（固体力学专业论文）渤海锥体结构动冰荷载研究.pdf

摘要 基于原型结构现场测量，研究了冰与柔性锥体结构相互作用的动冰力。通过对课 题工程背景的描述和现有相关研究的文献综述，论证了动冰力是当前冰荷载研究的重 点，冰排的破碎尺寸是动冰力研究的关键。 作为课题研究的基础，讨论了冰激锥体结构振动的机理，描述了交变动冰力的特 征，叙述了简化的动冰力函数及其参数的确定方法。 对于冰一锥三维接触模式研究，提出了单点和多点形成接触面的理论，论述了冰 排在锥面上的非同步爬升，最终给出两种破坏模式的三维接触模式。给出了两种主要 破坏模式的破坏机理，即拉应力破坏。 理论分析了冰排的破坏荷载和边界条件，分两种情况：1 ，冰排受集中荷载。2 ，冰 排受定宽度均布荷载。 数值分析接触宽度和破坏模式的关系。把冰排简化为三维弹性板，作用不同宽厚 比的荷载，通过计算冰排的应力沿板长分布，按照普遍认可两种破坏模式在破坏点的 应力特点，推断出破坏模式，从而得出荷载宽厚比和破坏模式的关系。 根据冰排的拉应力破坏机理，最大拉应力点就是断裂点，数值分析冰排应力，预 测破碎长度，与现场观测结果进行比较，预测值与观测值相符。 关键词海冰；锥体：动冰力；破坏模式；破碎长度 as t u d yo fd y n a m i ci c ef o r c eo nc o n i c a ls t r u c t u r e i nb o h a ib a y a b s t r a c t b a s e do nt h em e a s u r e m e m so fj z 2 0 2p l a t f o r mi nb o h a ib a y , a ne x a m i n a t i o no ft h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ei c es h e e ta n dt h ec o n ei sm a d e g i v m gar e v i e wo f r e l a t e dr e s e a r c h c o n s e q u e n c e sa ta b r o a da n dh o m e ，a nd i s c u s s i o no fd y n a m i ci c ef o r c ed o m i n a t e st h e d o m a i n ，t h eb r e a k i n gl e n g t hi st h ek e y t ot h ed y n a m i ci c ef o r c er e s e a r c h ad i s c u s s i o no ft h em e c h a n i s mo fi c e i n d u c e dv i b r a t i o ni sg i v e n ，ad e s c r i p t i o no ft h e c h a r a c t e r i s t i co fd y n a m i ci c ef o r c e di sp r e s e n t e d ，as i m p l i f i e dd y n a m i ci c ef o r c ef u n c t i o n a n dt h ed e t e r m i n a t i o no f r e l a t e d p a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d 1 一p o i n t - a n d - m u l t i p o i n t i n t o f i n a l i n t e r f a c ei sg i v e n h o wt h ei c es h e e tr i d e su po n t h e f a c eo ft h ec o n ei sa l s op r e s e n t e d e v e n t u a l l y3 - dc o n t a c tm o d e so ft w od o m i n a t ef a i l u r e s c e n a r i o sa r ep r o p o s e d ，t h em e c h a n i s mo ft w od o m i n a t ef a i l u r es c e n a r i o si s p r o p o s e d ， n a m e l y f a i l u r ei nt e n s i l es t r e s s at h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h eb r e a k i n gi c ef o r c ea n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o no ft h ei c e s h e e ti s 百y e n ，d i v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e s ，1 ，t h ei c es h e e ta p p l i e db yt h ec o n c e n t r a t e d f o r c e ，2 ，b y t h ed i s t r i b u t e df o r c e an u m e r i c a la n a l y s i so ft h er e l a t i o n sb e t w e e nt h er a t i oo fw i d t ht ot h i c k n e s sa n d f a i l u r es c e n a r i o si sg i v e n ，r e d u c i n gt h ei c es h e e ti n t oe l a s t i cp l a t ea p p l i e db yd i f f e r e n t f o r c e s ，t h ef a i l u r em o d e sa r ed e d u c e db yc o m p u t i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s si nt h e d i r e c t i o no ft h el e n g t ho ft h ep l a t e ，b yc o m p a r i n gt ot h ea d m i t t e dc h a r a c t e r i s t i co ft w o d o m i n a t ef a i l u r es c e n a r i o sa tt h eb r e a k i n gp o i n to ft h ei c es h e e t ，i nt h i sw a y , t h er e l a t i o n s b e t w e e nt h er a t i oo f w i d t ht ot h i c k n e s sa n df a i l u r es c e n a r i o si se x a m i n e d a c c o r d i n g t ot h ef a i l u r em e c h a n i s mo f i c es h e e t ，t h ep o i n to f m a x i m a it e n s i l es t r e s si s t h eb r e a k i n gp o i n t ，an u m e r i c a ip r e d i c t i o no f b r e a k i n gl e n g t hi se x a m i n e d t h ep r e d i c t e d v a l u e sh a v ea g o o da g r e e m e n t w i t ht h em e a s u r e dv a l u e s k e y w o r d s ：s e a i c e ；c o n e ；d y n a m i ci c ef o r c e ；f a i l u r es c e n a r i o ；b r e a k i n gl e n g t h l i 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：日期： 渤海锥体结构动冰荷载研究 i 前言 随着经济和科技的发展，资源的勘探与开发显得越来越重要。而陆地资源严重短 缺，人类开始步入海洋资源开发。而作为海上作业、生活主要基地的海洋平台结构， 以及用于导航的灯塔，用于海上交通的大桥等重要结构越来越受到人们重视，针对平 台的结构设计和生存能力分析，世界各国专家学者纷纷对此开展了研究和讨论。在我 国，从8 0 年代就开始了海洋石油的勘探与海上石油平台的架设，但随之也带来了各 种问题。在渤海和黄海北部海域每年冬季都会受到不同程度海冰灾害的影响。国家 及各有关单位投入大量的人力、物力、财力进行减轻和预防海冰灾害的研究工作0 1 。 尤其在我国的渤海湾，由于地理条件和气候的原因，每年冬季都有一个冰期，对于船 舶的安全航行、港口的建设、海洋石油的生产都有很大影响。 在冰区，海冰是海洋结构设计的主导因素。近2 0 年来，国际上对如何预测寒区 结构物的冰荷载的方法进行了广泛的研究，经过不懈的努力，取得了许多研究成果。 然而冰与结构相互作用是一个十分复杂的问题，它涉及到结构的特性、冰的特征、并 与结构相互作用的力学机制，以及影响这些机制、特征的外界环境因素等。因此，要 想弄清楚冰与结构的作用过程，仍需大量的研究。 在近海工程的结构设计过程中，冰荷载是重要的参数。各国研究人员一直试图设 计能降低冰力的抗冰结构，其中利用锥体结构取代直立结构被公认是一种比较理想的 方法。 研究指出，冰与结构作用产生的荷载( 即冰力大小) 是由冰的破坏形式决定的。 无论抗冰结构的形式如何，极值冰荷载取决于承载力极限状态下冰的破坏强度。当冰 板与直立结构作用时为挤压破坏，冰力大小与冰的压缩强度有关；而当冰与斜面结构 作用发生弯曲破坏时，冰力与弯曲强度有关。由于冰的弯益强度一般只有其压缩强度 的三分之一左右，所以对于同样的冰使其产生破坏时，斜面结构所受的冰荷载应小于 直立结构。对于圆柱桩结构的近海结构，在与冰面接触部位安装一定坡度的锥体将会 起到降低冰力的效果。 自7 0 年代就有人提出利用锥体降低冰力的概念，并随即开展了理论和实验研究， 以确定冰与锥体作用的冰力大小。研究表明，锥体冰力与锥体的倾角、接触宽度等因 素有关。即冰力降低的效果随锥角的增大而降低。模拟实验和现场观察表明，当锥角 渤海锥体结构动冰荷载研究 达到6 5 7 0 度以上时，冰板不再发生弯曲破坏，同时增加锥体的锥径也会降低锥体 的效果。为此，人们提出了各种形式的锥体，以使锥体的抗冰效果更好。这些锥体形 式包括：固定锥体与漂浮锥体；正锥体与倒锥体、以及正倒锥组合锥体。所谓固定锥 体就是将锥面固定在结构冰作用面上，而飘浮锥体则可以随着水位的增降而上下变 化，它可以保证潮位变化较大时，冰板仍然可以与锥面接触作用。 j z 2 0 2 平台是我国独立设计与建造的四腿导管架平台，位于冰情比较严重的渤 海辽东湾北部。平台投产前进行了一个冬季的冰力测量，发现当冰速为2 0 c m s 左右 时，会出现较为严重的冰激振动现象。为了降低冰力和减轻冰激振动，在平台的每个 桩腿水面部位安装了固定式正倒锥体。所加锥体的最大直径( 即正倒锥体连接处的直 径) 为4 m ，上锥体的锥角为6 0 。，下锥体的锥角为4 5 6 。而在未加锥之前柱体的桩 腿的直径为1 6 7 m 。然而，人们对固定式正倒组合锥体的方案提出了些疑问，本文 通过以下各章的分析论述，回答工程界和学术界关于锥体冰荷载与冰激振动的若干问 题。 到目前为止，国内外学者进行了大量的关于冰一锥相互作用的研究。但是，大多 数研究人员止于静冰力的研究，忽略了冰排与锥体作用时的动力效果。冰激结构振动 问题的研究集中于直立结构，最早研究冰激柱体结构振动的是p e y t o n ( 1 9 6 8 ) “1 和 b l e n k a r n ( 1 9 7 0 ) s j 他们注意到海洋石油平台在冰力的作用下会产生振动，同时他们 对这一现象进行了分析。随后，许多学者对冰激柱体结构振动现象进行了大量的研究， 主要有s o d h i ( 1 9 8 8 ，1 9 9 4 ) “”，t i m c oa n dj o r d a a n ( 1 9 8 7 ) o ，k a r n a ( 1 9 9 3 ) 叫等。这些 研究集中在冰发生挤压破坏后结构响应的描述。对于冰一锥相互作用的冰激振动问题 研究相对较少，实际上，虽然安装了锥体可以减小冰力，但由于冰弯曲破坏断裂过程 非常有规律，如果冰与锥体作用时的断裂频率与结构的固有频率接近或一致就会产生 结构的动力放大现象，严重情况下可以产生共振现象。这样，由于弯曲破坏而降低冰 力的效果可能丧失。因此非常有必要对冰激锥体结构的振动进行研究。y u ee t a l ( 1 9 9 8 ) “通过对现场原型结构测量数据的分析，发现当冰排与柔性锥体结构相互作 用时，冰的破坏周期可以与结构的固有周期一致，即存在冰激结构的共振现象，指出 了研究锥体结构动冰力的重要性，并提出了一个简化的冰力函数。为冰激锥体结构振 动问题的研究奠定了基础。 本文在综述了以往关于锥体结构冰荷载研究成果的基础上，通过对连续多年的现 场测量所得到的第一手材料的分析，总结了冰排与锥体相互作用过程中结构振动响应 规律，介绍了冰力函数的简化形式，其中冰力周期对冰激结构振动响应有很大影响。 渤海锥体结构动冰荷载研究 同时通过对录像数据的观察分析，发现冰排与锥体结构相互作用发生弯曲破坏时会产 生几种不同的破坏方式，不同的弯曲破坏方式对破碎冰块的破碎长度有很大影响进而 影响到动冰力的周期，从而影响到结构的振动。本文所做的工作主要包括以下几部分： ( 1 ) 对前人锥体结构的冰荷载研究工作进行了回顾和总结。 ( 2 ) 两种主要破坏模式的接触模式及形成机理研究。 ( 3 ) 理论分析冰排破坏荷载和边界条件。 ( 4 ) 接触宽度与破坏模式关系以及破碎长度数值分析a 渤海锥体结构动冰荷载研究 2 研究现状及锥体冰荷载机理 2 1 工程背景与意义 目前，海洋平台大部分是直立导管架结构，在冰区平台的抗冰性能是设计与建造 平台结构时必须考虑的重要因素。众所周知，加大导管架桩腿直径可以提高平台的抗 冰性能，但是造价的问题也是建造平台时需要考虑的。因此，在实践过程中人们就从 其它渠道来寻找降低海冰影响的方法，在理论分析和现场积累的经验中，发现冰在弯 曲破坏时的冰力要远远小于挤压破坏时所需的冰力，于是想到通过在导管架桩腿上安 装抗冰锥体来达到降低冰力的效果。实践结果也验证了这一方案的可行性。 但冰与锥体结构作用是一个复杂的力学过程，冰力的大小与冰厚、冰速、冰的力 学行为以及锥角、锥面摩擦系数和锥径等许多因素有关，目前还无法准确地模拟这一 过程。到目前为止，对锥体冰力的研究重点还主要是集中在冰与固定式上锥体的静冰 力的研究。为了对前人的研究成果有比较全面的了解，在本章中简要地回顾了国际上 已有的锥体冰力研究成果。 2 2 国内外静冰力研究进展 海冰静力作用的重要特点是它对结构物破坏的严重性以及对环境和结构条件的 敏感性。运动着的大面积流冰称为冰排或冰场。它遇到结构物的阻拦时，会对结构物 产生作用力一即冰力或冰荷载。冰力是随机荷载，典型的冰力时程曲线里不规则的锯 齿状，它反映了在结构物前冰排逐块破碎、剥落的过程。在工程设计中常不采用冰力 时程曲线作为设计依据，而是把冰力作为一个确定值，习惯上把这种设计冰力称为静 冰力。但对于研究结构物在冰力作用下的动力响应时，要涉及到冰力的历时过程。可 见，所谓静冰力只是工程中的一种处理方法，并不反映冰力的产生机制。本章将简要 地回顾国际上开展的锥体冰力研究成果。 国内外一直开展着关于锥体静冰力的研究工作，大体可以分为三个方面：一方面 是基于机理研究的理论模型；另一方面是基于数据处理的实验模型；同时，国内外学 者也进行原型结构的现场测量。锥体冰力的理论模型简单的可以分为：二维模型，三 维模型及塑性极限模型。由于冰与锥体作用过程的复杂性，工程界倾向于基于实验数 据建立的冰力计算模型。 2 2 1 锥体静冰力分析的理论模型 4 渤海锥体结构动冰荷载研究 1 二维理论模型 c r o s d a l e “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。冰与斜面结构相互作用如图2 1 所示： 图2 1 冰与斜面结构相互作用示意图 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 和垂直分力v 分别为： h = n s i n a + u n e o s a v = n c o s a - i v s i n a 式中：一冰与结构物斜面间的摩擦系数 口一斜面的水平倾角； n 一作用于结构物斜面上的正压力。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 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，我们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。 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 渤海锥体结构动冰荷载研究 现在环向裂纹出现是，另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。 图2 2 三维模型破坏简图 f i g l 2 2t h r e e d i m e n s i o nf a i l u r em o d e l r a l s t o n 模型 r a l s t o n “”对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= a 4 阻。町，2 + 彳2 p 。卯2 + a 3 p 。g ( d 2 一d ；) 】 ( 2 3 ) 矿= b i h + b 2 p 。( d 2 一d ；) ( 2 4 ) 式中：聃是锥顶直径，a 。、a 2 为依赖于p 堪酽or t 的系数；a 3 、a 4 、b 1 、b 2 是依赖于 锥角a 及冰与锥面摩擦系数u 的系数。 g r o a s d a l e 模型 g r o a s d a l e 对二维模型的不合理部分进行了改进，冰基于弹性基础上半无限弹性 梁给出模型。表达式如下： 风。= 吼。f d + 剥，。 汜s ， 印盯，降厂+ 巴觋g 眩 f r e d e r k i n g 模型 f r e d e r k i n g “”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： 渤海锥体结构动冰荷载研究 日= ；【( 1 1 6 + o ，0 3 2 5 乎) + ( 2 2 6 + o 0 8 2 5 善b 厶】町善- 姆譬 + 尸，占，r ( 0 7 6 l b + o 0 8 a ) b + 。7 6 l b + 0 0 8 a ) 培詈 善c z z ， 其中，乎为水平力与垂直力的比值。 f = ( 2 8 ) 2 2 2 锥体冰力的实验模型 由于冰与锥体作用过程的复杂性，工程界更倾向于基于实验数据建立的冰力计算 模型。下面介绍一下比较常见的实验模型。 1 e d w a r d s c r o a s d a l e 模型 基于实验室实验，e d w a r d s c r o a s d a l e “”给出了作用在锥体上水平冰力的经验 公式如下： h = 1 6 仃r + 6 0 p 。g o t 2 ( 2 9 ) 式中h 一冰排作用在锥体上的水平冰力 p i 一水的密度 or 冰排的弯曲强度 t 一冰排的厚度 d 锥体的水线直径 g 一重力加速度 方程( 2 9 ) 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 e m 2 ，冰与锥体的摩擦系数为o 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。 2 k a t o 模型 k a t o ( 1 9 8 6 ) “”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= 以【d 2 一d ；扣。g t + b 盯r r 2 ( 2 1 0 ) 矿= 4 ( d 2 一珥扣，g t + b v c r ，r 2 ( 2 1 1 ) 系数a h 、a v 、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 渤海锥体结构动冰荷载研究 1 0 k d a 到4 0 k p a 的弯曲强度，模型冰厚的范围从2 0 r m m 到5 0 蚴。冰与结构物之间的 摩擦系数为o 0 9 ，锥角从4 5 。到8 0 0 。 3 h i r a y a m a - o 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 ) ”建议了如下冰与结构物相互作用模型： h = 0 7 p i g t d 2 善弘和 s i n a + 2 4 3 “汜 方程( 2 1 2 ) 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 o b a r a 进行模型实验考虑的模型冰厚范围为o 6 5 3 1 ，冰的弯曲强度范围为2 9 到 7 1 0 k p a ，冰的弹性模量范围为2 5 到2 0 0 0 k p a ，锥角从5 0 。到8 0 0 ，水线处锥体直径从 1 0 4 到3 7 5 c m ，锥体的顶端直径从4 0 到3 0 5 c m 。 4 把破碎长度引入冰力公式的模型 对于冰荷载的研究国际上进行了大量工作，除了以上所述比较著名的模型，这方 面工作还有：m a a t t a n e nm 等( 1 9 8 5 ) m 3 ，n e v e ld e ( 1 9 9 2 ) “”，p e a r cj c ( 1 9 7 9 ) “，李 峰，岳前进( 2 0 0 1 ) 给出如下冰力与冰排断裂长厚比的关系： 上一竺墨鲎 吖2 6 ( 1 - 0 0 0 2 虫t 2z - 2 毒害 ( 2 1 3 ) 其中，v 是锥面对冰排的竖向反力；一，是冰的弯曲强度。为了便于实现量纲协 调，采用断裂长度与冰厚之比 作为分析参数，其它的几何量也采用了无量纲形式。 n = b t ，b 为冰排破坏时与锥体的接触宽度。角度0 与宦相关，不是独立变量。f 是 竖向反与水平反力之比，与锥体坡角口和坡面与冰间的摩擦系数t 有关： 孝= 竺竺掣 c o s 口一2 s l n 盯 ( 2 1 4 ) 式( 2 1 3 ) 可称为锥体冰力的无量纲三参数( 栉，如f ，f ) 公式。式中分子的第二 项代表冰排破坏时接触宽度的影响；分母中的第二项代表浮力变化的影响：第三项代 表水平冰力对冰排弯曲破坏的影响。当长厚比z 以采用现场观测值时，按式( 2 1 3 ) 计算的冰力与国际上常用的几个公式符合良好。 根据现场冰情，冰排的厚度较小而爬坡时的挠度较大，推导式( 2 1 3 ) 时，还采 用了坡面水平反力的偏心效应与接触点的挠度效应可综合抵消，忽略不计的简化假 定。 式( 2 1 3 ) 表示，冰力是断裂长厚比肛j r 的非线性连续函数，一定存在着极值。 进一步的分析显示，满足极值条件的| j 将产生最小冰力，因而该k 值应为实际可能的 值。由式( 2 1 3 ) 对k 求偏导数，得： 渤海锥体结构动冰荷载研究 女3 + o 7 5 7 b 增i 0 i 2 - 8 3 3 3 4 一1 2 5 了b 曾百0 = 0 ( 2 1 5 ) 这是一个关于k 的三次方程，其根的一般解析式比较繁。为了更加明确不同因素 对断裂长厚比k 的影响，我们改为寻求其数值解。式( 2 1 5 ) 显示，对于给定的冰厚 来说，k 是过程参数露和坡面参数f 的函数。丑和f 值的选取应考虑实际结构上的典 型过程，它们分别代表接触宽度影响和冰爬坡阻力的影响。 以上我们仅仅是对国内外学者的有关静冰力方面的研究工作进行了简单的介绍 和罗列，其中一些研究方法与结论并不完善和严谨，或与我们要分析的锥体结构关系 不大，因而在使用上述模型时我们要注意我们所用到的条件。 2 2 3 基于原型结构的现场测量 为了更透彻研究冰锥相互作用过程中产生的冰力，国内外学者在进行理论分析和 模型实验研究的同时，也进行了原型结构的现场测量。国外主要是对加拿大的桥和芬 兰的灯塔的进行测量，得到第一手的现场数据。但是这些结构物都属于宽锥，而渤海 的j z 2 0 2 平台是窄锥结构。我们的课题组在岳老师的带领下，每年冬天都要到渤海 的采油平台上进行现场观测，得到了大量的有用的数据，为迸行理论研究和进行模型 实验提供了检验标准。 2 3各种研究方法的比较 2 3 1 理论模型的特点和局限性 要分析冰与结构的相互作用，首先要了解冰与结构是如何相互作用的，作用的方 式有哪些，以及作用机理如何等等。许多学者通过理论研究精辟地解释了冰的破坏过 程，建立了相关的理论体系，为工程界的实际应用打下了必要的坚实的基础。 但早期的相关研究注重的是冰与结构相互作用的冰荷载，其分析方法建立在弹性 基础梁( 或板) 弯曲理论的基础上，并不能满足设计者对估算冰设计荷载的需要。同 时由于冰这种材料自身的特殊性，以及自然界环境条件的极端复杂性，我们不能仅仅 运用理论来建立包括所有控制参数的精确的数学模型。在工程实际中，人们更看重的 是通过实验模拟得出来的结论。 2 3 2 模型试验的特点与局限性 模型试验在分析确定冰与结构作用的静冰力方面具有不可替代的作用。很多方 面，模型试验与原型结构测量系统有很多相似甚至相同的地方，例如，在试验中也需 要用到统计与随机的理论，不同是在模型试验中，实验条件以及环静等因素可以较严 格的控制和调节。 但是实验室自身条件的约束，模型试验不可能完全模拟现场环境，各种实验条件 也远远达不到现场条件下的标准，得到的经验公式无法描述实际情况下冰力的大小。 渤海锥体结构动冰荷载研究 2 3 3 原型结构测量的特点与局限性 基于现场原型结构冰力测量系统要比室内模型试验复杂的多，这包括测量与分析 的复杂性。 在模型试验中为了确定静冰力，是衍射集中特意要让结构的固有频率远大于冰的 破碎频率。而在原型结构测量中，会发现抗冰结构的固有频率很难避开冰的破碎频率， 这就需要在测量中考虑结构的动力效应。 但同样，由于现场条件和环境的复杂性，以及荷载的随机性，原型结构测量的结 果有时并不理想，甚至于理论模型和实验室试验所得到的结论背道而驰，因此必须从 统计学与随机理论的角度来对待处理这种现象，用统计分析的方法计算各种要素的随 机分布，做中得到的是随机条件下冰荷载特性和结构的响应特性。 综上所述，原型结构钡0 量体系与理论模型和实验模型三者之间相辅相成，缺一不 可。 2 4 锥体冰荷载机理 锥体结构的冰荷载机理可分为4 个层次：静动力模式效应；作用过程效应；破坏 模式效应和内力分布效应。 1 静动力模式效应 锥体结构上作用的冰荷载与直立结构一样，也分为静力模式和动力模式两类。同 一种参数，如冰速，在静力和动力两类模式下的冰荷载效应具有不同的概念和规律。 动力模式需考虑荷载随时间的变化。对于在柔性平台的直立桩腿上加锥的结构，动冰 力作用周期可能与结构自振周期接近，造成动力响应的放大。 2 作用过程效应 与直立结构相比，冰一锥相互作用过程涉及更多的现象。在一次冰作用过程中可 能包括冰排沿径向和环向的开裂、翻转、爬升、清除或堆积等等阶段，每一阶段具有 相应的冰力机理。结构坡面的几何特征对上述过程有决定性的影响。按照动冰力模式 进行冰力分析应考虑到各阶段在时间上的分布特征。 3 破坏模式效应 与冰的破坏相对应的冰力随破坏模式的转变可能有很大的变化。采用锥形迎冰面 的结构设计的目的是希望冰发生弯曲破坏，相应的冰力由冰的抗穹强度控制。但在实 际过程中也能见到非弯模式，同时也发生不同的弯曲破坏方式。 4 内力分布效应 对于确定的破坏模式而言，影响冰力的直接因素是冰排的内力分布。主要的内力 分量是弯距和面内压力。弯距由结构的竖向反力产生，当挠度很大时，水平力产生的 附加弯距也不能忽略。水平力与竖向力的比例取决于结构坡角和摩擦系数。这样就与 1 0 渤海锥体结构动冰荷载研究 结构和冰参数相联系。 利用上述冰荷载机理针对j z 2 0 - 2 加锥平台进行分析，得到如下认识： 1 ) 结构属于柔性平台，冰力作用周期与结构自振周期接近，冰力为动力模式。 2 ) 锥形具有窄锥特征，冰力以破坏分量为主。破坏过程应考虑到作用面宽度和 正倒锥面的变化。 3 ) 在一般条件下，冰排破坏模式为弯曲，弯曲破坏的冰力与冰的断裂长度相关， 或者说，弯曲动冰力的幅值与周期有关。冰力公式应以相关方程形式给出。 4 ) 反映冰力变化的参数选取应兼顾到便于现场观测，并采用无量纲形式以便于 比较。 2 5 小结 本章回顾了国际上关于锥体冰力的理论计算模型、实验模型和原型结构的现场 测量，这些成果为我们进行更深刻地研究提供了依据。但是，我们也可以看出，各国 在锥体冰力研究工作中还存在着一些问题： 1 ) 无论是理论计算模型还是模型实验都没有得到原型结构的验证： 2 ) 大部分都没有考虑到动冰力。 同时，简要地分析了锥体冰荷载的机理，并针对渤海j z 2 0 2 平台的具体情况进 行了分析 渤海锥体结构动冰葡载研究 3 锥体结构的冰激振动及交变动冰力 3 1 引言 冰激结构振动是目前工程比较关心的问题，冰振能引起诸多问题，如结构疲劳问 题，同时影响生产人员的休息以及对生产系统产生影响。在平台桩腿上加设抗冰锥体 是一项有效的降荷抗振措施。渤海的工程实践显示，加锥使冰排破坏以弯曲为主，因 而显著降低了冰荷载，但是另一方面，冰力作用的周期性却相应增强了，这可能会导 致结构响应的动力放大。 冰激直立结构振动现象早在二十世纪六十年代在美国阿拉斯加库克湾的海洋平 台上进行了观测与研究。后来，又在其它柔性结构上观察到冰激振动现象，文献。1 对此进行了总结。尽管对冰激直立结构振动的机理尚不完全清楚，但至少研究结果表 明，冰在挤压破坏过程中可以产生周期性荷载，可以导致结构的剧烈振动。而当直立 结构安装上锥体，冰由挤压破坏转变为弯曲破坏后，人们对这种锥体结构的冰激振动 与动冰力的研究则比较少。冰激振动问题在渤海海域是比较突出的。一是由于相对于 极区海域，渤海的冰厚较薄，结构设计的相对较柔，冰作用时结构储存较多的变形能。 二是渤海由于强烈季节风与潮流的共同作用，海冰的流速很快，使得海冰与结构作用 时海冰的破碎频率能跨越结构的固有频率。为了全面分析冰激结构振动机理，现场原 型结构测量需要三部分内容：直接冰力测量、结构响应测量和海冰参数测量。测量仪 器安放在j z 2 0 2 中北平台的井口平台( m n w ) 与生活动力平台( m u q ) 上，如图 3 1 所示。 图3 1 现场原型观测系统简图 f i 9 3 1f u l l s c a l et e s ts y s t e m 1 2 渤海锥体结构动冰荷载研究 本文通过对现场观测所得到的数据的分析，对渤海j z 2 0 2 海洋平台的结构振动问 题进行了讨论。同时，本文对动冰力函数及其简化形式进行了介绍。 3 2 锥体结构响应动力放大现象 3 2 1 锥体结构与直立结构振动响应特点的比较 1 锥体结构振动响应的特点 目前来看，冰区海洋导管架平台结构有直立桩腿和加锥桩腿两种。两者在结构振 动响应方面有着本质的区别，现场观测以及数据处理也表现出了其不同之处。锥体结 构由于海冰破坏模式是以弯曲破坏为主，其冰激振动响应有其独有的特征，冰力时程 较有规律，具有明显的周期性，其宏观表现就是结构在外冰力作用下基本按其固有频 率发生振动，高频成分几乎没有，在结构上就呈现一种非常光滑的正弦振动曲线，其 振动频率基本等于结构固有频率。当冰速与冰厚达到某种特定值，冰力周期接近甚至 符合结构固有周期时，结构发生共振。最近几年，课题组成员在j z 2 0 2 m u q 平台甲 板上安装了拾振器，记录了结构振动响应时程曲线。得到的典型的锥体振动曲线如 下图所示： 3 8 53 9 03 9 54 0 04 0 54 10 4 154 2 04 2 5 时间( s ) 图3 2j z 2 0 - 2m u q 振动响应时程曲线 f i 9 3 2t y p i c a lc u r v e o fr e s p o n s eo f7 2 2 0 2m u q 文献( 6 ) 对其进行了谱分析曲线如下图3 - 3 ：从图中我们可以看出，锥体结构振 动，有明显的动力放大和衰减过程。冰力时程具有明显的周期性，而频率分析又发现 其频率主要集中在o 8 9 8 ，超过了结构的固有频率o 8 7 5 ，这样就完全可能在冰力频率 接近甚至符合结构固有频率时引起平台的共振发生，这对于结构的安全是非常不利 的，在工程上也应该尽量避免。 渤海锥体结构动冰荷载研究 1 5 0 1 0 0 5 0 0l2345678 i频率( h z ) 图3 3m u q 振动曲线频域分析 f i 9 3 3t y p i c a lc u r v eo f f r e q u e n c ya n a l y s i so f m u q 但实际情况是，锥体结构在冰激振动下达到共振的情况很少见，或者即使发生共 振也不会持续多长时间，一般来讲，动力放大次数均不超过1 0 次，都在3 至7 之间， 因而对结构破坏，特别是疲劳破坏不会造成很大的影响。分析其原因是因为海冰与锥 体作用的随机性导致了破碎的不规则与冰力周期的随机性，从而使得结构振动放大与 衰减交替进行。 2 直立结构振动响应的特点 直立结构上海冰破坏模式主要是挤压破坏，冰力高且周期短，频率变化范围大， 规律性差。其宏观表现是结构在按其固有频率振动中受到外冰力影响较大，各种频率 成分对结构振动都有贡献，其振动曲线中夹杂着高频成分。分析其振动频率，发现高 阶频率很多，有时呈白噪声状。而这些高频成分往往对结构上部建筑和管线造成很大 的影响和破坏。换句话说，平台可以呈现连续的高阶振动模式，这些高阶微幅振动虽 然对平台结构本身的危害不大，但对于平台井口等上部设施，却可以被选择性地吸收。 从而造成上部设施的剧烈低周微幅振动。图3 4 为直立结构一般随机振动。 薹n 5 1 0 0l0 51 1 0 时间( s ) 图3 4j z 9 3 平台振动时程曲线 f i 9 3 4t y p i c a lc h v eo f r e s p o n s eo f j z 9 - 3 渤海锥体结构动冰荷载研究 除此以外，直立结构在某些条件下发生稳态振动时，结构强烈振动持续时间较长， 频率非常之高，可以导致导管架结构短时间内出现疲劳裂纹，造成低周疲劳破坏，而 这种破坏模式恰恰是工程中最危险的模式。图3 5 为直立结构发生稳态振动的结构位 移响应时程曲线。 4 06 08 01 0 0 1 2 0 t i m e ( s e c o n d ) 图3 ，5m s 平台稳态振动结构位移响应时程曲线 f i 9 3 ，5t y p i c a lc u r v eo fr e s p o n s eo fm sp l a t f o r m 3 二者进行比较 4 综上所述，我们的观点是，冰区平台结构在加装抗冰锥体后，对平台的安全保护 来讲，效果是明显的。但如果能打乱平台锥体的破坏周期性，使冰的破碎周期远 离结构固有周期，表现为一种无规律的振动形式，那么其抗冰效果将会更好。 3 2 2 锥体结构振动响应与冰速、冰厚的关系 我们知道，冰的破碎频率又与冰速、冰厚有很大的关系，令冰的破碎频率等于结 构的固有频率则可得到结构共振的冰厚与冰速组合。文献“”根据对几年来实测数据的 分析与总结，初步定性地给出了j z 2 0 2m u q ( 夸o 8 8 h z ) 与m n w ( 仁- - 1 1 3 ) 结构 振动响应与冰速、冰厚之间的关系，如图所示： 2 0 1 5 v 1 0 蛩 基 5 m u q 名 jj 02 04 06 08 01 0 0 冰速( c m s ) 图3 6 结构发生共振时的冰速与冰厚组合条件 f i 9 3 6c o m b i n a t i o no f t h i c k n e s s a n d v e l o c i t yc a u s i n g r e s o n a n c e 1 2 伸 5 o 伯 佰 一e一lumea。毋id盥o 渤海锥体结构动冰荷载研究 从图3 6 中可以看出，结构的刚度越小，在相同的冰速下，发生共振时的冰厚越 大。因为冰与锥体作用时静冰力的大小与冰厚的平方成正比，即相同冰速时，刚度小 的结构发生共振时冰力幅值大。对渤海海域，大多数情况下，冰速通常在3 0 5 0 c m s ， 很少超过8 0 c m s 。不论是从最危险情况还是从抗疲劳的角度分析，提高结构的固有 频率可以降低冰激共振的幅值，并可以延长结构的使用寿命。提高结构固有频率的方 法有两种，一是减轻结构的上部质量，二是增加结构的刚度。对于海洋平台这样的结 构，其上部的质量主要是由生产设备决定的，可以减轻的幅度有限，因此只能通过改 变结构的几何形状来增加结构的总体刚度。 由于现场实测数据由于各种随机因素的不确定性与结构本身的复杂性以及冰厚 冰速数据的不完备，以上的标准还需进一步的验证补充和改良。 3 3 交变动冰力模型 3 3 1 冰一锥相互作用的动冰力机理分析 相对于直立结构，冰与锥体结构动力相互作用的机理比较简单一些。漂流的冰排 向着锥体结构运动，与锥体结构发生接触，在一般的情况下，发生弯曲破坏，这就使 在破坏过程中产生了周期性的冰荷载，如果冰力的周期接近于结构的固有周期，就会 发生动力放大现象，而当冰力周期等于结构的固有周期时，就会使平台发生共振。 3 3 2 三维动冰力模型 冰激锥体结构发生振动，振动方程为： 【m 】 y ( t ) + c 】 y ( o + 【k 】 y ( i ) ) 2 f ( t ) 这里：m 】，c 1 和m 分别为结构的质量阵，阻尼阵和刚度阵。y ( t ) 为结构的位 移响应，f ( t ) 为外力向量，在冰与结构相互作用问题中外力向量即为冰力函数。 获得冰力函数对工程结构的振动分析十分重要，在结构设计阶段可以对结构在冰 环境下的振动情况进行分析，对于现役结构可以进行振动的减振控制分析，疲劳分析 等。可以说结构振动的测量与研究的主要目的就是构造外力函数。 中国渤海j z 2 0 2 平台属于窄锥，冰锥相互作用明显具有三维特点，以往的二维 模型不再适用。所以应该采用三维动冰力模型，此三维动冰力模型包括两部分： l ，动冰力模型。岳前进等把冰锥的连续持续作用归纳为一系列冰一锥作用过程 的集合，每一个作用过程产生一个脉冲荷载，提出了简化动冰力模型。这将在稍后 论述。 2 ，冰锥接触模式。r a i s o n 提出的三维模型的冰锥接触模式如下图3 8 所示，它 采用了冰锥以1 8 0 0 半圆紧密接触。这种接触模式不符合窄锥的工程实际。通过分析 渤海锥体结构动冰荷载研究 大量的来自j z 2 0 2 平台的现场观测录像，提出了基于两种主要破坏模式的三维接触模 式。这在以后章节论述。 3 3 2 ，1 冰力简化模型 冰力函数的建立应该是根据冰与结构相互作用的机理，并综合分析实验测量结果 来构造。为此，科学家开展了大量的工作，但是并没有取得实质性的进展。由于大多 数冰激结构振动情况发生在冰与直立结构相互作用上，因而研究者们把精力都集中在 冰与直立结构相互振动的冰力函数中，关于锥体的冰力函数研究的很少。 图3 7 为一条典型的压力盒测量数据与对应的平台振动响应曲线。从图中可以观 察到冰力具有明显的周期性，而结构也有明显的动力放大现象。在本课题中，锥体冰 力函数是综合研究了压力盒测量结果、冰破坏机理分析与结构响应测量等各种因素后 建立的，并在模拟冰与锥体作用的冰力函数的基础上，根据压力盒的实测曲线，对冰 力函数进行了简化，以便于工程应用。通过大量的文献检索，我们认为，这是在国际 上首次给出了冰激锥体结构的冰力函数。所得的简化冰力函数可用三个参数确定，分 别是冰力幅值、冰力周期与作用( 上爬) 时间。有关如何确定上述三个参数的问题我 们在后续文章中将会给出。下面我们来具体分析冰力函数的建立过程。 8 0 0 6 0 0 4