（水利水电工程专业论文）输水工程冰力学模型试验及数值模拟.pdf

中文摘要 南水北调中线工程是为了解决我国水资源分布不均并严重影响北方地区经 济发展问题而兴建的一项特大型跨流域、具有战略性意义的宏伟工程。随着我国 经济发展步入加速上升期的快车道，长距离输水工程也进入了高速建设与发展机 遇期。因此，包括南水北调中线在内的各种调水工程能否高效率、安全经济运行， 成为国家和各级政府部门以及南水北调工程技术人员首先考虑的因素。在此背景 下，如何正确地确定作用于输水建筑物上的冰荷载成为调水工程设计中的关键因 素之一。因此，通过冰力学模型试验研究，探求严谨的科学方法保证冬季安全经 济输水成为摆在南水北调中线工程研究设计人员面前的重要课题。 本文系统地回顾了冰力学模型试验的研究进展，由原型观测、理论分析、模 型试验和数值模拟四大类相结合具体阐述了冰力学模型试验研究成果，所做的研 究工作主要包括以下三个方面： ( 1 ) 对冰的膨胀力试验现象的观察和试验数据的分析处理总结归纳出冰的 膨胀力的发生、演变、释放及破坏全过程，验证冰的膨胀力是瞬态变化的量，同 时给出四周固定约束情况下极限位置冰的膨胀力对边壁作用力多项式关系曲线。 ( 2 ) 流冰对闸墩撞击力试验现象的观察、试验数据处理和频谱分析研究工作 系统阐述冰排与闸墩相互作用的全过程； 闸墩冰力时程曲线及其频谱的分析，冰激闸墩振动的研究中，冰力的周 期性、主频性，冰力的两个主频的能量对比关系； 建立双峰值的冰激闸墩振动概化动冰力函数； ( 3 ) 有限元法分析冰盖稳定性问题。冰盖在渠道边壁处承受荷载采用塑性分 析模型来进行计算，计算结果通过冰力学模型试验验证。可以直接应用塑性力学 的经典问题解法计算冰力。建立模型试验结果为参照一调整的数学模型一扩展数 学分析的工况一得到计算结果的思路，对在现场试验数据有限组次的情况下获得 具有较普遍意义的规律进行初步尝试。 关键词：南水北调中线，冰力学模型试验，冰膨胀力，冰撞击力，动冰力函数， 冰盖，有限元， a b s t r a c t s o u t h - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c ti st oa d d r e s st h eu n e v e nd i s t r i b u t i o no f w a t e r r e s o u r c e sa n ds e v e r e l ya f f e c t e dt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to ft h en o r t h e r nr e g i o na n d t h ec o n s t r u c t i o no fa l a r g et r a n s - b a s i n ，w i t ht h eg r a n dp r o j e c t so fs t r a t e g i cs i g n i f i c a n c e a sc h i n ae c o n o m i cd e v e l o p m e n ti n t ot h ef a s tl a n et oa c c e l e r a t et h ei n c r e a s ei np e r i o d ， l o n g 。d i s t a n c ew a t e rt r a n s f e rp r o j e c th a se n t e r e dt h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f h i g h - s p e e do p p o r t u n i t y t h e r e f o r e i n c l u d i n gt h es o u t h - n o r t hw a t e rt r a n s f e rw a t e r t r a n s f e rp r o j e c t ，i n c l u d i n gt h ep o s s i b i l i t yo fa v a r i e t yo fe f f i c i e n t ，s a f ea n de c o n o m i c o p e r a t i o n ， a sac o u n t r ya n dg o v e r n m e n td e p a r t m e n t sa t a l ll e v e l s a sw e l la s s o u t h n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c tt e c h n i c a ls t a f ft oc o n s i d e rt h es u b j e c to ft h e f i r s t i nt h i sc o n t e x t ，t h ef i g h tt od e t e r m i n et h er o l eo f h y d r a u l i cs t r u c t u r e si nt h ei c el o a do n h y d r a u l i ce n g i n e e r i n gd e s i g nh a sb e c o m eo n eo ft h ek e yf a c t o m 。t h e r e f o r e ，t h r o u g h t h es t u d yo fi c em e c h a n i c sm o d e lt e s t ，a n de x p l o r ea p p r o p r i a t es o l u t i o n st oe n s u r es a f e a n de c o n o m i cd e l i v e r yo fw i n t e ri nt h es o u t h n o r t hw a t e rt r a n s f e rb e c o m e d e s i g n e r s e n g i n e e r i n gs t u d i e sb e f o r ea ni m p o r t a n ti s s u e t h i sa r t i c l es y s t e m a t i c a l l yr e v i e w st h em e c h a n i c a lm o d e lo fi c et h ep r o g r e s so f t h e p i l o ts t u d y ，f r o mp r o t o t y p eo b s e r v a t i o n , t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，m o d e lt e s t i n ga n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fac o m b i n a t i o no ff o u rb r o a d c a t e g o r i e so fs p e c i f i cm e c h a n i c a l m o d e lo fi c eo nt h eo u t c o m eo ft h ep i l o ts t u d y ，t h er e s e a r c hw o r kd o n em a i n l v i n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e er e s p e c t ： ( 1 ) t h ee x p a n s i o no fm ei c et e s ti st h eo b s e r v a t i o na n da n a l y s i so ft e s td a t a s u m m a r i z e dt h ee x p a n s i o no ft h ei c ee d g et h eo c c u i t c i i c co fe v o l u t i o na n d d e s t r u c t i o no ft h ee n t i r ep r o c e s so fr e l e a s e ，t ov e r i f yt h ee x p a n s i o no f t h ei c ee d g e i st h ea m o u n to ft r a n s i e n tc h a n g e s ，w h i l ef o u ra r eg i v e naf i x e dc o n s t r a i n t sl i m i t t h el o c a t i o no fc a s e s ，t h ee x p a n s i o no ft h ei c ee d g eo nt h es i d ew a l lf o r c e p o l y n o m i a lc u r v e ( 2 ) i c ep i e r sh a v eo b s e r v e dt h ep h e n o m e n o no fp r o f i c i e n c yt e s t i n g t e s td a t a p r o c e s s i n ga n ds p e c t r u ma n a l y s i so ft h es t u d y s y s t e mo nt h ei c ef l o ew i t ht h ep i e rt h ew h o l ep r o c e s so fi n t e r a c t i o n ； f r u s t ai c ef o r c e - t i m ec u r v ea n di t ss p e c t r u ma n a l y s i s ，i c e i 1 1 d u c e dv i b r a t i o n f r u s t as t u d y ，t h ec y c l i c a ln a t u r eo fi c ef o r c e ，f r e q u e n c ya n d f r e q u e n c yo fi c ef o r c e o ft h et w oc o n t r a s tt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n e r g y t h ee s t a b l i s h m e n to fd u a l p e a ki c e i n d u c e dv i b r a t i o np i e ro v e r v i e wf u n c t i o n o fd y n a m i ci c ef o r c e ( 3 ) f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fi c es h e e ts t a b i l i t y i c ee d g ei nt h ec h a n n e ll o a d b e a r i n gw a l lp l a s t i ca n a l y s i sm o d e lu s e df o rc a l c u l a t i o nr e s u l t e di nt h ea d o p t i o no f t h em e c h a n i c a lm o d e lo fi c et e s t p l a s t i c i t yc a nb ea p p l i e dd i r e c t l yt ot h ei s s u eo f t h ec l a s s i ci c ef o r c ec a l c u l a t i o nm e t h o d t h er e s u l t se s t a b l i s ham o d e lf o rt h el i g h t - - t oa d j u s tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l - - t h ee x p a n s i o no fm a t h e m a t i c a la n a l y s i so ft h e w o r k i n gc o n d i t i o n - h a sb e e nt h ei d e ao fc a l c u l a t i n gt h er e s u l t so ff i e l dt e s td a t ai n al i m i t e dg r o u pm e e t i n gt oo b t a i nam o r eg e n e r a lm e a n i n go ft h el a wt oc o n d u c ta p r e l i m i n a r ya t t e m p tt o k e y w o r d s ：m i dr o u t eo fs o u t h - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ；i c ef o r c em o d e lt e s t ；i c e s w e l l i n gf o r c e ；i c es l u i c ep i e r ；d y n a m i ci c ef o r c ef u n c t i o n ；i c ec a p ；f i n i t ee l e m e n t 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，也不包含为获得苤鲞盘堂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：莓左扯签字日期：立0 1 年。6 月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞态鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂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： 凄赳扎 导师签名： 签字日期：；b 翻年66 月2 日 签字日期： i 诲阁芗 月 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 南水北调中线工程是为了解决我国水资源分布不均并严重影响北方地区经 济发展问题而兴建的一项特大型跨流域、具有战略性意义的宏伟工程。南水北 调中线工程是整个南水北调工程的有机组成部分。工程重点解决北京、天津、 石家庄等沿线2 0 多座大中城市的生活和工业用水缺水问题，并兼顾沿线生态环 境和农业用水h 】。工程的实施可缓解京、津、华北地区水资源危机，从而大大改 善供水区生态环境和投资环境，推动我国中部地区的经济发展。 南水北调中线工程从长江流域丹江口水库引水到中国首都北京市，干渠全长 约1 2 6 7k m ，主要以明渠输水为主，沿线穿越大小不同自然河流( 包括黄河) 共计 2 0 0 多条，沿线各类建筑物共有1 7 1 5 座。由于总干渠由南向北从气候温和区进 入半寒冷地区，跨越了近半个中国。受气候条件的影响，在冬季输水势必会在沿 线发生不同的冰情，特别是输水过程中的结冰和融冻，分别为自北向南和自南向 北逐渐变化，将会出现南北冻、融情况不同的复杂状态【2 。同时高纬度寒冷地区 的渠道水流在冬季结冰是一种普遍现象。冰块堆积、堵塞和聚集形成的冰坝、冰 盖和冰塞会导致输水渠道阻力增加，致使上游水位上涨，并可能造成冰期洪水， 沿线建筑物破坏等危害。 由于我国北方大部分区域处于高纬度地区，分布于该陆地区域的包括南水北 调中线工程在内的各种水工结构物，如各种过水建筑物、输水渠道、水库、桥梁、 堤坝、水电站以及江河运输码头等。由于冰问题的事实存在，不可避免地遭遇到 冰的威胁，水利工程由于冰害造成的破坏事件也不鲜见。随着我国经济发展步入 加速上升期的快车道，长距离调水工程、江河运输以及综合水利工程也进入了高 速建设与发展期。因此，包括南水北调工程在内的各种水工建筑物能否高效率、 安全运行，也成为国家和各级政府部门以及南水北调工程技术人员首先考虑的课 题。在此背景下，正确地确定作用于水工结构物上的冰荷载成为水利工程设计中 的关键因素之一。因此，通过冰力学模型试验研究，探求相应的解决办法保证冰 期安全经济输水成为摆在南水北调中线工程研究设计人员面前的重要课题。 第一章绪论 1 2 冰力学研究现状 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。 随着科学技术的发展，人们已经能初步计算作用在结构上的冰力，a f a n a s e v 给出了作用在孤立桩柱上的冰载荷公式【3 ，k k a t o 和s o d h i 研究了作用在两根圆柱 结构上的冰载荷计算公式h 】，h s e a k i 和t t a k e u c h i 等估算了作用在桩柱群上的冰 力 5 1 ，近些年来由于试验设备和研究水平有了很大的进步，海洋工程设计中已有 比较具体的确定冰载荷的计算方法：规范计算；模型试验。但规范中所建 议公式中各参数的选择直接与各地区区域性特点以及不同冰型的冰力学特性有 关，因此应对规范中涉及的冰的各项强度参数作出适合各个工程设计区的全面分 析。同样，陆地水工结构物的冰荷载问题的研究催生了不同的规范，如：水工结 构物抗冻规范和公路桥梁设计规范等等，也同样存在对其中某些参数的具体调研 和选择的问题。随着科学技术的发展，海洋工程结构设计中数学分析的方法得到 了越来越广泛的应用。数学分析方法是利用弹塑性理论来研究冰的破坏机理和破 坏模式，较常用的方法有用有限元来分析半无限冰排对结构物的作用，用富里埃 展开式和有限元结合求解刚性圆柱结构在半无限冰排下的受力，以及r a y 提出的 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【6 】， 为用数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。 从数学模型的研究方法来看，移动式冰排对桩柱作用形式有三种： 1 、桩与冰面冻结后，在环境载荷作用下，冰排做水平运动； 2 、桩挤入半无限大冰排； 3 、桩贯入无限大冰排，并在桩后形成一个水槽。 目前，国内外的学者对前两种情况进行了较为细致的研究：对于第一种情况， k o p a y g o r o d s l ( i y 和v e i i s b i n j n ( 1 9 7 3 ) 曾进行过模型试验研究 7 1 ：c a m m a e r t ( 1 9 8 6 ) 和 m a t s k e v i t c h ( 1 9 9 0 ) 分别用数学模型进行了分析f 引。国内，王秀中的硕士论文曾对 作用在桩柱上的冰载荷进行了理论研究；王占先( 1 9 9 7 ) 也对桩柱与冰排固结的情 况作过数学模型分析；李英( 2 0 0 0 ) 研究了第二种情况下作用在单桩上的静冰力； 李哗( 2 0 0 1 ) 用数学分析的方法模拟了冰与单桩的作用，并对数学分析和模型实验 得出的冰载荷数据进行了对比分析。从理论的角度来看，由于在这个模型中可以 2 第一章绪论 用相当简单的边界条件( 即冰排与桩柱固结在一起) 来处理，因此无论从理论上还 是从数学模型上都是发展相对完善的( 由于当前的数学模拟还缺乏对作用机制的 准确反映，误差也是存在的，但已经可以控制在合理的范围内) 。但是，李哗的 论文将数学模拟与模型试验的结果进行了比较，虽然存在着一定的误差，两种结 果也起到了相互印证的作用。 近半个世纪以来国内外许多学者通过原型观测、试验和数值模拟等多种方法 对水内冰、岸冰、底冰、冰盖和冰塞的生成和演变，封冻河道的阻力、过流能力 和水位变化等有关问题进行研究。研究表明，渠道水流中的冰情可以按照冰的形 成与消融过程分为3 个阶段：结冰期、封冻期和解冻期。当周围气温使水温降低 到0 度以下时，渠冰开始形成，进入结冰期。由于渠道水流中水流紊动的作用， 水的热交换作用比较强，所以渠冰的形成不同于静止水的结冰现象。如果流速较 大，渠冰还不能大量形成。已有的研究资料表明【9 】，当流速大约在0 3 0 4 m s 以下时，才会形成大量的渠冰。水中最先形成的是冰淞，这是一种针状或者薄片 状的冰品松散聚合体。由于渠岸处流速较小，冰淞易在此处冻结连接在岸边形成 冰层，称之为初生岸冰。当气温继续保持在0 度以下或者持续下降时，随着时间 的推移，初生岸冰会逐渐增厚并向河道中间发展，形成牢固的岸冰。与此同时， 水流中的过冷却水遇到适当的条件时立刻凝结成冰。按照产生位置的不同，把它 们分为底冰和水内冰两类。粘附渠底的为底冰，夹杂在水流中一起运动的为水内 冰。因为密度比水小，底冰和水内冰最终会上浮到水面顺水流动形成流冰。流冰 受阻堆积发展成整片固定的冰盖，如果其面积占到观测渠道总面积的8 0 以上 时，渠道水流进入封冻期。 2 0 世纪后半叶前苏联、加拿大、北欧等国家和地区结合河冰研究的成果， 在引水工程中采取各种有效措施，达到了冬季安全引水的目的，积累了许多有价 值的经验，在这方面也有很多可供我们借鉴学习深化研究的地方。 冰力学模型试验是冰荷载对建筑物作用研究的重要手段，通过室内可控制的 模型试验可以重现现场不可控制的力学过程。冰力学模型试验相当特殊，具有流 体模型试验和材料试验的双重性【l 。冰力通过冰排汇集水流和风( 或其中任一种) 的能量，在运动中和建筑物接触把能量传递给建筑物，所以，冰力学模型试验具 有流体试验的一切特点，必须遵循流体模型试验的模型律。但是，冰排受本身强 度的制约往往又不能把汇集的能量全部传递给建筑物，因此冰力学模型试验同时 又是一种材料试验，这种材料就是冰。通常情况下，对冰等一般材料的力学性质 不进行模型试验，且这类材料的各项力学指标不一定随温度呈线性变化，即使呈 线性变化，变化速率也未必相同，这就给主要靠温度调节冰强度的冰力学模型试 验的模型律增加了很大难度。因此首先对普遍应用于静冰力模型试验中的模型律 第一章绪论 进行总体比较和评价，并在此基础上分析动冰力学模型试验模型律以进行试验。 在具体计算中，考虑到冰在桩墩前的非同时破坏现象，计算冰对桩墩的作用 力将更符合工程实际。本文将从工程实际出发，通过数学模型分析与模型试验相 结合的方法研究探索冰力学问题，包括冰的膨胀力、闸墩过冰能力和冰盖稳定性 问题。在具体分析中，认为冰与结构之间不固结，即冰排可以沿着结构无摩擦地 滑动。 1 3 本文主要研究内容 本文通过研读冰力学文献资料，系统回顾冰力学模型试验的研究进展，由原 型观测、理论分析、模型试验和数值模拟四大类相结合阐述已经取得的冰力学模 型试验研究成果，主要包括以下几方面的研究： ( 1 ) 通过对冰的膨胀力试验现象的观察和试验数据的分析拟合总结归纳出 冰的膨胀力的发生、演变和释放直至冰由于构造力剧烈变化变形胀缩过快而发生 破坏的全过程，对冰的膨胀力特性进行分析研究： ( 2 ) 通过对流冰对闸墩撞击力试验现象的观察、试验数据的处理和频谱分 析，进行以下研究： 冰排与闸墩相互作用的全过程； 冰力时程曲线及其频谱的分析研究，冰激闸墩振动的研究，冰力的两个 主频的能量对比关系分析研究： 冰激闸墩振动概化动冰力函数各因素影响归纳总结，建立概化冰力函数。 ( 3 ) 进行理论论述和具体计算，利用有限元法分析冰盖稳定性，建立理论上 的充分依据。进行冰盖在渠道边壁处承受荷载的计算。塑性分析模型考虑的是低 加速率冰作用时连续体的力学性态，将计算结果通过冰力学模型试验进行验证用 弹塑性有限元法求解冰盖受力是基本上符合低应变速率情况的。研究应用塑性力 学的经典问题解法计算冰力。建立以模型试验结果为参照调整的数学模型扩展 数学分析的工况得到计算结果的整体思路和对实践为现场数据和试验数据有限 组次的情况下具有较普遍意义的规律进行了初步尝试。计算冰力影响系数研究与 模型试验相关性。 4 第二章作用在直立桩柱上的冰荷载 第二章作用在直立桩柱上的冰载荷 本章首先对与冰载荷相关的几个基本概念进行解释，阐明在冰力学研究中的 几个基本概念。然后，简要介绍了研究冰载荷的冰力学模型试验；最后，着重 分析了作用在直立桩柱结构上的几种冰载荷：挤压力、撞击力和拖曳力。 2 1 几个基本概念 2 1 1 冰的强度特征】 冰排挤压结构物时，冰的破碎使冰荷载达到了极值，所以冰力和冰强度呈正 比关系，因而，了解冰的强度特征至关重要，和其他材料相比，冰强度要受到更 多因素的影响，其中主要有： ( 1 ) 加载方向的影响：冰具有明显的晶格结构，在结冰的过程中，冰晶体自 上而下生长，单个晶体的直径从不足1 0 m m 到几厘米不等。晶体的对称轴称为c 轴，c 轴与水面平行。冰的晶体结构使得它的强度、变形都呈现明显的方向性， 垂直于c 轴加载时，冰的强度较大。 ( 2 ) 冰温的影响：冰温和气温有所不同，没被雪覆盖的裸冰上表面的温度接 近于气温，并随气温而变化，但变化速率比气温小，所以二者常常不符。越往冰 体内部，冰温越高，及至冰排底层，冰温和水温就大致相同了。在冰温下降的过 程中，冰中原来尚未冻结的水泡会继续冻结，使水泡的体积不断缩小，从而使冰 强度不断提高。 ( 3 ) 冰速对冰荷载的影响：在同等冰厚和强度条件下，冰速4 0 4 m m s 时的冰 荷载一般大于冰速l7 1 m m s 时的冰荷载。 加拿大著名的冰试验专家t i m c o 根据冰样大量的试验数据绘制了一条冰强 度随加载速率变化的特性曲线，见图2 1 。f h j 线被划分为3 个区域，在延性区内， 冰强度随加载速率的增加而增大；在过渡区，冰强度出现峰值并保持在较高的水 平。随着加载速率的增加冰强度开始有下降的趋势；当加载速率进入脆性区以 后，加载速率的增加对冰的强度不发生明显的影响，冰强度比较稳定的保持在一 定的水平内。t i m c o 的工作揭示了低温冷冻冰所具有的一定条件下韧、脆转变典 型特性。由于试件取样的冰原体不同以及测试环境与条件的不同，曲线不同的分 区所对应的加载速率将会发生变化。国内外还曾有人发表过此类曲线，虽然分区 第二章作用在直立桩柱上的冰荷载 对应的加载速率不同，但是都明确显示了相同的规律和特性。 图2 1 冰强度随加载速率变化的特性曲线 2 12 冰破坏的主要型式 冰与结构相互作用是涉及诸多因素的复杂现象和过程，由于几何条件和相互 作用的速率不同，冰的任何或组合的破坏形式都可能发生，并由其控制作用在结 构上的荷载。因此，了解冰的破坏形式和机理并预测冰的破坏模式，在丁程设计 中通过采用不同的结构形式有效的控制冰的破坏形式，以达到对冰荷载进行控制 的目的，冰排的破坏形式主要可概括为三种”_ ： f 1 ) 挤压破坏：挤压破坏形式因径厚；d h ( 结构宽度或直径d 与冰厚度图2 1 h 2 _ l z ) 和相对压入速率v ，d ( 压入速率v 与结构直径d 之比) 的不问而异，冰可能的 破坏形式有：蠕变变形、径向裂纹、周向裂纹、局部剥落和局部压碎等；挤压 破坏通常发生在径厚比较小的情况。图2 2 所显示的时程曲线表示的试验工况是 d h ( 径厚比) 等于l ，曲线明显体现了冰盖挤压破坏的特征。 ：ic 口c $ 1 2 - z 女# e t 镕$ t 球女目m m a e 第二章作用在直立桩柱上的冰荷载 ( 2 ) 压曲破坏：通常发生在径厚比比较大的结构物前，结构物可能是直 立的或者是斜度较小的斜坡式结构。图2 3 所显示的冰力时程曲线代表的试 验工况是d h 为2 5 ，属于冰排作用于宽结构的问题，曲线反映了冰压曲破坏 的基本特征。 o 柚 毒 r 兹 对商( 8 ) 雷2 _ 3 舆型的压庙破环形式的冰力时闯历程曲线 曲线中除了包含频率较低的弯曲破坏现象之外，也显示了有挤压破坏的 特征。 ( 3 ) 弯曲破坏：通常发生在斜面结构物前；图2 - 4 所显示的冰力时程曲 线代表的试验工况是冰排作用于卧式半圆形的宽结构上，当水位较深时，冰 盖作用在卧式半圆形的4 5 度角以上，因此显示了以弯曲破坏为主的曲线特 征。 时问( s ) 圈2 4 兵壁的弯曲破坏形式的拨力时同历程曲线 第二章作用在直立桩柱上的冰荷载 2 1 3 无限大和有限大流冰 ( 1 ) 无限大尺寸流冰f 1 3 1 ：流冰尺度越大，所聚集的能量也越大。当流冰所聚 集的能量足以使冰在结构前以各种形式破坏时，这时的流冰尺度可认为是无限 大。无限大冰体对结构作用力的上限由冰的强度控制，这时的冰力也称为受冰强 度控制的冰力。可以认为，原型4 0 0 m 2 或2 0 0 m 2 以及1 2 0 m 2 ( 通河站、哈尔滨站统 计资料) 大小的冰盖即可定义为无限大尺寸。本次模型试验中无切割整体模型冰 盖即属于无限大流冰的范畴。而受挤压破坏强度控制的冰力即是受多种强度控制 的冰力中极端荷载，也是工程设计中常用的控制冰荷载。 ( 2 ) 有限大尺寸流冰4 j ：流冰尺度越小，所聚集的能量也越小。当流冰所聚 集的能量不足以使冰在结构前破坏时，这时的流冰尺度可认为是有限大。有限大 冰体在结构前滞留、堵塞，或绕过结构后顺流而下，但很难破坏。有限大冰体对 结构作用力的上限由冰具有的能量控制，这时的冰力也称为受驱动力控制的冰 力。本次流冰对闸墩撞击力试验中冰盖切割尺寸即是以有限大尺寸的流冰为基础 的。如平均2 0 m z ( 下坝址观测资料) 大小的原型冰盖即可认为是有限大尺寸的流 冰。 2 1 4 冰荷载的确定方法 由于海洋工程高昂的造价和运营成本，以及追求效益的商业原则，首先促进 了海洋冰工程研究的发展，并最终将冰荷载确定为寒冷海域海洋工程设计的控制 荷载i l 川。随着工、农业，航运事业的发展，充分开发和利用陆地水资源的课题 也开始引起人们的重视。在寒冷地区兴建水工建筑物，也不例外地遇到冰与结构 相互作用的问题。如何确定作用于结构上的冰荷载成为工程设计中首先应该考虑 的安全因素之一。合理地确定冰荷载的方法： ( 1 ) 据本国或本地区的特点制定工程规范； ( 2 ) 根据长期观测资料通过数学统计的方法拟合相关系数建立经验公式； ( 3 ) 运用快速发展的有限元计算工具进行仿真计算等。 由于规范和经验公式的建立都包含了国家和地区的特点，不同程度地影响了 在工程设计中的应用与推广。而在有限元计算中，对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，只有当对冰的物理力学特征以及冰与结构相互 作用机理充分了解和掌握之后，有限元计算才能成为行之有效的方法。 由于上述确定冰荷载的方法均存在的不足，在确定冰荷载的过程中往往采用 规范法、公式法和有限元计算的综合方法，或借鉴他人规范和经验公式，或结合 本地区或行业特点以及经验对某些公式进行修正后加以应用。 8 第二章作用在直立桩柱上的冰荷载 为了弥补数学计算确定冰荷载的不足，通过室内可控制的模型试验来重现现 场不可控制的力学过程的方法研究冰与结构相互作用的机理并校核工程设计参 数己经成为工程设计不可缺少的重要手段。而诸多的经验公式中的系数也正是通 过模拟试验及数据的统计获得的。 2 2 冰力学模型试验 冰与结构相互作用的试验研究起源于极地与寒冷地区的商业航行、海洋石油 开发与水利工程等各项事业的蓬勃发展。追求工程结构和人员安全的实际要求以 及对冰工程的高效率的商业运营利益的期望促使人们越来越关注冰与结构相互 作用机理以及实际工程中的冰问题，如水工结构物的设计参数、海洋石油平台的 抗冰结构型式以及破冰船舷的破冰性能等。寒冷地区发达或较发达的国家首先开 始了冰模拟试验的尝试1 1 6 l ：1 9 5 5 年苏联在列宁格勒建起了世界上第一座低温冰 池试验室，其后在德国、芬兰、挪威、日本、加拿大和美国先后建造了十数座低 温冰池实验室。1 9 8 5 年加拿大国家科学院在纽芬兰岛工m d ( 海洋动力研究所) 建 立了世界上最大规模的冰池实验室，该冰池长8 0 m ，宽1 2 m ，深3 m ，见表3 1 。 自8 0 年代中期以后，新冰池建设的速度放缓，人们的注意力开始转向高质量 模型冰的研制和相关实验技术提高与理论方面的发展。第二代尿素模型冰的实现 与推广是这一时期主流的体现。目前，对于静冰力模拟试验的技术与理论已经发 展为较为健全和成熟的体系。自9 0 年代中期开始，人们开始尝试用冰模拟实验的 方法进行结构动冰力的实验研究，由于对冰与结构动力相互作用机制存在着由来 已久的争论，并在实践中遇到的问题如模型相似律问题至今还没有得到令人满意 的解决，因此，动冰力模型实验的相关理论和技术还处于探索与发展的阶段。天 津大学已于2 0 0 2 年通过承担国家8 6 3 项目为契机开始了这方面理论与技术的研究 与实践。 针对极地商业航行和海洋开发而发展起来的冰模拟试验技术逐渐被用于陆 地水工结构物的研究。迄今为止，像闸、涵洞过冰和碎冰清除方面一般需要进行 针对具体工程对象的专门问题，还有待于进行专项的理论和实验研究。 我国北方幅员辽阔广大的区域处于寒冷地区。因此，对于冰问题的研究历史 同样由来己久。我国黄河以及东北地区江河的冰凌研究已有较长的历史，它的发 展无疑也是以水利工程的安全和人民生命财产的安全问题为背景的。所进行的研 究多数为现场观测和现场试验。科学工作者也尝试使用模拟实验的方法探索冰凌 运移规律、过水廊道防止冰塞等问题，模型冰材料一般是常温材料；如石蜡、 木块以及塑料泡沫块等。但是，由于原型冰各向异性的明显特征以及随不同加荷 9 第二章作用在直立桩柱上的冰荷载 速率而不同的力学特征等，以常温材料进行冰荷载试验特别是进行冰盖作用于垂 直结构物的试验不能满足作用、破坏机制的相似性。因此，不可能达到正确确定 冰荷载的目的。 我国开展冰与结构相互作用的室内低温模拟试验起源于海洋开发事业发展 的需要。1 9 6 9 年和1 9 7 6 年渤海湾发生了严重冰情，两座海洋平台被冰推倒，造成 重大的经济损失，对我国从1 9 6 5 年刚刚起步的海洋石油开发事业也是一次沉重的 打击。从1 9 6 9 年天津大学开始参与海冰与海工结构物相互作用的研究。由于寒冷 地区冰工程所处的环境恶劣，现场实测的工作受到了极大的限制。又由于冰期的 限制，重现现场工况也存在着不可为的现实困难。因此，重现危险工况，有目的 的设计试验参数对冰与结构的相互作用的机理和冰力进行系统的试验研究成为 我国冰工程的迫切需要和必须的手段。在这种背景下，天津大学小型冰池于1 9 8 7 年建成并投入实际生产问题的研究为了放大试验比尺降低试验的失真度，提高 模拟试验的整体水平，天津大学1 9 9 5 年又建成了大型低温冰池实验室。使天津大 学冰工程实验室成为我国唯一可进行冰与结构相互作用低温模拟实验的重要基 地。自小型冰池建成以来至今，成功进行并完成了数十项国家自然科学基金与生 产单位的科研项目，为我国冰工程的研究与发展做出了重大的贡献。 到目前为止，世界上除商业性和国家机构拥有的冰池试验室外，只有美国的 爱荷华( i o w a ) 大学、芬兰的赫尔辛基( h e l s i n k i ) 大学和我国的天津大学等三所学校 拥有低温冰池试验室。这也奠定了天津大学在国内冰工程试验和研究领域的重 要地位。 2 3 作用在直立桩柱上的冰载荷 浮冰在水流和风的驱动下会产生漂流运动，运动的冰体遇到水中的结构物阻 拦后，要对结构物产生作用力，即冰力。冰对结构物作用力的大小或受驱动力的 限制，或受冰强度的限制。浮冰的面积越大，受到的动力也越大。 通常，把面积足够大的浮冰体称为冰排，面积相对较小的浮冰体称为流冰。 大面积冰排在遭遇结构物时几乎不改变原来的速度继续向前运动，这时作用在结 构物上的冰力成为挤压力。小面积的流冰受到的驱动力较小，它具有的能量不足 以使自身在结构物的迎冰面前破碎或完全破碎，所以只能滞留在结构物前，或绕 流而过，这时作用在结构物上的冰力称为流冰撞击力。水流和空气作用在冰排上 产生的连续力称为拖曳力| i 引。 l o 第二章作用在直立桩柱上的冰荷载 2 3 1 挤压力 通过文献检索，得到现有的挤压力计算公式包括：平整冰与不同断面形状 结构相互作用的冰力计算公式，或是针对某一断面形状，或通过断面形状系数改 变后可应用于不同断面形状；冰与垂直结构作用的冰力计算公式和冰与斜面结 构作用的冰力计算公式等1 1 9 】。1 2 2 1 。在介绍公式的过程中同时对公式给出了初步的 评价。经过筛选，对于应用范围过窄经验公式不再介绍。 2 3 1 1 港口工程荷载规范( j t j2 15 - 9 8 ) i ：3 1 作用在港口工程结构上的冰荷载可包括： ( 1 ) 大面积冰场运动时产生的静冰压力； ( 2 ) 流冰产生的撞击力； ( 3 ) 冻结在结构上的冰因水位升降产生的竖向力； ( 4 ) 结构内、外的冰因温度变化产生的膨胀力。 应根据当地冰凌的实际情况及港口工程的结构型式确定冰荷载。 大面积冰原对桩或墩产生的极限冰压力标准值宜按下式计算： f = ，州o c d 办 ( 2 1 ) 式中，一极限冰压力标准值，k n ； m 一桩或墩迎冰面形状系数； 彳一冰温系数： 盯，一冰的抗压强度标准值，k p a ； d 一桩或墩迎冰面投影宽度，m ； j l 一冰层计算厚度，m 。 桩或墩的迎冰面形状系数m 可按表2 - 1 采用。 表2 - 1 桩和墩迎冰面形状系数m 应冰面 尖角形的应冰面角度 平面圆形 形状系数4 56 07 59 01 2 0 0 5o 60 7 m1 0 0o 9 00 5 9o 6 9 447 冰温系数a 可按表2 2 选用。 表2 - 2 冰温系数 温度( 。c ) 01 02 0 a1 02 o4 0 第二章作用在直它桩柱上的冰荷载 注： 1 ) 表列冰温系数可直线内插值； 2 ) 对海冰，冰温取结冰期最低冰温；对河冰，取解冻期最低冰温 冰的抗压强度标准值，可取当地冰温0o c 时冰的抗压强度。当缺乏实测资料 时，对海冰可取仃。= 4 5 0 k p a ；对河冰，流冰开始时盯。= 7 5 0 k p a ，最高流冰水位时 可取仃= 4 5 0 k p a 。 对公式的评价： ( 1 ) 考虑到了冰温对作用力的影响； ( 2 ) 缺少接触条件系数； ( 3 ) 公式没考虑冰在实际挤压过程中的多向应力状态。 ( 4 ) 给出的冰强度值与许多海域的实际冰强度不符。对海冰，“取当地冰温 0o c 时冰的抗压强度”的提法是错误的。 2 3 1 2 美国a p i 规范 假设冰作用于结构上的冰力等于： f = c c r c a 式中，f 一冰力( n ) ； c 一冰力系数； ( 2 2 ) 仃，一冰的抗压强度( k p a ) ； 么一冰的挤压面积( m m z ) 。 冰的强度随冰的温度、盐度、荷载率等变化，在1 3 8 和3 4 5 m p a 之间变化： 系数c 决定于冰力作用的速度、形式等，c = o 3 0 7 。 流冰力系数c 与结构物的直径和冰厚之比与桩柱的形状等有关。与冰厚比 较，桩腿直径越大，流冰力系数越小。 对公式的评价： ( 1 ) 系数c 的范围太大，在实际使用中不易确定；易造成较大的误差。 ( 2 ) 以一个综合系数概括多项影响因素，不能准确考虑各因素的影响。 2 3 1 3 多系数公式( k o r - z h a v i n - a f a n a s e v 公式) 1 1 5 】 假设冰作用于结构上的冰力f 等于： f = i m k d h o - c ( k n )( 2 - 3 ) 式中，f 一极限冰力； 卜局部积压系数，如下；按a f a n a s e v 的建议给出为 第二章作用在直立桩柱上的冰荷载 ( 1 + 5 莎邬百d 鲥， 2 5 ；当旦：1 o 时， 4 1 7 1 6 7 d ；3 0 15 兰三1 o 时， 4 0 ：当旦：0 1 时 m 一桩柱形状系数，对于圆柱取0 9 ； 七一接触条件系数。1 9 8 3 年版z c 规范曾给出0 4 5 ，1 9 9 2 年版又撤销。 d 一桩柱直径( m ) ； 月l 冰块厚度( m ) ； 仃一冰块的单轴抗压强度( m p a ) 。 对公式的评价： ( 1 ) 三个系数比较全面地反映了冰对桩柱作用的机理； ( 2 ) 三个系数均来源于试验与经验； ( 3 ) 该公式适用于d h 6 的范围； ( 4 ) 接触系数取0 4 5 可能使计算结果偏大；在不同的使用对象中可考虑采用 0 3 2 ，或通过模型试验确定。 2 3 1 4s c h w a r z 公式闭 假设冰作用于结构上的冰力f 等于： f = 3 5 7 ( h ) - - 0 4 d 0 5 h 1 5 吼( k n ) ( 2 4 ) 式中，d 一桩柱直径，m ； 日一冰厚，m ，但在( h ) 0 4 中取c m ； 盯一冰单轴抗压强度，k p a 。 对公式的评价： ( 1 ) 一般认为计算得到的冰力偏小；但桩柱直径较小时计算得到的冰力并不 比其他公式小，甚至反而更大； ( 2 ) 公式的量纲不协调； ( 3 ) 系数和指数来源于现场实测数据统计分析，广泛推广使用存在局限性。 2 1 3 5 我国公路与桥梁设计规范冰荷载规定i ：7 j 公路与桥梁设计规范p 4 5 附录( 1 9 8 9 ) c 9 的冰荷载压力的计算，当设计可能遭 受到流冰影响的桥梁墩台时，应考虑作用于墩台轴线方向的冰块撞击力。 第二章作用在直立桩柱上的冰荷载 对于具有竖直边缘的