動理論及應用[M].西安：西北工業大學出版社，1998.

[7]王社良.抗震結構設計[M].武漢理工大學出版社，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。

摘 要：隨著海洋石油工業的不斷發展，隔水管已成為鉆井平臺的必備設備。在抗震設計中最常用的振型分解反應譜法的基礎上，對鉆井平臺隔水管的地震響應進行了理論分析，把離散系統的有關抗震計算公式推廣到隔水管連續系統。分析計算了地震發生時隔水管所受的地震作用力，推導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計提供一定的理論參考。

關鍵詞：鉆井平臺；隔水管；地震響應；反應譜法

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、引導鉆具和循環鉆井液。目前國內外很多學者對隔水管的靜力學、動力學和疲勞問題進行了很多研究[1-4]，但尚未看到對隔水管在地震作用下的力學行為進行分析的有關文獻。由于我國沿海地區處于地震活躍區域，因此對海洋鉆井隔水管進行抗震設計就顯得非常必要。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特性直接相關而且與具體的海底場地類型有關。采用抗震分析應用廣泛的振型分解反應譜法分析計算地震發生時隔水管所受的地震力，導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計提供一定的理論參考。

1 隔水管動力學特性

4 地震作用力引起的隔水管總內力和總彎曲變形

根據振型分解法，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，并且所求得的相應于各振型的地震作用力Fi（x）均為最大值，依據Fi（x）求得的地震作用引起的隔水管內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力和變形并非一定同時達到最大值，這就出現了如何利用各振型的最大地震作用內力和變形來總和隔水管總的最大地震作用內力和變形問題。

一般情況下，各個振型在地震總反應中的貢獻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構的最大地震響應。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構的各個自振頻率比較接近，所以《抗震規范》規定，當基本自振周期大于1.5s或房屋高寬比大于5時，可適當增加參與組合的振型個數。

5 結束語

5.1 文章在抗震設計中最常用的振型分解反應譜法的基礎上，對海洋鉆井隔水管的地震響應進行了理論分析，把離散系統的有關抗震計算公式推廣到隔水管連續系統，該方法也可以推廣到其它連續體抗震分析中去。

5.2 分析計算了地震發生時隔水管所受的地震作用力，推導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。

文章的分析結果可以為隔水管考慮地震作用時的工程設計提供一定的理論參考。

參考文獻

[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].中國石油大學學報（自然科學版），2012，36（2）：146-151.

[4]陶云，李杰，艾志久，等.深水環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.海洋石油鉆采設備理論基礎[M].北京：石油工業出版社，1984.

[6]方同，薛璞.振動理論及應用[M].西安：西北工業大學出版社，1998.

[7]王社良.抗震結構設計[M].武漢理工大學出版社，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。