（固体力学专业论文）破坏模式对锥体结构冰荷载的影响.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 冰与锥体结构作用中的破坏模式是影响冰荷载的关键性因素。本文通过对现场的原 型结构测量数据分析，运用理论分析和有限元模拟手段，系统地研究了冰破坏模式对锥 体结构冰荷载影响这一工程问题。 论文首先回顾了抗冰锥体结构冰荷载的研究历史和现状，详细介绍了锥体结构静冰 力和动冰力的研究历史。并提出了本文的研究任务。 论文第二章以原型观测数据为基础，主要分析了冰排的弯曲破坏模式及其影响因 素。通过对j z 2 0 - 2 海洋平台的观测数据进行统计，从破坏长厚比、冰排厚度、锥体直 径和碎冰堆积等几个方面分析了影响冰锥相互作用过程中冰排破坏模式的因素。 论文的第三章以第二章中的参数分析为基础，建立了半圆环域弹性板模型，采用理 论分析的方法，定性地分析了冰与锥体相互作用的破坏模式过渡效应。分析结果表明， 冰破坏力幅值的大范围变化与冰弯曲破坏的模式过渡相联系，最大冰力在过渡条件下出 现。这一研究也表明，如果冰的破坏模式落入过渡区，通常在静冰力分析中采用的以楔 梁型破坏为基础的冰力模型可能会低估冰力的幅值。 论文的第四章以第三章中的理论模型为基础，采用a n s y s 软件对冰与锥体的相互作 用的全过程进行了有限元模拟。分析结果显示随锥径相对于冰排断裂长度的比值逐渐增 大，冰排破坏类型由楔粱型向板型破坏转变，破坏性质由准脆性逐渐转变为脆性。在上 述过程中，冰力周期逐渐减小，极值冰力逐渐增大，面最大极值冰力出现在破坏模式转 变的过渡区内。考虑接触条件效应后，上述规律证实了过渡型破坏就是锥体结构的最不 利动冰力。 关键词：锥体结构破坏模式冰荷载a n s y s 破坏模式对锥体结构冰荷载的影响 t h ei n f l u e n c eo fb r e a k i n gp a t t e r no ni c ef o r c e so n c o n i c a ls t r u c t u r e s a b s t r a c t t h e b r e a k i n gp a t t e r ni nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ni c ea n dc o n ei st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r a f f e c t i n gt h ei c el o a d s n l i sp a p e ra n a l y z e ds y s t e m i c a l l yt h ee f f e c to fb r e a k i n gp a t t e r n0 ni c e f o r c e so ns l o p i n gs t n l c t u r e , w h i c hb a s e do nf u l ls c a l et e s t sa n dt h e o r ya n a l y s i sa n df i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n n ef i r s tc h a p t e ro ft h i sp a p e rl o o k e db a c kt h eh i s t o r ya n di t sc o n t e m p o r a r ys i t u a t i o no f t h ei c ef o r c e so nc o n es t r u c t u r e ，a n dg i v e sa ni n t r o d u c t i o no ft h er e s e a r c hh i s t o r yo fs t a t i ci c e f o r c e sa n dd y n a m i ci c ef o r c e so nc o n es t r u c t u r e ，a n dp r e s e n t st h ea s s i g n m e n t t h cs e c o n dc h a p t e r , b a s i n go nf o i l - s c a l eo b s e r v a t i o n s , m a i n l ya n a l y s e st h eb r e a k i n g p a t t e r na n dt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e i c es h e e t b yu s i n gt h ea n a l y s i sa n ds t a t i s t i co f p l a t f o r mj z 2 0 - 2 ，i ta n a l y z e st h ef a c t o r sa f f e c t i n gi c eb r e a k i n gp a t t e r ni ni n t e r a c t i o np m c c s s b e t w e e ni c ea n di n c l i n e ds t r u c t u r e ，f r o ms u c hd i m e n s i o n sa sr a t i oo ff a i l u r el e n g t ha n di c e t h i c k n e s s ，i c et h i c k n e s s ，c o n ed i a m e t e ra n dp i l e u po fi c eb l o c k t h et h i r dc h a p t e ro ft h ep a p 盯b a s i n go np a r a m e t e ra n a l y s i s ，b u i l d sas e m i c i r c u l a rs h e e t m o d e ，b yu s i n g at h e o r ya n a l y s i sm e t h o d ，a n da n a l y z e st h ei n t e r a c t i o n a lp r o c e s sq u a l i t a t i v e l y t h er e s u l to fa n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h eg r e a tr a n g ec h a n g eo fi c ef o r c e se x t r e m u mi sr e l a t e d w i t hi c eb e n d i n gf a i l u r em o d e ，t h em o s tf o r c ea p p e a r si nt h et r a n s i t i o n a lc o n d i t i o n i ta l s o i n d i c a t e st h a tf ft h et r a n s i t i o n a lf a i l u r eh a p p e n e d t h em a x i m u mf o r c e sb a s i n go nw e d g eb e a m b e n d i n gf a i l u r em a yb eu n d e r e s t i m a t e d n cf o r t hc h a p t e ro ft h ep a p e rb a s i n go nt h et h e o r ym o d eo ft h et h i r dc h a p t e r 。w i t ht h e a n s y sc o n d u c t e daf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt ot h ew h o l ep r o c e s so ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n i c es h e e ta n dc o n es t r u c t u r e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tw i t ht h ei n e a s eo ft h er a t i ot h a tt h e d i a m e t e ro ft h ec o n er e l a t i v e st ot h ei c eb r e a k i n gl e n g t h ，t h eb r e a k i n gp a t t e r n sw i l lc h a n g e f r o mw e d g e db e a mf a i l u r et op l a t ef a i l u r e ，t h ec h a r a c t e ro ft h ef a i l u r ew i l lc h a n g ef i o mq u a s i b r i t t l e n e s st ob r i t t l e n e s s a n dt h ee x t r e m u mo ft h ei c ef o r c e sw i l lh a p p e ni nt h et r a n s i t i o n a l l i e l d k e y w o r d ：c o n es t r u c t u r e ；b r e a k i n gp a t t e r n ；i c ef o r c e s ；a n s y s 一一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：瑟密 日期： 碰1 2 ：堑 i 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 熟翌 夏! 塑 u t 2 巫上一年生月- 兰日 大勰工大学硕士学位论文 引言 随着海洋石油资源的深入开发利用，与海洋结构相关的问题开始引起人们的注意。 在海洋资源的开发中，海洋结构受到海浪，风，地震等环境荷载的影响。在结构设计中 对于这些问题需加以考虑。在冰区，海冰在风或潮流的作用下发生漂移，会对海洋结构 物产生巨大的破坏。从现有资料显示冰荷载的影响远远超过其他工况，而成为海洋平台 设计的主导因素。 有关冰工程方面的研究始于本世纪六十年代，由于在寒区海洋石油开发和内陆水利 资源利用过程中遇到了各种冰问题，于是冰工程作为一门学科也就逐渐形成并开始了不 断的发展。早期的抗冰结构主要是直立结构，冰与直立结构相互作用时比较复杂，主要 的破坏形式是挤压破坏和屈曲破坏，并且具有明显的周期性，冰激振动现象非常明显。 到二十世纪七十年代，开始有学者提出在圆柱结构的抗冰作用部位安装锥体结构可以降 低冰力。其原理是锥体结构的倾斜迎冰面能使冰发生弯曲破坏，由于冰的弯曲强度一般 只是其压缩强度的三分之一左右，故斜面结构产生的冰荷载从理论上讲应该远远小于直 立结构，从已知的试验模型和现场数据观察也证明了这一点。斜面锥体结构的使用大幅 度的降低了冰荷载，有利的提高了结构的安全性和经济性。从冰力分析的角度看，广泛 的采用的弯曲破坏的假定模式为冰力预测的理论模型或数值分析方法的发展提供了便 利，因为弯曲属于力学分析理论体系中最成熟的部分。另外，人们也希望通过锥体结构 的弯曲破冰方式减轻在直立的柔性结构上常见的冰激振动现象，改善结构的工作环境和 疲劳寿命。通常弯曲破坏的周期远大于挤压破坏，从而可望能避开结构振动的自然周期。 这些认识促使锥体结构在冰区海域的灯塔、航标、桥墩和油气生产平台等结构上的应用 日益增加，也使以锥体冰荷载为中心的相关课题研究成为海洋结构中极为活跃的研究领 域。 但冰与锥体结构作用是一个非常复杂的问题，涉及到结构的特性、冰的特征、冰与 结构作用的力学机制，以及影响这些机制、特征的外界环境因素等，要完全弄清楚冰与 结构相互作用过程，仍然需要更多的研究。， 目前冰荷载的研究中主要包括两个问题：一是最大静冰力，用来确定冰破坏对结构 的最大作用力，研究怎样降低工程中过高的设计值，以提高工程的经济性。这类问题是 动冰力研究的基础，早期由于对结构认识不足发生了很多结构在最大冰力的推动下发生 倒塌的现象，如1 9 6 3 年库克湾北冰推倒了两个简易平台，1 9 6 9 年我国“海二井”的生 活，设备和钻井平台在海冰的巨大推力下倒塌【1 1 。这种破坏形式对结构的破坏最大，它 直接造成海洋平台的倒塌，损失也最大。后来经过几十年的研究，这个问题中已经取得 破坏模式对锥体结构冰荷载的影响 了较大的成果。目前的海洋平台事故中已经很少出现由于最大冰力过大而出现海洋平台 倒塌的现象了；另一种问题是随时间变化的动荷载，用来研究结构振动引起的破坏。问 题的核心是解决如何建立可供工程应用的确定性冰力函数，为寒区设计人员提供冰与锥 体相互作用的动力模型。其中动荷载的冰力函数主要包括极值冰力大小和作用周期。虽 然冰激振动问题对结构的损坏影响非常大，但对于作用周期，以及与之相关的速度和断 裂长度的分析涉及到的因素非常多，因此前期的研究成果还主要是集中在最大静冰力的 研究上，而近年来冰激振动破坏现象越来越明显，如库克湾的海洋平 2 1 ，芬兰湾的灯 塔1 3 i 4 1 等。使得动冰力的研究开始成为了目前各国学者研究的主要方向。 动冰力的研究目前主要的方法分为理论方法( 包括理论分析模型和有限元分析模 型) 和试验方法( 包括模型试验方法和现场原型测量方法) 。而这两种方法自身都有明 显的优势但也存在着明显的不足，目前的问题是要有效结合以上各种方法的优势，以理 论分析为基础，以实验室研究为依据，二者有机结合对开展锥体动冰力荷载的研究将十 分重要。 我国的海冰主要分布在渤海和黄海的北部。由于渤海油气资源的开发利用促使海冰 的研究对集中在渤海海域。虽然渤海纬度很低，但由于冬季多受寒流的侵袭，又因整个 海域水深较浅，盐度较低。因此每年冬季都有不同程度的结冰现象。针对这一工程问题， 我国也早已开展了有关锥体结构冰荷载的研究工作。早在上世纪九十年代在我国辽东湾 j z 2 0 - 2 油田的几座导管架平台安装了固定式正倒锥体，其目的是降低冰力和冰力振动。 但在安装锥体之后发现依然存在明显的冰激振动，安装上锥体后，冰与结构作用时存在 比较明显的破碎周期，在特定的冰厚和冰速下，冰力周期可以与结构的固有周期吻合【5 j 。 为此由渤海石油公司与国家自然科学基金委资助进行了原型结构的冰力测量。该工作主 要是j z 2 0 - 2 的三个抗冰石油平台上，安装先进的微机网络观察系统，对冰力，机构相 应以冰的参数进行了同步连续的测量，目前也取得了大量的研究成果。 从现有的研究成果来看，冰排的破坏模式信息，如裂纹的产生和扩展方式，对于预 测锥体结构上的动冰力是非常重要的【6 i 。研究表明破坏模式是影响冰锥相互作用的最主 要的因素 7 1 。而冰排在水平冰力和竖直冰力的共同作用下，会产生各种各样的破坏模式， 其中弯曲破坏是最常见的形式 7 1 。而冰排发生弯曲破坏按裂纹扩展先后顺序仍然有所不 同，他受到诸多因素的影响，本文将在第三章以现场原型测量为基础做进一步的分析。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 本文在综述了前人对锥体结构冰荷载研究成果的基础上，提出了破坏模式对锥体冰 荷载的影响的问题。 本文研究任务主要包括以下几个方面： 1 回顾和总结前人在抗冰锥体结构冰荷载方面的研究。包括静冰力方面的研究和正在 开展的动冰力方面的研究成果。 2 通过对j z 2 0 一2 海洋平台录像和观测数据的分析，讨论冰与锥体相互作用的过程，以 及冰与锥体相互作用过程中影响冰排破坏模式的因素的分析。指出动冰力的研究需 要按破坏模式分类。 3 通过建立理论分析模型，对弯曲过渡条件下锥体结构冰荷载进行了定性分析，界定 出冰排以不同类型发生弯曲破坏的过渡条件，并论证冰一锥相互作用中最不利的破坏 模式。 4 采用a n s y s 有限元软件，对已经建立的理论模型进行有限元分析，模拟了冰与锥体 相互作用的非线性破坏的全过程，并给出符合实际的冰力时程曲线。 破坏模式对锥体结构冰荷载的影响 1 抗冰锥体结构冰荷载的研究综述与进展 1 1 引言 在寒冷的近海区域，冬季往往会在海面形成一定厚度的冰排。冰排以一定速度移动， 对锥体结构造成的影响往往是很严重的。在很多情况下，冰荷载常常成为寒区海工建筑 物设计的控制荷载。 从现场的原型数据中分析发现，冰与锥体相互作用是一个连续的随机的周期性破坏 过程。换句话说即冰荷载是随时间变化的函数。典型的冰力时程曲线呈周期性锯齿状。 它反映了冰排与锥体相互作用从接触到破坏再到爬升跌落的全过程。在每个周期内都存 在着一个极大冰力值，工程中称之为静冰力。在工程设计中，动冰力荷载包括冰力时程 曲线的极值冰荷载、作用周期和时间三个主要参数。 当前各国的冰区结构设计规范中都只给出了推荐的静冰力计算方法，现有的大多数 冰力预测模型也没有考虑周期的影响。这是由历史原因造成的。早期的海洋平台建造在 冰流速较低的海域，如b e a u f o r t 海，另外平台的几何构形也未显示出冰力对周期的敏 感性。因此，直至9 0 年代中期以前，大多数模型试验都是在较小的速度范围内进行的， 周期的效应并不显著。相应地，冰荷载理论预测方法都是在准静态作用的前提下建立的， 在有影响的冰力综合比较研究中也没有计入周期的影响( c h a o ，1 9 9 2 ) 。后来随着海洋 平台由近海转向深海，同时随着采油深度的不断加深，冰激振动问题越来越明显，而最 大静冰力很难反映冰力时程过程的问题凸现，考虑断裂长度和冰速等参数对周期的影响 的动冰力的研究变得越来越重要。 本章内容主要分为四部分，第一部分简要回顾了国内为有关锥体结构静冰力的研究 成果和进展；第二部分回顾了锥体结构动冰力的研究现状和进展；在第三部分中综合比 较了各种已有的研究方法，指出了各种研究方法的优点与不足；在最后一部分中在综合 考虑了以上三部分内容的基础上，总结了锥体结构冰荷载的机理。以上四部分内容的综 述，为今后锥体结构冰力的研究提供有益的信息。 1 2 锥体结构静冰力的研究成果 冰锥相互作用的动力特性非常复杂，目前由于对动冰力的机理不了解，而工程中 又急需理论指导，因此最大静冰力通常作为设计的主要依据，对这方面的研究也随之大 量开展。而且作为动冰力研究的基础，开展静冰力的研究也是建立动冰力函数必不可少 的，因为静冰力即为动冰力函数中的极值冰力。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 近几十年来国内外都开展了针对锥体结构静冰力问题的研究，冰力的计算方法是基 于对冰一锥体结构相互作用的力学机制的认识，不同的力学机制对应不同的力学模型， 最终导出不同的计算方法。目前已有的理论分析方法有塑性极限分析方法、参照应力方 法及量纲分析与相似理论方法等，处于研究阶段的还有建立在断裂力学、损伤力学理论 的计算方法。另外还有建立在实验和观测基础上的半经验、半理论公式，现阶段的研究 成果还不能对有效冰力作出精确的预测，对于给定的结构和冰状况，采用不同的模型预 测的冰力，差异范围很大。面对这种情况，结构设计者主要还是依赖经验公式加上个人 基于经验公式的判断。这种判断并不是主观的臆断，而是依靠科学的手段来分析和判断。 本文下面将对这些研究成果进行回顾。 1 2 1 基于原型结构的现场观测 原型观测是在海洋结构物上安装观测仪器，进行连续的数据测量。原型观测可以获 得在真实环境下的冰力数据，这些数据对于研究者是非常可贵的。但这种方法往往需要 大量的人力物力，因而目前开展的研究还很少。 h o i k k a n e n 8 】在波斯尼亚湾北部的k e m ii 灯塔进行了原型测量。该灯塔桩腿上安装 了一个倾角为5 5 。、水线面直径为l o m 的正锥体。其研究的结果指出冰与锥体作用的主 要破坏形式是弯曲破坏，但在较大的冰速下，会在锥体前形成冰堆积，当堆积冰发展到 一定规模，冰的破坏模式会以挤压破坏为主并伴有剪切破坏。 b r o w n 等【9 】在联邦大桥的两个桥墩上安装了测量和观察系统，并详细介绍了该监测 系统的各个组成部分，采集了很多有价值的数据，确定了相互作用时冰的特征( 冰厚、 作用范围、冰速等) 和原型下相互作用的特性( 爬高、堆积几何尺度) 。 m a y n e 等1 1 0 i 利用联邦大桥监测项目获得的数据，分析指出冰与锥体结构作用发生弯 曲破坏后会在锥体表面形成碎冰堆积，结论是这将会显著增加冰荷载并影响冰的破坏机 理。同时，还描述了碎冰堆的形成、行为和特征。这些特征包括：碎冰堆的尺寸、形状、 原始冰的厚度、碎冰堆里冰块的尺寸、冰速的影响、冰盖摩擦的影响、锥体摩擦的影响。 以上的锥体结构均为宽锥体。冰破坏后容易在锥前形成碎冰堆积。安装在桩腿上的 窄锥体结构通常最大坡角为6 0 0 ，以能够产生冰的弯曲破坏为限；最大锥径约为4 m ，以 不产生桩腿间显著的碎冰阻塞现行为限。在这些条件下，由锥体破坏产生的碎冰块能及 时被清除。冰爬坡和破前堆积现象是很少见的。安装在渤海湾的j z 2 0 一2 海洋平台即为 典型的窄锥结构。我们课题组对j z 2 0 一2 海洋平台冰情进行了数年的连续观测。j z 2 0 一2 海洋平台是我国独立设计和制造的四腿导管架结构。在平台每个桩腿的水面部位安装了 固定式的正倒锥体结构。锥体最大直径是4 m ，上锥体的锥角为6 0 0 ，下锥体的锥角是4 5 。， 破坏模式对锥体结构冰荷载的影响 桩腿直径为1 6 7 m 。通过现场结果的分析，证明了正倒锥组合体能减少冰力，但在冰速 和冰厚的一定组合下，冰激振动现象仍然很明显。 以上所述的测量数据都为极为珍贵的资料，他将为理论分析和模型试验提供良好的 检验标准。 1 2 2 锥体冰力的试验模型 由于冰与锥体相互作用过程的复杂性，工程界目前更倾向于基于实验数据建立的冰 力计算模型。而且锥体冰力试验模型有相对于现场测量更为经济的优越性。试验模型完 全可以通过人为控制参数，来测量不同参数对静冰力的影响，而且试验具有在同样条件 下的可重复性。近些年来，世界各国学者先后建立了几十座冰力试验室，冰力模型试验 也取得了很大的进展。本文只列举其中比较典型的几个例子。 锥体冰力模型研究根据目的不同有不同的研究侧重点。 一种是偏重于研究影响静冰力的因素，包括对锥角、摩擦系数、冰厚、水线直径、 裂纹尺寸等，有的经过分析还得到了经验公式。这一类研究成果主要包括： 1 ) e d w a r d s - o r o a s d a ie 模型 t e c l w a r d s c r o a s d a l e 1 1 】通过对模型试验数据进行分析总结，得出了作用在锥体上水平 冰力的经验公式如下： 日1 6 仃，+ 6 o p 。础2 ( 1 1 ) 式中h 一冰排作用在锥体上的水平冰力 p 旷一水的密度 。划c 排的弯曲强度 卜冰排的厚度 麟体的水线直径 g 一重力加速度 方程( 1 1 ) 中的第一组式由冰排的破裂产生；第二组由冰块的爬坡产生。e d w a r d s 与c r o a s d a l e 得出上述的经验公式的实验室实验所选结构物与冰参数范围为：锥体的锥 角为4 5 。，锥体水线直径从2 5 1 0 0 c m ，冰厚范围为1 9 6 8 c m ，冰的弯曲强度为 0 0 1 0 4 1 k g c m 2 ，冰与锥体的摩擦系数为0 0 5 。当引用上述方程时，若给定参数超 出上述值范围应慎用。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 ) k a t o 模型 k a t o ( 1 9 8 6 ) 【1 2 】采用四个不同锥角的锥体模型，测量了冰力，通过线性回归分析 获得了不同锥角的冰力公式。利用假设作用在锥体上的冰力为冰的爬坡分量与冰破坏分 量的总和通过实验室实验统计出下述冰力模型： 日- 4 ( d ：一珥k + 黾盯，z ( 1 2 ) ( 1 3 ) v - 4 【d 2 一d ；加f g t + 口，o r ，t 2 系数a h 、j 、b h 和b v 通过模型实验的回归分析得出。k a t o 的模型实验涵盖了1 0 k p a 到4 0 k p a 的弯曲强度，模型冰厚的范围从2 0 m 到5 0 m m 。冰与结构物之间的摩擦系数为 0 0 9 ，锥角从4 5 。到8 0 。通过对公式中的系数和锥角的关系的研究，指出水平冰力系 数对锥角很敏感，而垂直冰力系数对锥角则不是很敏感。 3 ) h ir a y a 腑- 0 b a r a 模型 基于其模型实验和一些前人发表的实验数据及量纲分析，h i r a y a m a - o b a r a ( 1 9 8 6 ) 【7 】建议了如下冰与结构物相互作用模型； ( 1 4 ) 日- 。，p 。g t d2 宇吾( ，一吾培口) s i na + 2 4 3 a l t 2 ( 孚) “ 方程( 2 4 ) 中的第一组为冰的爬坡分量；第二组为冰的破裂分量。h i r a y a m a 与 0 b a r a 进行模型实验考虑的模型冰厚范围为0 6 5 3 i c m ，冰的弯曲强度范围为2 9k p a 到7 1 0 k p a ，冰的弹性模量范围为2 5k p a 到2 0 0 0 k p a ，锥角从5 0 。到8 0 。，水线处锥体直 径从1 0 4c m 到3 7 5 c m ，锥体的顶端直径从4 o c m 到3 0 5 c m 。 4 ) s o d h i 模型 s o d h i 掣1 3 1 使用小尺度模型试验研究平整冰层作用在锥体结构上的冰力。试验开始 时，结构的表面是光滑的，而后，使结构表面变得粗糙，以此来研究表面摩擦对冰力的 影响。试验中改变了冰排的厚度和弯曲强度，采用三种不同的冰速。 5 ) f r e d e r kin g - s c h w a r z 模型 f r e d e r k i n g 与s c h w a r z “l 在汉堡船型实验室使用低盐度模型冰进行了一系列冰与倒 锥体相互作用的模型试验。研究结果指出水平冰力随冰速的增加而增加，冰厚对冰力垂 破坏模式对锥体结构冰荷载的影响 直分量的影响大于对水平分量的影响，当锥角减小时，尽管水线面直径增加，作用在锥 体上的水平分力却有很大的减少。 另一类实验研究偏重于锥体结构形式的研究，通过冰力模型试验对锥形，正倒锥组 合进行研究。如： 1 ) l r a n i 模型 k a n i 等【1 习使用1 ：5 0 的六面锥体模型进行了多棱锥体结构的冰力试验，将试验结果 与光滑锥体上冰力的两个理论模型的计算结果进行了比较，结果显示多棱锥体上测得的 冰力与r a l s t o n 理论模型符合较好。 2 ) k a t o 模型 k a t o 1 6 】在i h i 的冰池里进行了正、倒锥两类多腿锥体结构的模型试验，测量了冰力 的六个成分。试验发现，当锥角为3 0 。时冰力和冰引起的翻转和扭转弯矩出现最大值； 以无量纲形式表示的冰力和冰引起的弯矩中，倒锥多腿结构的值是正锥多腿结构的值的 两倍。然而，这两种结构上的冰力值却大致相同。 以上所列举的冰力模型试验是近些年来国内外学者对有静冰力方面的研究工作， 其中有的经过试验和分析得到了经验公式，应该说这些公式对今后的锥体设计和优化提 供了很好的参考。但从分析的结果看，以上实验方法只给出了冰力上限，得到的冰力公 式并没按破坏模式给出更详细的描述和区分。而且在实验过程中往往采用了一定的假 设，研究结果的正确性有待在现场观测的结果进行比较，因而在使用上述模型的结果时 要非常注意模型所使用的参数范围和条件。 1 2 3 锥体冰力理论分析模型 理论模型可以分为二维模型和三维模型。 1 二维计算模型 二维计算模型假定冰与宽大斜面作用，取单位宽度分析冰与斜面作用的受力。二维 模型是计算冰与斜面结构的作用，计算时没有考虑到锥径因素的影响，因而有一定的误 差。但由于冰与锥体结构作用的破坏形式与斜面结构作用的破坏形式相似，故二维模型 是分析冰与锥体作用的基础。根据二维模型冰与斜面结构相互作用如图1 - 1 所示： 8 一 大连理工大学硕士学位论文 r 图1 1 冰与斜面结构相互作用示意图 f ig 1 1h i e 均d i o nb c 押，啪i 粕ds i o p cs t r i l c t u m 根据相互作用关系和库仑摩擦定律，作用于冰板上的水平分力h 和垂直分力v 分别 h n s m a + “c o s 4 v - c o s 口一x v s m a ( 1 5 ) ( 1 6 ) 式中：口一冰与结构物斜面间的摩擦系数； a 斜面的水平倾角； n 作用于结构物斜面上的正压力。 结构设计主要关心的是冰对斜面或锥面的水平作用力。二维模型的基本思路是认 为水平分力由弯曲破坏和上爬过程所引起的力两部分组成。根据平衡关系和弯曲理论以 及弹性梁假定，可求得作用在冰上的水平总力和垂直力。对于相对冰的特征长度较窄的 结构物，冰的破坏区域宽于结构物本身，且大多的冰块将绕过结构物而非上爬，因而用 二维模型计算作用于锥体上的荷载误差较大。但对宽锥结构物来说，冰的边缘破碎宽度 相对于结构物宽度可以忽略不计，故用二维分析理论模型计算冰力一般可以满足精度要 求。下面介绍一下较为典型的二维理论模型c r o s d a l e 模型。 1 ) c r o a s d m e 模型 由c r o a s d m e 1 j 7 】开发的模型是基于弹性基础上的半无限弹性梁模型，即冰与锥体结 构作用二维理论的变形。该模型如下： ，。、o ( i 7 ) h 。c l d 盯，f 华1 + c 2 z t d p j g 、 d ， 破坏模式对锥体结构冰荷载的影响 y 芸， ( 1 8 ) 亭- ； n 一 岛- s i n a + p c o s a ； ( 1 1 0 ) 邑一s 口- g s i n a ； ( 1 1 1 ) v 为冰排作用在锥体上的垂直冰力；a 为冰的密度；e 为冰的弹性模量；z 为水线上 结构物的干弦高度；口为锥体表面与水平线的夹角；c l 和c 2 依赖于结构物的斜角与冰与 结构物之间的摩擦系数，由下式给出： c 1 - o 6 8 慨邑l g - 最睁署) ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) c r o a s d a l e 考虑了冰对锥体作用的两个过程，即向前运动的冰体弯曲破坏及破碎冰 块沿斜坡上推。因为冰为弯曲破坏，c r o a s d a l e 采用了h e t e n y i 的弹性基础上的半无限 梁这一经典方法。冰破碎后，冰爬坡力是基于简单的几何考虑。方程( 1 7 ) 中右边第 一项冰力由冰破裂引起，第二项由冰的爬坡引起。 由于相对于冰的特征长度较窄的结构物，冰的破坏区域宽于结构物本身，且大多的 冰块将绕过结构物而非上爬。用二维模型计算作用于锥体上的何在误差较大。但对于宽 体结构物来说，冰的边缘破碎宽度相对于结构物宽度可忽略不计。用二维分析模型计算 冰力一般可以满足精度要求。然而在二维理论中对冰与结构物相互作用一些重要的参数 进行分析讨论是非常有意义的。 2 三维模型 在三维理论中认为冰板与锥体作用后形成了几个楔形梁。冰与锥体结构物的相互作 用时产生最大静力载荷，国际上存在两种不同的观点。一种观点认为，最大载荷出现在 环向裂纹出现是，另一种观点则认为最大载荷出现在径向裂纹出现时。很多学者在三维 模型理论中作了大量的工作，较有代表性的有r a l s t o n 模型、c r o a s d a l e 模型和 f r e d e r k i n g 模型。 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 三维模型破坏简图 f i g , 1 2t h r e ed i m e n s i o nf a i l u r em o d e l 1 ) r a l s t o n 模型 r a l s t o n 模型【1 8 1 冰排与锥体结构物进行了弯曲破坏作用的塑性极限分析，导出了水 平与垂直峰值力的表达式： 日- 4 h 乃f 2 + 4 p 谬+ 4 础一群) j y b 1 h + 口：p ，( d 2 d ；) ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 式中；d r 是锥顶直径，彳j ，也为依赖于肼营功呀f 的系数：以，幽，岛，历是依赖 于锥角4 及冰与锥面摩擦系数的系数。 2 ) c r o a s d a l e 模型 c r o a s d a l e 1 9 l 给出的二维理论模型来自于二维斜坡作用结构，适用于计算宽体锥体 结构上的冰力，但对于狭窄的窄锥体来说，由于冰沿结构的破裂宽度远大于水线直径， 使计算的破裂分力低于实际值。c r o a s d a l e 充分认识了这一点，他把作用于窄锥体斜坡 结构水平分力的断裂分量乘以特征长度得函数，表达式 如下； 叫。+ 孚) ，。 c 盹蝉峨g ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) 破坏模式对锥体结构冰荷载的影响 f r e d e r k i n g 模型 f d e 蹦n 一捌认为在结构物迎冰面宽度小于冰板宽度时，冰的环向裂纹长度要显著 大于结构宽度。对大多数自然情况和模型试验，冰作用于结构上的水平总冰力为： 日- 吾 ( 1 1 6 + o 0 3 2 5 宇) + ( 2 2 6 + o 0 8 2 5 亭k p ，- 亭留譬 + p 。g t ( 0 7 6 1 b + o 0 8 a ) b + ( 0 7 6 1 b + o 0 8 a ) ，培拿】宇( ，s ) 其中，亭为水平力与垂直力的比值。 亭-糕cos(as i n t aj pj ( i 1 9 ) 锥体结构静冰力的理论模型相对于试验模式不同的是，理论分析模式都考虑了冰 排的破坏模式。但大多数都采用冰排弯曲破坏模式的假定，而且一般只针对某种弯曲破 坏方式建模，如c r o a s d a l e 采用的半无限弹性梁模型，分析时往往未考虑一般性和破坏 模式的过渡，但理论模型的研究开展的相对较早，例如，海洋平台规范推荐的冰荷载公 式就有r a l s t o n 的理论公式，在目前的工程应用中依然十分广泛。 1 2 4 数值模拟分析 随着对锥体结构与冰相互作用理解的深入以及计算机技术的发展，数值模拟成为研 究锥体结构冰力的一种重要途径。 1 有限元法 k a l d j i a n l 2 1 】建立了冰排与锥体结构相互作用的模型，使用有限元技术进行了数值分 析，主要考虑了非线性材料特性和几何影响，得到的结果与f r e d e r k i n g - t i m c o 模型得到 的试验数据吻合的较好。 2 离散单元法 w a n g 【矧使用离散单元法进行了多年冰排和多年冰脊与一个六面锥体结构相互作用 的数值模拟，分析了冰的破坏过程。模拟结果显示了锥径尺寸对锥体上冰排冰力和冰脊 冰力的影响。 大连理工大学硕士学位论文 3 差异元素法和三维颗粒流法 k a t s u g a r i l 使用差异元素法和三维颗粒流法建立了冰与结构相互作用的三维数值 模拟。给出了正、倒锥结构的模拟结果，其中包括冰在锥面爬坡的初始模拟。同时检验 了改进的颗粒流方法模拟冰排破坏模式的适用性，并将结果与冰池试验数据作了比较。 4 几何网格法 w a n g 【刎将冰的破坏简化为三个连续的过程一挤压、弯曲、堆积，并着重关注前两个 过程。w a n g 基于一个确定的冰破坏力学模型接触、挤压、弯曲，使用几何网格法对冰 与锥体结构物的相互作用进行了数值模拟。通过该方法模拟了j z 2 0 一2 删q 平台的响应。 结果与原型测量符合较好。 1 3 锥体结构动冰力的研究成果 原型结构上的观测显示冰与锥体间的相互作用是动力过程，准静态冰力分析只是在 一定条件下对问题的简化。许多研究者已将锥体冰荷载的确定作为动力学问题处理。一 些冰力模型还考虑了动力学参数对相互作用力大小的影响，作为对准静态作用下极值冰 力的补充和修正。 目前工程中需要解决的动冰力问题的问题大体上包含两个方面：一是要确定什么样 的动冰力是对结构最不利的，二是认清最不利的动冰力的特点。针对上述两个问题各国 学者之前都进行了深入的研究，本章下文将从原型测量、理论分析和模型试验三个方面 主要对锥体结构动冰力的研究成果进行回顾。 1 3 1 原型观测 欧进萍等【2 5 】采用实测冰压力时程，对渤海辽东湾北部的j z 2 0 一2 m u q 平台结构进行了 冰振反应分析，计算了不同设计冰厚、不同冰作用方向和标高及平台桩腿有无正倒锥体 的结构反应，探讨了安装正倒锥体冰排的主要破坏模式及对减轻冰力和结构反应的作 用。y u eo i a n j i n 和b ix i a n g j u n 2 6 l 在渤海的三座多腿平台上进行了冰与结构相互作用 的原型试验，从现场记录的录像及测得数据的分析中发现，冰排与锥体作用呈弯曲破坏， 在高冰速下冰排的破坏频率可能会和结构的自振频率一致，产生动力放大效应。岳前进 等【韧基于现场原型结构测量，研究了冰与锥体结构相互作用的动冰力，建立了确定性的 三参数冰力函数，并讨论了各参数的影响因素。通过实测还发现，冰的破碎长度与冰厚 成正比，冰的破碎频率随冰速增加。 一1 3 破坏模式对锥体结构冰荷载的影响 1 3 2 理论分析 李峰等例提出了一个新的窄锥体结构冰力计算公式。公式由体现锥角效应、接触宽 度效应和冰断裂长度效应的三参数表达，反映了冰力幅值与作用周期的相互关系，可满 足窄锥结构动冰力函数构造的需要。例外，李锋采用长为2 a 宽为b 的等厚度弹性基 础板模型，对锥体结构上冰破坏力随不同弯曲破坏模式而变化的关系进行了定性分析， 给出了由2 个尺寸比表达的与3 种破坏模式相对应的冰荷载表达式和1 个由尺寸比定义 的破坏模式图。见图1 3 。利用这一结果揭示了弯曲破坏冰力幅值与周期大幅度变化的 力学机理。 图1 3 冰排破坏模式定义图 f i g 1 3ad e f i n i t i o nm a po fi c eb r e a k i n gp a t t e r n 刘玉标【蚓在s o d h i 模型的基础上提出一种新的冰与结构的耦合振动模型。该模型引 入冰板破坏长度的特征参数，将冰与结构的耦合作用分为加载、穿透和分离三种典型状 态，给出了各种状态下的运动方程和求解方法及不同状态间的转化关系，获得结构冰激 振动的稳态周期响应。该模型适用于相当宽的冰和结构的参数范围及冰板弯曲和屈曲的 不同破坏方式，易于向多自由度系统推广。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 3 模型试验 n i x o n 等1 3 1 】在冰池使用锥体模型和尿素冰排研究了系泊锥体的动力特性。试验发现 系泊力和平台运动都随冰厚的增加而单调增加，共振和冰堆积的影响使得随冰速变化的 冰力变得复杂，系泊刚度对反力具有显著影响。曲月霞等1 3 2 】使用非冻结可破碎模型冰进 行了冰排与正倒锥结构物作用的模拟试验，分析并讨论了冰排速度、锥体结构物的水线 直径、锥角以及冰排弯曲破坏方向对冰力频谱因子的影响。孔令刚等【3 3 】使用非冻结可破 碎模型冰进行了冰激锥体振动试验，发现冰激锥体振动与冰激柱体振动一样具有“频率 锁定”现象。 k a r n a 等i 蚓在汉堡船型基地a r c t e c 试验室进行了压入试验，以了解直立结构和锥 体结构冰激振动的机理。试验中变化的参数有：结构柔度、阻尼、压入速度、水线面的 几何形状。试验发现，当锥体模型压入速度为2 0 0 m m s 时发生共振，并且锥体结构的动 力响应仅比直立面结构的动力响应有略微的减小。 1 4 各种研究方法的比较 1 原型测量 现场测量方法是在原型结构上安装测量系统，直接对冰力进行连续测量，得到冰力 数据。虽然现场测量的数据是非常真实的，但现场测量却受限于环境和技术的影响，得 到的冰力数据并不完备。但作为现场仅有的数据还是非常重要的资料，相信随着测量设 备的不断改进，现场测量还是冰力研究的一个重要的方法。 2 试验研究 模型试验是在实验室使结构与模拟冰作用。这种方法相对于原型测量有很多的优 势，它可以通过人为控制如冰厚、冰速、冰的性质等参数来分析各个参数的影响，得到 一个经验公式。参数测量准确，同步，效率较高，可得到规律性，但研究成本高。实验 中往往对冰的破坏模式采用弯曲破坏假定，对破坏模式无详细的描述和区分。而且实验 室研究还有其不足，比如说实验室的冰的性质是人造的，而且很难模拟自然条件下的冰 的破坏过程，得到的经验公式也只适用于一定的范围，推广时应注意其使用的条件。 3 理论模型分析 理论分析是采用建立力学模型，运用现有的力学和数学手段得到冰力公式，理论分 析有其优点，如理论分析主要进行机理研究和建立分析模型。通过分析可以抓住现象的 本质，得到更普遍的规律，分析中给出方法的适用条件，可对最终结果作出预测，同时 一1 5 一 破坏模式对锥体结构冰荷载的影响 通过对关键参数的控制可以给出定性和定量的分析。这种方法的局限性在于很难给出接 近于现实的假设，得到的冰力公式与现有的测量数据往往相差较大，但如果经过深入分 析，得到各种修正后的冰力公式也将对于实验研究作和好的理论指导。随着各种有限元 分析软件的出现，使用有限元分析进行数值模拟的方法越来越引起学者们的注意。这一 方法有非常明显的优势，它可以进行大规模计算，而且有限元理论随着几十年的发展也 已经相当成熟。但目前为止这方面的研究还不多。 综合以上的各种方法，都有自身明显的优势但也存在着明显的不足，目前的问题是 要有效结合以上各种方法的优势，以理论分析为基础，以实验室研究为依据，二者有机 结合对开展锥体冰荷载的研究将十分重要。 1 5 锥体结构冰荷载机理 锥