（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）斜坡结构冰载荷的有限元分析和试验研究.pdf

中文摘要 斜坡结构已成为有冰海区海洋结构的优选结构，冰对斜坡结构作用力学机制 的分析是近些年来到国际上研究的热点问题。本文通过采用非线性接触有限单元 法进行数学分析与冰力模型试验相结合的方法，探索准确计算斜面冰荷载的数学 分析方法。 本文首先概要地介绍了海冰的物理力学性质，列举了国际上常用的斜体静冰 力计算模型和规范公式，阐述了有限元基本原理和非线性接触分析，使用大型通 用有限元软件, 州s y s 建立斜坡与冰相互作用的数学计算模型，通过数学模型计 算，分析作用于斜面结构物上冰荷载的组成成分，深入地解释冰与斜面结构物作 用的机制，并对摩擦系数、坡角、冰弯曲强度及冰厚如何影响作用在斜坡结构上 的水平冰力进行研究。同时进行斜坡冰力模型试验，通过数学模型计算结果与模 型试验数据进行对比性分析，验证本文有限元数学模拟方法的正确性，并得到关 于斜坡结构冰载荷的重要结论。 通过理论分析和试验研究相结合，证明此数学模型计算是一种简易、可行、 经济的冰力计算方法，为海冰设计标准中冰力计算模型提供一种新途径，对工程 设计冰载荷的计算有很大帮助。 关键词；斜坡结构冰力模型试验数学分析有限单元法接触分析 a b s t r a c t t h ei n c l i n e ds t r u g u 邛e sa r ep o p u l a ri nd e f e a t i n gi c ee n c o u n t e r m a n ye f f o r t sh a v e b e e nm a d ei nt h el a s tt w e n t yy e a r st of u r t h e rs t u d yt h ei n t e r a c t i o no fs e ai c ew i t ht h e v a r i o u st y p e so f t h ei n c l i n e do f f s h o r es t r u c t u r e s i nt h i sp a p e r , t h ec o m b i n a t i o no f t b e n o n l i n e a rc o n t a c tp a t t e r n su s i n gf i n i t ee l e m e n ta n di c em o d e lt e s t sw i l lb eu s e dt o a n a l y z et h ei c ef o r c eo ni n c l i n e ds t r u c t u r e n 地p a p e rs t u d i e st h em e c h a n i cc h a r a c t e r so fi c ea tf i r s ta n dd i s c u s s e ss e v e r a l m e c h a n i s mm o d e l sa n dt h ef o r m u l ac a l c u l a t i o ni np r o f e s s i o nc r i t e r i o no fi c el o a do i lt h e i n c l i n e ds t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n ta n dn o n l i n e a rc o n t a c tt h e o r y , u s i n g t h ea n s y s 。am a t h e m a t i c a lp a t t e r no fi c e - i n c l i n ei n t e r a c t i o nc a nb ec r e a t e d t h e e f f e r t so ft h ep r i n c i p a lp a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t , s l o p ea n g l e ， i c es t r e n g t ha n di t h i c k n e s sa c to i lt h ei n c l i n e ds i m c t f e sw e r ed i s c u s s e d a tt h e s a l n et i m e ，t h ei c em o d e lt e s t sa r ec a r r i e do u t t h e yg o m et ot h es a l n er e s u l t s ，w h i c h p r o v et h et h e o r i e si nt h i sp a p e ra l ec o r r e c t t h ec o m b i n a t i o no ft h e o r ya n de x p e r i m e n tg i v et h eb a s i so fc h o o s i n gt h ei c e f o r c ep a t t e r n si ns e ai c ed e s i g nc r i t e r i o n i ti sv e r yu s e f u l i np r a c t i c a li c el o a d c a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：i n c l i n e ds t r u c t u r e ，i c ef o r c e ，m o d e lt e s t , m a t h e m a t i c a lp a t t e r n , f i n i t ee l e m e n t , c o n t a c ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嘲 签字日期= 只叫 年 月位日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名； 江震子 导师签名： 彦娄 签字日期：2 叫年月，2 日 签字日期：2 唰年，月，2e l 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 海冰与结构物作用的研究意义 随着经济的迅猛发展、人口的快速增长以及陆地资源的日趋枯竭，人类的生 存和发展越来越多的依赖于海洋。而在全球的海洋中，海冰的分布面积为3 7 7 0 万l a n 2 ，占地球表面的7 3 ，全球洋面的1 1 8 。如果把冰山分布的地区加进 去，则包括流冰在内的海冰面积为7 2 6 0 万k m 2 ，占地球表面的1 4 2 ，全球洋 面的2 2 9 t ”。由此可见，海冰在海洋中占据了重要的地位。认识、利用、开发 海洋就不能不研究海冰。 工程人员在寒冷的有冰海区的勘探活动极大地推动了海冰的研究进程。1 9 6 7 年在高纬度地区m a c k e n i e 湾发现天然气，此后，又在p r u d h o e 湾钻井发现油田。 加拿大高纬度极区的石油和天然气的蕴藏量为1 1 6 0 亿桶；阿拉斯加的石油和天 然气的蕴藏量为1 5 0 0 亿桶；沿前苏联北极海岸线的石油和天然气的蕴藏量可达 7 9 5 0 亿桶。据勘测，极地资源约占全世界油气产量的4 0 。即使是在库克湾、 渤海湾等中纬度有冰海区中，矿物、油、气等资源也非常丰富。我国秦皇岛3 2 6 油田总探明储量已达1 7 亿吨，南堡3 5 2 油田的控制储量也在亿吨以上，渤海最 大的整装油田蓬莱1 9 3 油田的发现更加展现了渤海良好的油气资源前景。伴随 着冰区资源的勘探与生产活动的发展，有冰海区海工建筑物日益增多，工程实践 对海冰与结构物相互作用的研究提出了迫切的需求。 1 1 1 海冰对海工建筑物的危害 对于会出现冰冻的寒冷海域，冰力对结构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的控制荷载。然而，在早期的海上建筑物 的设计制造中，由于对冰害的估计不足，很多国家都曾先后发生过海工建筑物在 海冰作用下被摧毁的工程事故。例如，1 9 6 2 年和1 9 6 3 年在阿拉斯加库克湾先后 建造的两座海上钻井平台，由于其设计强度未考虑冬季冰的作用力，均于1 9 6 4 年冬季被海冰摧毁；1 9 6 0 年日本于雅内港外声问崎海上设置的声问崎灯标，于 1 9 6 5 年3 月因受到强大的流冰群袭击而倒塌；1 9 6 8 年2 月，莱州湾的海冰在西 南风的作用下爬上海岸和码头，致使龙口港码头的围墙被冰推倒数处，使港口作 业受到很大影响；1 9 6 9 年2 、3 月闻渤海发生严重冰封，位于渤海湾的“海一井” 天津大学硕士学位论文第一章绪论 石油平台支座的拉筋全部被流冰割断，由底座互不连接的三个平台一一设备、钻 井和生活平台构成的“海二井”被海冰推倒于海中；1 9 7 7 年渤海湾“海四井” 的烽火台也被海冰推倒【2 1 。 随着各种港口设施相继出现，如何确定海冰对结构物的作用方式及作用力的 大小，就显得尤为重要。在高纬度海区，海冰是所有海洋水文气象要素中，对航 运交通和海洋开发等影响最严重的一个因素，它不仅封锁港口、堵塞航道，中断 交通运输，还会压损港工设施，撞毁海上结构物和过往船只，甚至造成重大海难 事故。 众多国内外海冰引起的工程事故使设计人员逐渐意识到海冰对寒区结构物 的巨大危害，自此人们在工程界和科技界全面展开了对海冰的研究。 1 1 2 我国的冰情概况 我国虽地处热带、亚热带和温带，但我国的渤海和黄海北部，因地理位置处 于高纬度区域，冬季受西伯利亚南下冷空气的直接影响，每年都有不同程度的结 冰现象，成为北半球海洋结冰的南边界。因此，在我国渤海以及黄海北部建造海 上石油工程建筑物时，对于海冰应予特别重视。 我国的结冰海区南北虽然仅跨四个纬度，最远相距大约2 5 0 海里，但不同海 区冰情的差异很大，为了对冰情有一个基本的了解，下面就常年的冰情分区说明 【2 】。 ( 1 ) 辽东湾 辽东湾是我国冰情最严重的海区。辽东湾于1 1 月中旬开始结冰，翌年3 月 中旬海冰消失。冰期约为四个月，冰期中1 月中旬至三月初期为盛冰期。辽东湾 北部冰情最重，冰期长、冰量多、冰厚1 5 1 0 0 厘米；中部次之，以浮冰居多， 冰厚在5 2 5 厘米之间；南部冰情最轻，冰厚在1 0 厘米以下。 在盛冰期间，辽东湾北部的盖平角至葫芦岛以北海区，沿岸固定冰的宽度为 1 - 5 公里，其中辽东湾顶端的河口和浅滩附近，固定冰的宽度可达5 1 0 公里；冰 的厚度一般为3 0 - 4 0 厘米，最大达到6 0 厘米；冰的堆积高度一般为2 3 米，最 大可达4 米以上。盖平角至复州角以及葫芦岛至秦皇岛一带，沿岸冰宽度在o 1 - 2 公里之间；冰的厚度多为2 0 3 0 厘米，最大达到4 5 厘米；冰的堆积高度多为1 2 米。复州角及秦皇岛以南海区，沿岸固定冰的宽度一般都在o 2 公里以内；冰的 厚度多为5 - 2 0 厘米；堆积高度为1 米左右。 ( 2 ) 渤海湾 渤海湾于1 2 月上旬开始结冰，翌年三月初海冰消失。冰期约为三个月，其 中一月下旬至2 月中旬为盛冰期。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 在盛冰期间，沿岸固定冰的宽度一般为o 1 - o 5 公里，冰的厚度多为1 5 - 2 5 厘米。北部浅滩和南部河口附近，固定冰的宽度可达5 1 0 公里，冰的厚度多为 2 0 3 0 厘米，最大能达到4 5 厘米左右，海冰的堆积高度多为1 - 2 米，最大可达3 米左右。 ( 3 ) 莱州湾 莱州湾于1 2 月中旬开始结冰，翌年二月底海冰消失冰期为2 个半月左右， 其中1 月下旬至二月上旬为盛冰期。 在盛冰期间，沿岸固定冰的宽度多在o 5 公里以内。西岸和南岸的河口浅滩 附近，固定冰宽度可达2 - 5 公里，而东岸刁龙咀以北基本无固定冰。冰的厚度一 般为1 0 2 5 厘米，最大可达4 0 厘米左右。莱州湾的堆积现象较轻，堆积高度在 一米以内，河口和浅滩附近堆积高度可达2 3 米。 ( 4 ) 黄海北部 黄海北部于1 1 月中、下旬开始结冰，翌年3 月中旬海冰消失。冰期约为四 个月，其中1 月中旬至2 月中旬一个多月的时间为盛冰期。 在盛冰期间，鸭绿江口至大洋河口一带，沿岸固定冰的宽度为2 5 公里，厚 度为2 0 - 3 0 厘米，最厚时可达5 0 厘米左右。大洋河口至城山头一带，沿岸固定 冰的宽度从2 公里逐渐减至0 1 公里以内，冰的厚度一般为1 0 2 0 厘米，最大时 达3 5 厘米左右。堆积高度多在1 米以下。 1 2 斜坡抗冰结构的工程背景 随着海上工程活动的规模化发展，海冰与结构物相互作用的问题日益突出， 解决冰区结构物的合理设计和安全运行越来越引起科技界和工程界的重视。在工 程设计中，冰荷载主要是指冰力时程曲线的峰值荷载，即极值冰荷载。众所周知， 极值冰荷载的大小取决于冰板的破坏强度，而冰板的破坏强度与冰板的破坏形式 密切相关。在对海冰物理力学性质的研究中发现，冰板的弯曲强度明显低于压缩 强度。 基于上述概念，研究者们设想，如果在水面变化范围内采用带有倾斜面的桩 柱，那么冰板的破坏形式将由挤压为主的破坏转变为弯曲为主的破坏，这样就可 以通过冰板破坏形式的改变大大减小作用于结构物上的冰力。当冰排与斜面结构 物作用时，作用在斜面上的冰压力可以分解为垂直于斜面的法向力和沿斜面的斜 向分力。斜向分力使冰块沿斜面上升。法向力分解出的垂直力使冰层产生弯曲或 剪切，分解出的水平力则明显的比直壁圆柱的挤压力小的多。由此可见，斜体结 构是一种有效的抗冰形式【3 】。由于斜面结构在抗冰防冰实践中体现的优点，因此 天津大学硕士学位论文第一章绪论 在海洋工程中，出现了锥体结构( 如j z 2 0 2 - m u q ) 平台和斜坡宽结构( 如j z - 9 3 人 工岛) 。同样，在陆路的水工工程中，也广泛应用于工程实践中。如水库堤坝桥 梁桩墩的流冰作用段等。本次数学模型计算分析的参照体，即为黑龙江省某水利 枢纽船闸的导堤堤头结构。 1 3 斜坡冰载荷的研究现状 海冰的研究总体上可以分为本构型冰力学和结构型冰力学两大类。由于对海 冰本身的物理力学性质的认识不足，海冰与结构物相互作用时众多因素的影响， 在结构型冰力学中对海冰的研究主要集中于静力方面。 冰与结构相互作用的过程是涉及诸多因素的一个复杂现象，基于几何条件和 相互作用速率的不同，冰的任何一种或几种混合破坏模式都有可能发生，并将控 制其作用在结构上的载荷。一般来讲，载荷的大小依赖于结构的尺寸和几何形状、 冰的尺寸和几何形状、冰的力学特性、结构刚度、冰的破坏模式、环境驱动力、 结构与冰之间的连贯性、冰和结构两者之间的惯性影响等，由于这种作用的复杂 性，要准确预测作用在最简单形状上的冰载荷也是困难的 4 1 。 冰与斜坡结构相互作用的过程是一个复杂的力学过程，有许多冰力成分起作 用。它们包括冰排的弯曲与挤压破坏、促使冰排旋转与运移的冰力成分、重力与 浮力及冰板沿斜坡上爬的力等。它们在不同的时间段间歇地起作用，在时空内给 斜坡结构物施予总的冰荷载。针对具体的结构和工程所在地的环境条件，国际上 有相当的理论和实验研究基础( 主要有以下几种方法：一是理论分析；二是数值 计算；三是统计分析；四是模型试验；五是现场监测) 来计算斜体结构上的冰的 作用力1 5 】。其中，不仅有各种规范，各种经验、半经验公式，还发展了二维和三 维理论模型，以及有限元计算。其中的二维计算模型被我国海冰工程技术规范 ( h y 二t 0 4 5 ) 引用。然而，规范和经验公式的建立都包含了国家和地区的特点， 不同程度的影响了其在工程设计中的应用与推广。但规范中所建议公式中各参数 的选择直接与各海域以及不同冰型的海冰力学特性有关，使工程设计人员在快捷 准确的估算作用在斜体结构上的冰荷载方面存在着困难，因此应对规范中涉及的 海冰各项强度参数作出适合各个工程设计区的综合分析，与此同时，对冰与斜坡 结构的作用机制的进一步探索，也将加深对于现存公式的理解以至修正。 数学分析方法是利用传统力学理论来研究冰的破坏机理和破坏模式，较常用 的方法是用有限元来分析半无限冰排对结构物的作用嘲，用富里埃展开和有限元 结合求解刚性圆柱结构在半无限冰排下的受力1 7 1 ，以及k r y 提出的一种利用随机 理论来计算作用在宽体结构上冰的脆性破坏的冰载荷计算方法嘲，这些都为用数 天津大学硕士学位论文第一章绪论 学分析方法来计算冰载荷和研究冰对结构物的作用提供了理论依据。 在有限元的计算中，在各种影响因素和边界条件的确定过程中人为的、理想 的成分过多，只有充分掌握了冰的物理力学特征以及冰与结构的相互作用机理之 后，有限元计算才能成为行之有效的方法。因此本文将从工程实际出发，通过模 型试验与数学模型分析相结合的方法研究作用在斜坡结构上的静冰力。 1 4 本文所做工作及成果 冰模拟试验固然是工程设计中确定冰荷载的重要手段之一，但是用于实验研 究的经费也是昂贵的。本论文的目的之一是以有限组次的试验数据或现场观测数 据作为基础，探索准确计算斜面冰荷载的数学分析方法。并期望获得具有普遍意 义的成果。为了达到这个目的，本论文主要进行了下列工作：检索并阅读了大量 的关于斜坡结构冰力的文献，总结了斜坡冰力的研究成果； a 概要地介绍了海冰的物理力学性质，列举了国际上常用的斜面静冰力计 算模型和规范公式； b 全面地描述了本次斜坡冰力试验的试验概况，包括实验室、模型冰、模 型结构、试验工况和试验现象； c 详细阐述了有限元基本原理和非线性接触分析，并将其应用于冰荷载的 数学模拟计算； d 为了保证可比性，基本数学计算模型采用了与冰模拟试验完全相似的参 数。以实验数据为参照，通过试算对计算模型进行调试，以确立最终的计算 模型； e 在确认计算模型的基础上扩展计算成果，譬如，将计算模型中的斜面结 构物的斜坡角度由4 5 0 分别调整为多种角度，并得到不同角度工况下的冰荷 载； f 通过数学模型计算，分析作用于斜面结构物上冰荷载的组成成分。以便 更深入地解释冰与斜面结构物作用的机制； g 通过有限元模拟计算与模型试验进行对比性分析，得到关于斜面结构冰 载荷的重要结论。 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 第二章海冰的物理力学性质 2 1 海冰的形成和发展 2 1 1 海冰的形成 海冰一般是由固态的水( 纯冰) 、各种固态盐和浓度大于原生海水浓度而被 圈闭在冰结构空隙部分的盐水泡组成。海冰形成的必要条件是：海水温度降至冰 点并继续失热、相对冰点稍有过冷却现象并有凝结晶核存在。 海水的结冰过程通常是按下面的方式进行的：当海水的温度下降到冰点或处 于过冷却状态时，海水中的水分子就在结晶核的周围凝固成针状或片状的冰晶。 冰晶形成时，海水中所溶解的盐分不断被离析出来。如果海水继续失热，冰晶就 迅速增多，并且彼此聚集和冻结，最后形成具有一定形状和硬度的冰层。海水结 晶时被离析出来的盐分，一部分流走，另一部分以浓盐水的形式被包围在冰晶之 间的空隙里 9 1 。 海冰的形成受众多因素的影响，其中以盐度的影响最为复杂。众所周知，淡 水于o 时结冰，0 1 2 是淡水的冰点温度。淡水温度为4 时，它的密度最大。而 海水中溶解了种类较多、数量巨大的无机盐，这使得海水的冰点和达到最大密度 时的温度都比淡水的低，并且它们都是海水盐度的函数，都随着盐度的变化而变 化。因而，盐度对海水的结冰过程有着较大的影响，不同盐度的海水的结冰过程 大不一样。海水的冰点和最大密度时的温度随海水盐度的变化关系如图2 1 所示。 01 03 04 0 盐度 图2 - 1 海水最大密度温度及冰点与盐度的关系 o o 4 石 温度 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 从图中可以看出，当海水的盐度等于2 4 6 9 时，海水的冰点和最大密度温度 相等，都是一1 3 3 。当海水的盐度小于2 4 6 9 时，海水的最大密度温度都高于冰 点，此时海水的结冰情形和淡水相似。在结冰之前，随着温度的降低，海水的密 度先是逐渐增大。表层密度大的海水由于重力的作用而下沉，于是产生对流混合， 结果使得上下水层的温度和密度趋于一致。当温度降至最大密度温度时，海水的 密度达到最大，整个混合层处于温度和密度的均匀状态。由于此时的最大密度温 度高于冰点，所以海水还未开始结冰。随着温度的继续降低，表层海水的密度越 来越小，这样就造成了轻而冷的海水漂浮在上层，重而暖的海水沉淀在下层，形 成了稳定的层结。如果降温过程继续，那么该水体的降温将会仅限于表层。当表 层海水的温度降至冰点并继续失热时，表层海水就开始结冰了。所以在海水的盐 度小于2 4 6 9 时，海水的结冰是从表面开始的。然而，当海水的盐度大于2 4 6 9 时，随着温度的降低，海水的密度不断增大，上下水层发生对流混合，致使海水 中的温度趋于一致。由于在这种情况下，海水的最大密度温度低于冰点，所以混 合过程一直持续到水温降至冰点时仍不停止。因而，当表面水温降到冰点时，整 个混合层的温度也都同时降到了冰点。如果混合层直达海底，并且那里又有结晶 核存在的话，那么海水的结冰可能从海面到深层甚至底层同时进行。 结晶核对海冰的形成也具有明显的作用。海水中可以作为结晶核的物质很 多，如有机盐和无机盐类构成的悬浮微粒，以及降落到海面上的雪花晶体等都是 结晶核。这些结晶核在自然条件下总是存在的。 除了盐度、结晶核以外，影响海水结冰的要素还有波浪、潮汐、大风、海流 等，它们都对海水结冰有一定的阻碍作用。因为这些因素一方面能加剧海水混合， 使海水温度趋于一致，缓解了表层海水的降温幅度，从而延迟了海冰的形成；另 一方面，这些因素又使冰晶难以形成，从而延缓了海水的结冰过程。 2 1 2 海冰的形成与发展 最初形成的海冰都是针状或薄片状的细小冰晶。大量的冰晶聚集在一起，形 成松软而无定形的粥状或糊状的粘冰。有时在海面上形成像油渍一样的灰色薄汤 层似的油脂状冰。在潮、浪的作用下，冰晶常常聚积，冻结成具有一定大小的多 孔的白色松冰团海绵状冰。 最初形成的海冰很容易受外界环境条件的影响。因为，起初形成的冰晶或冰 晶的集合虽然聚集在一起，但彼此之间很少冻结，即使冻结也比较松散，很容易 发生变化。这些冰很不稳定，能够随着温度的回升迅速消融，又能随着温度的降 低而再次出现，还会随着风和潮的变化而出现或消失。 如果气温骤然下降，海水随之大量失热，那么在波动的海面上就会形成大小 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 比较均匀的圆盘状冰块；在没有波浪或波浪较小的情况下，海面就会迅速出现大 片薄冰层。这种面积很大的薄冰层富有弹性、易于弯曲，能够随着波浪上下起伏 而不被折断。 如果气温长时间持续偏低，或者进一步下降，圆盘状冰块就彼此互相冻结形 成具有一定厚度的冰盖层，而大片薄冰层就会就会直接发展成为坚硬的大冰原。 大片冰层刚一形成时，表面非常平整，看上去好像一块巨大的半透明的毛玻 璃。然而，无论冰层多厚、多坚硬，海冰的这种平整状态都不能长期保持下去。 由于受到海冰熟胀冷缩和冷胀热缩性质的影响，随着温度的降低，海冰的体积先 是逐渐膨胀，当温度降到一定程度后，海冰的体积又反而收缩。因而，大片冰层 不久就会产生龟裂。这时，冰面上到处出现裂纹和缝隙，大片冰层变成了破碎的 冰块漂浮在海面上。此后，如果气温很低，裂纹或缝隙里的水就会迅速把冰块再 次冻结起来，从而形成冰面上具有焊缝般挤压冻结痕迹的大片冰层。 2 1 3 海冰的结构 冰是一种晶体材料。自然界的冰都属于对称的六方晶系，但单个冰晶体的外 形和尺寸却有很大不同：它们可能呈片状、粒状或柱状，尺度可以由l m m 左右 至几厘米。冰晶格的对称轴垂直于“基面”，基面为若干互相平行的平面。冰沿 与基面平行方向发生相对位移时，需要破坏的分子结合点的数目明显少于沿其他 方向位移时的情况。这说明当冰的晶格有序排列时，冰的变形和强度是各向异性 的。 3 , a 3 。 3 毒 图2 2 海冰晶体结构图 ( 1 一细粒区；2 - - 过渡区；3 一柱状区， 3 a c 轴沿水平面无一定方向，3 b c 轴沿水平面有一定方向) 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 图2 - 2 为海冰晶体结构刚1 0 l 。海冰的上表层是细粒区，一般由细小的粒状冰 晶组成，其厚度取决于结冰时的海况条件，可从几毫米到2 0 毫米左右。表层以 下为过渡层，其冰晶体开始有沿生长方向变长的趋势。过渡层以下为冰排的基本 结构层，常称为柱状冰层，这里的冰晶体明显地沿生长方向即垂直方向变长，冰 的晶格对称轴( 称为c 轴) 位于与水面平行的平面内。 2 2 海冰的物理性质 2 2 1 海冰的盐度 海水中溶解了大量的盐类，在海水结冰的过程中，其中的水分子变成冰分子， 而溶解的盐分则不断的被排析到海水里。这些海水因为溶有较多的盐分而被称为 浓盐水。浓盐水的比重比海水大，因而不断下沉。但是，在海冰从冰晶发展到具 有一定厚度冰层的过程中，总有一部分浓盐水来不及流出而被包围在冰晶的空隙 里，这就形成了盐泡。因此，海冰不同于淡水冰，海冰是固体冰晶、盐泡和少量 气泡的混合物。 海冰融化后所得的海水的盐度，称为海冰的盐度。海冰的盐度是海冰的一种 重要特性，它的大小主要取决于三个因素【i o 】： ( 1 ) 形成海冰的海水的盐度：一般说来，海水的盐度越高，它所形成的海冰 的盐度也越高；反之，海水的盐度越低，它所形成的海冰的盐度也越低。由于海 冰形成时，总有部分盐水被排析出去，所以，海冰的盐度都比形成它的海水的盐 度低。通常，新形成的海冰的盐度，多在构成它的海水盐度的1 6 到1 4 之间。 ( 2 ) 海冰的冻结速度：海冰的冻结速度越快，冰层厚度的增长也越快，较多 的盐分来不及析出，形成的海冰的盐度相应就比较大。反之，海冰的冻结速度越 慢，形成的海冰的盐度就越小。海冰的冻结速度取决于海水结冰时周围空气的温 度和空气降温的速率。结冰时气温越低、降温越快，则海冰的冻结就越快。因此， 在海冰的表层，由于海水直接与冷空气接触，冻结速度较快，并且冰晶间的空隙 较大，晶体的轴向混乱，盐分析出的就比较少；而随着冰厚的增加，海冰的生长 变得缓慢，并且冰针具有比较规则的垂直定向排列，盐分析出的就比较多。可见， 盐度在冰层中的分布是由上向下逐渐降低的。 ( 3 ) 冰龄：一般情况下，冰龄越长，海冰的盐度越小。这是由于盐泡中浓盐 水的比重比冰的比重大，所以在重力作用下，浓盐水不断的向下沉降。同时，盐 泡中的浓盐水总是有向温度高的方向迁移的趋势，而冰层下部的温度比上部高， 这也使得浓盐水不断的向下沉降。此外，当海冰经过夏季时，冰面融化也会使冰 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 中的浓盐水流出，导致盐度降低。因此，随着海冰冰龄的增加，析出的浓盐水就 越多，海冰的盐度就越小。 2 2 2 海冰的密度 单位体积内海冰的质量称为海冰的密度。海冰的密度是海冰重要的物理性质 之一，它直接决定着海冰的抗压强度。 海冰的密度取决于海冰的温度、盐度和气泡的含量。海冰的盐度越大，密度 也越大；海冰所含气泡越多，密度就越小。海冰的密度与温度的关系比较复杂。 当温度降低时，高盐度海冰的密度总是减小；而对于低盐度海冰来说，随着温度 的降低，海冰的密度先是不断减小，当温度降到某一值后，随着温度的降低，海 冰的密度反而不断增大。并且，海冰的盐度越大，海冰密度发生转折性变化的温 度就越低。 2 2 3 海冰的热性质 海冰的比热容受盐度和温度的影响较大，一般的，它随着盐度的增大而增大， 随着温度的降低而有所降低。在低温时，由于海冰中含有的卤水较少，因此比热 容随温度和盐度的变化都不太大，接近于纯水冰的比热容。但在高温时，尤其是 在冰点附近，由于海水中的卤水随温度的升降有相变，即降温时卤水中的纯水结 冰析出，升温时冰融化进入卤水之中，从而使其比热容有大幅度的减小或增大。 海冰中含有气泡，而空气的热传导系数很小，因而，海冰的热传导系数比纯 水冰小。由于海冰上层的空隙比下层的空隙多，所以海冰的热传导系数随着深度 的增加而增大。超过1 米的海冰的热传导系数与纯水冰的热传导系数相当，而表 层海冰的热传导系数约为纯水冰的1 3 左右。 海冰的热膨胀系数随着温度和盐度而变化。对于低盐度的海冰，它随着温度 的降低开始是膨胀，继之则变为收缩。即随着温度的降低，低盐度的海冰先是冷 胀热缩，而后又变成热胀冷缩了。并且，海冰由冷胀热缩变为热胀冷缩的温度临 界值随海冰盐度的增加而逐渐降低。对于高盐度的海冰，它随温度的降低始终是 膨胀的，但膨胀系数越来越小。 2 3 海冰的力学性质 海冰的力学性质是影响海冰与结构物相互作用的内在因素，研究海冰和结构 物的相互作用就必须先了解海冰的基本力学性质。 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 海冰与结构物的作用形式主要有以下几种： ( 1 ) 巨大冰层包围了结构物，在潮流与风力的作用下，大面积冰层整体移 动，挤压结构物。如果结构物的强度足够，冰层将穿越结构物，并引起强烈振动； ( 2 ) 自由漂流的流冰，冲击结构物而产生的冲击力； ( 3 ) 整体冰层由于温度变化引起膨胀，产生挤压结构物的膨胀力； ( 4 ) 与结构物冻结在一起的冰层因受潮流和风的影响而移动，产生对结构 物的拖曳力，由于水位下降而产生向下的附加重力，由于水位上升而产生向上的 附加浮力； ( 5 ) 海冰与结构物之间的摩擦力。 在上述海冰与结构物的作用形式中，对海洋结构物危害最大、最普遍受人们 关注的是第一种作用方式，即大面积冰层整体移动时对结构物产生的作用力以及 因此而引起的振动。 当运动的冰排受到结构物阻拦时，对结构物产生的作用力随冰排的运动而逐 渐增大，当增至足够大时，冰排自身破坏，它对结构物的作用力也随之达到极值。 冰力这种变化过程受控于冰排的破坏类型。所以，冰排自身破坏的类型和过程直 接决定着它对结构物作用的模式、过程和作用力的大小。 通常情况下，移动的冰排在结构物前可能产生的破坏类型有f 1 i 】： ( 1 ) 挤压破坏，如图2 - 3 ( a ) 所示，冰排在桩柱的接触面上因受挤压而逐块断 续破碎； ( 2 ) 压屈破坏，如图2 3 ( b ) 所示，大面积冰排与海工结构物接触，冰排由 于受压而失稳，首先在桩柱前隆起，然后破坏； ( 3 ) 纵向剪切破坏，如图2 - 3 ( c ) 所示，当冰排的剪应力达到强度极限时， 产生与运动方向平行的裂缝，造成冰排破坏。这种破坏容易出现在薄冰中。= ； ( 4 ) 弯曲破坏，如图2 3 ( d ) 所示，当冰排与具有一定坡度的结构物相接触 时，形成受弯的梁或板，最终因弯曲而破坏。 胪庐e 辛 (a)(b)( c )( d ) 图2 3 冰排的几种破坏类型 以上四种破坏形式是冰排与结构物相互作用的最基本的破坏形式。由于冰排 对结构物的作用力在自身破坏时达到极值，即在冰排中应力达到强度极限时冰力 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 也达到极限，所以冰的强度直接决定着冰力的大小。海冰的抗压强度、拉伸强度、 剪切强度和弯曲强度对冰排的这四种基本破坏形式起着主要的控制作用。因此， 在研究海冰与结构物的相互作用前，必须先对海冰的这些基本力学性质作一简要 了解。 2 3 1 海冰抗压强度 挤压破坏是平整冰层和海上的直立结构物作用时的主要破坏形式之一，因 此，海冰的单轴抗压强度是冰荷载计算中的一个重要参数。 冰是一种弹塑性材料，它的强度与应变率( 或应力率) 有着密切的关系。当 加载速率很慢时，有充分的时间让冰晶体沿边界错位滑移，并且沿边界产生足够 多的微裂缝，随着荷载的增大，这些微裂缝开始扩展直到破坏，这时冰表现为变 形较大的韧性破坏；当加载速率很快时，没有时间让冰晶体沿边界充分滑移，一 旦出现裂缝就马上破坏，这时冰表现为变形较小的脆性破坏；当冰既可能发生韧 性破坏又可能发生脆性破坏时，此时的冰处于韧脆转变区。图2 _ 4 是某结冰海区s 型冰的吒- 考试验曲线。从图中可以看到，在韧性区时，c r c 随着言的增加而增大； 在脆性区时，吒随着童的增加而急剧减小；在韧脆转变区时，以达到最大值。 ，【 l 、 i i ， j 一5- - 43 一z f o x i f s - ) 图2 - 4 冰挤压强度以与应变速率舌的关系 在海冰试样与冰温关系的试验研究中发现：海冰的温度越高，抗压强度越小， 若温度骤然升高，抗压强度一般会减小5 0 以上。 盐水体积对海冰的抗压强度也有很大的影响。随着盐水体积的增大，海冰的 抗压强度降低。因为，盐水体积增大表明海冰中含有的盐分增多，海冰内的原始 微裂缝就增多。根据海冰破坏的裂缝扩展理论，海冰破坏的可能性就增加，海冰 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 的强度就随之降低。此外，盐水体积的增大，使得海冰的有效承载面积减小，这 也降低了海冰的强度。 2 3 2 海冰拉伸强度 海冰强度对于毒( 或6 - ) 的敏感性，在抗压强度的试验中很明显，但对于拉 伸强度来说，学术界一直没有统一的观点。然而，有很多的学者发现，当应力率 处于某个范围内时，加载速率对拉伸强度有影响，不过影响不是很大；离开这个 应力率范围，拉伸强度与加载速率无关。这个应力范围的具体数值，各个学者通 过试验得到的结果相差较远。 随着盐水体积的增加，海冰的拉伸强度降低；随着冰温的降低，海冰的拉伸 强度增大。加载方向对拉伸强度也有很大的影响。 2 3 3 海冰剪切强度 海冰的剪切破坏是海冰与海上结构物相互作用时的基本破坏形式之一。海冰 剪切强度是海冰的基本材料特性。 海冰的晶体是各向异性的，在不同的方向上加载，会呈现不同的强度。试验 研究表明，海冰垂直于冰晶生长方向的剪切强度要大于平行于冰晶生长方向的剪 切强度。 海冰的剪切强度与应力率有着明显的关系，在不同的应力率下表现出不同的 剪切强度。大量试验证明，海冰的剪切强度随着应力率的增大而降低。 冰温和盐度对海冰剪切强度的影响和前面讨论的相似，剪切强度随着冰温的 降低而增大，随着盐度的增大而降低。 2 3 4 海冰弯曲强度 当海上结构物具有倾斜表面时，平整冰层将沿斜面上爬，发生弯曲破坏。此 时，冰荷载的计算将以海冰的弯曲强度为基础。 海冰的弯曲强度同样也受到加载速率的影响，图2 5 是海冰的弯曲强度随加 载速率的变化情况【1 2 】。当海冰处于延性破坏范围内时，随着应力率的增大，海冰 的弯曲强度也随之增大，海冰试样发生明显的裂纹扩展过程；应力率继续增大， 海冰的弯曲强度将达到最大值；此后，随着应力率的增大，海冰的弯曲强度将很 快降低，由于这时的海冰处于脆性阶段，一旦出现裂纹，海冰试样将马上破坏， 几乎观察不到裂纹扩展过程。 同海冰的抗压强度相似，随着盐水体积的增大，海冰的弯曲强度减小。 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 直力事j i ，- 图2 5 海冰弯曲强度与应力率的关系 海冰的弯曲强度随着冰温的降低而增大。这是因为海冰的弯曲破坏实质上是 梁的下边缘( 或上边缘) 纤维的拉伸破坏，而海冰的拉伸强度随冰温的降低而增 大，所以海冰的弯曲强度也随着冰温的降低而增大。 在海冰的弯曲试验中发现，向下加载时冰梁的强度大于向上加载时冰梁的强 度。产生这个结果的原因有两个：首先，向下加载时，冰梁除了受到外荷载的作 用外，还受到海水向上的浮力作用，这将部分地抵消外荷载的作用，因而使测得 的弯曲强度较大；其次，海冰的弯曲破坏受到海冰拉伸强度的控制。由于海冰上 表面的冰温低于下表面的冰温，即上表面的拉伸强度大于下表面的拉伸强度，所 以，向下加载时由上表面破坏测得的弯曲强度要大于向上加载时由下表面破坏测 得的弯曲强度。 ldjvf曩曩， 天津大学硕士学位论文第三章斜坡冰载荷计算公式 第三章斜坡冰载荷计算公式 近年来，国内外工程海冰界对斜坡面结构的静冰力进行了广泛的研究，提出 了很多计算模型和规范公式。这些模型大体上可以归为两类：理论分析方法和试 验方法，本节将简要的回顾在斜坡结构冰力的研究上己取得的一些成果。 3 1 冰载荷的确定方法 冰力属随机荷载，典型的冰力历时曲线如图3 1 所示，呈不规则的锯齿状， 这条曲线反应了冰排在结构物前逐块破碎、 剥落的过程。但是，在工程设计中并不采用 冰力历时曲线作为设计依据，而象处理风 力、波力一样，视冰力为一项确定值，习惯 上把这种设计冰力称为静冰力。只有研究结 构物在冰力作用下的动力响应时，才涉及到 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。本文仅限于讨论冰对结构物作用的静 冰力问题。 3 2 常用的理论计算模型 l o z 扣 n 5 1 。 l52 5 l 臼- 。) 图3 1 典型的冰力历时曲线 3 2 1c r o a s d a l e 三维理论模型 具有一定速度的流冰接触到斜体结构物的斜坡时，首先在冰板下边缘产生撞 击破坏，局部的撞击破坏引起对斜面的正压力及冰板沿斜坡向上运动产生的摩擦 力。正压力与摩擦力可分解为作用于破碎面中心的垂直力只和水平力e 。作用 于冰排上的力有e 、e 、冰块重力层和海水浮力，该浮力可以看作是冰块的弹 天津大学硕士学位论文第三章斜坡冰载荷计算公式 性基础。随着冰板的继续向前运动，局部破坏面积继续增大，垂直力p 和水平 力e 也随之增加。假定环境驱动力足够大，则只和e 将一直增大，直到冰板破 裂。在一定的倾角内，冰板将产生弯曲破坏，水平分力对弯曲破坏的影响可忽略 不计。此时冰板的性质类似于作用于弹性基础上的梁或板，垂直力f v 决定着未 来作用在结构物上冰板的破坏。当结构物迎冰面的宽度与冰梁的宽度相当时，可 以把受力模型简化为二维问题。破裂后的冰块在后继冰的作用下将沿斜坡上爬。 此时，作用于破裂冰块上的力包括摩擦力、后继冰块的推力及重力。对后继冰块 而言，其作用力包括两部分：一部分是冰板破裂所需的力，另一部分是使已破裂 的冰块沿斜坡上爬所需的力【1 3 】1 1 4 。 图3 - 2 冰与二维斜坡结构物作用示意图 ( 1 ) 使冰排弯曲破坏产生的破裂力 如图3 1 所示，根据力的相互作用关系和库仑摩擦定律，作用于冰板上的垂 直力分e 和水平分力只分别为 e = n s i n a t + l v c o s o t ( 3 1 ) e = n e o s o t - w s i n a ( 3 - 2 ) 式中：林与结构物斜面间的摩擦系数；口斜面的水平倾角； n 作用于结构物斜面上的正压力。 在极限范围内，最大只值将由边界处受力的冰板弯曲强度控制。假定冰板 为作用在弹性基础上的梁，其强度由弯矩m 控制。由弯曲理论，矩形截面梁纯 弯曲时的应力听为 天津大学硕士学位论文 第三章斜坡冰载荷计算公式 仃，：- 6 m ( 3 3 ) 仃，= 7 l j - j j 。 6 式中；6 梁宽；h 协厚。 作用于弹性基础上的半无限梁，当受边荷载f v 作用时，其最大弯矩为 ( h e t e n y i ，1 9 7 1 ) 埘：冬啕( 3 - 4 ) ， 式中：卜冰的特征长度，由下式定义： ，：舀； ( 3 5 ) 式中：x 畦础系数，对浮冰梁k2 言几9 6 ； d 具有弹性基础e 的冰板的弯曲强度； d = e ，： a 海水密度； g - 重力加速度； j 截面转动惯量。 整理( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - - 5 ) 式得到， f x = 0 6 9 c r f b 洋声( 3 - 6 ) 则，由( 3 1 ) ( 3 - - 2 ) ( 3 - - 6 ) 式可得结构物上的初始水平力为 h = o 6 8 仃b 牮；= 兰盖 ， 上述力可以认为是前进中的冰板破裂所须的分力。对后继运动，需要另一分 力，使冰块爬坡。 ( 2 ) 冰块沿斜面上爬的力 假定破裂后的冰块沿斜坡上爬的高度为z ，则斜面上的冰块总长度位， 冰块自重为 f g2 盍蚰蹦( 3 - 8 ) 由图所示及受力平衡得到爬坡力为 p = 肚+ t s i n 口= s i n 口f 6 h p , g ( p c o s 口+ s i n a ) ( 3 - 9 ) ( 3 ) 作用于结构物上的合力 具有一定速度的冰板，触及到结构物斜面，发生弯曲破坏并沿斜面上爬，这 一过程是有上述二力合成作用的结果。因此，作用于结构物上的水平总力为： 天津大学硕士学位论文第三章斜坡冰载荷计算公式 e = ( e + s 组口竺旦丝罂马+ 尸c o s 口 s 口一s l n “ 把式( 3 6 ) ( 3 9 ) 代入式( 3 1 0 ) ，并令 = t g 蠡= s j i l 口+ c o s 口 厶= c o s a 一s i n 口 c l = 0 6 8 瞄g ) c 2 = l k 、| l + c o s a s i n a ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 故： e = q 6 t 学；+ c 2 z h b p i g ( 3 - 1 6 ) 以上只适应于二维斜坡结构上的冰力计算。对于狭窄的斜面结构( 相对冰的 特征长度较窄的结构物) 而言，冰与结构物相 互作用的结果是使冰板产生两条径向裂纹和一 条环向裂纹。其破坏区域宽于结构物本身，且 大多数冰块将绕过结构物而非上爬。如图3 - 3 ( 1 为径向裂纹，2 为环向裂纹) 。此时，用上 述公式计算的误差比较大，c r o a s d a l e 充分认识 到这一点，于是建议将作用于窄体斜坡结构水 平分力的破裂分量乘以特征长度的函数f 1 3 1 ，如 下式： 丌2 只( 3 d ) = 只2 d ) 【d 十印d 图3 -