（水工结构工程专业论文）冰排与建筑物挤压破坏有限元模拟分析研究.pdf

摘要 河中流动的冰块会产生很大的动冰压力和撞击力，碰撞船舶或其他建筑物， 使河道冬季无法通航，流冰的撞击还可能会导致水工建筑物不同程度的破坏、影 响其安全运行，对下游造成危害。因此，开展流冰对于结构物的撞击研究是十分 必要的。冰与结构相互作用存在多种破坏形式，根据破坏宏观现象可以分为：挤 压破坏、弯曲破坏、屈曲破坏等。其中挤压破坏产生的冰荷载比较大，是工程中 重要的研究内容。本文用有限元方法研究了冰排与闸墩的挤压破坏。 本文首先论述了冰问题的研究现状，介绍了冰的破坏方式、本构方程，总结 了冰荷载计算公式和数值模拟的基本原理，并说明了工程实例以及相应的物理模 型试验。介绍了a n s y s l s d y n a 这一显式动力分析有限元软件的非线性有限 元理论以及软件的显示算法基础，并用此软件建立起冰排与闸墩的有限元计算模 型。对于冰排与闸墩碰撞挤压破坏的研究，建立了简化的模型来估计冰力时程和 结构的响应。在研究中，以冰在一定弹性变形后的挤压破坏为接触区域的破坏准 则，并结合了冰的特点，如冰的挤压强度、冰厚、冰速等等特征，完成了对于冰 排闸墩的挤压破坏模拟。经过计算，本文得到了与实际情况比较符合的挤压破坏 冰力时程曲线，冰排的应力分布和闸墩各时刻的响应。模拟计算所得冰荷载极值 与水工抗冰规范冰荷载公式计算所得值和实验值进行了比较。比较了同样冰厚、 冰速下双闸墩与单闸墩的冰荷载值的大小。总结了单闸墩不同冰厚、冰速下冰荷 载值的变化规律。 一 计算及分析表明，a n s y s l s d y n a 这一显示动力分析有限元软件可以分 析冰排与闸墩的挤压破坏，并将破坏过程以动态方式显示出来。用此方法可以比 较方便的得到随时问变化的冰力曲线、闸墩在各时刻的响应以及冰排中的应力分 布。 关键词：冰荷载挤压破坏a y s y s l s d y n a 冰排 闸墩 a b s t r a c t t h ei c e b e r gi nt h er i v e rw i l lb r i n gv e r yh u g ed y n 锄i ci c ef o r c ea n di m p a c tf o r c e t h ei c e b e r gw i l ls t r i k et h es h i pa n d b u i l d i n g ，w h i c hw i l lc a u s et h eb l o c ko ft h e n a v i g a t i o ni nt h ew i n t e ra n dt h ed a m a g eo ft h eh y d r a u l i cs 缸u c n l i - e t h ei c e b e r gw i l l a l s oa f f e c tt h es a f eo p e r a t i o no ft h eh y d r a u l i cs n l l c t t l r ea n de n d a n g e rt h ed o w n s t r e a m t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt om a k ear e s e a r c ha b o u tt h ei n t e r a c t i v i t yb e t w e e nt h e i c e b e r ga n ds t r u c t u r e t h e r ea r es o m ef o r m so ff a i l u r eo ft h ei c e ，w h i c hc o n c l u d e c r a s h i n gf a i l u r e ，b e n d i n gf a i l u r ea n d f l e x u r a lf a i l u r e t h ei c ef o r c eo ft h ee x t r u s i o n f a i l u r ei st h eb i g g e s t ，s ot h ec r u s h i n gf a i l u r eo ft h ei c e b e r gw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i ss t u d i e d t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t eo ft h ei c ep r o b l e mi sr e v i e w e d t h ef o r mo ff a i l u r ea n d c o n s t i t u t i v ee q u a t i o no ft h ei c ei si n t r o d u c e d t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a so fi c el o a da r e s u m m a r i z e d t h ep r o j e c te x a m p l ea n dt h ep h y 7 s i c a lm o d e le x p e r i m e n ti si n t r o d u c e d t o o a n s y s l s d y n ai sf a m o u sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h ef m i t ee l e m e n t m o d e lo fp i e ra n dt h ei c es h e e ti se s t a b l i s h e d t h ef a i l u r ec r i t e r i o no ft h ei c ei st h a tt h e c o n t a c tr e g i o no fw i l lf a i la f t e rac e r t a i ne l a s t i cd e f o r m a t i o n t h em o d e lo fi c ea l s o c o n c e r n sa b o u tt h ec r u s h i n gs t r e n g t h ，t h et h i c k n e s sa n dt h ev e l o c i t yo ft h ei c es h e e t t h er e s u l to ft h ec a l c u l a t i o nc o n t a i n st h ei c ef o r c e t i m ec u r v ea n dt h er e s p o n s eo ft h e p i e r t h ei c el o a dc o m i n gf r o mf i n i t ee l e m e n tm e t h o di sc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t f r o mt h ec o d ea n de x p e r i m e n t t h er u l eo ft h ei c el o a di ss u m m a r i z e dw h e nt h e t h i c k n e s sa n dt h ev e l o c i t yo fi c ei sd i f f e r e n t t h ec o m p u t a t i o na n da n a l y s i ss h o wt h a tt h es o f t w a r ea n s y s l s d y n ac o u l d m o d e lt h ec r u s h i n gf a i l u r eo ft h ei c es h e e t t h ei c ef o r c e - t i m ec u r v e ，t h es t r e s s d i s t r i b u t i o ni nt h ei c es h e e ta n dt h er e s p o n s eo ft h ep i e rw i l lb eg o te a s i l y k e yw o r d s ：i c e l o a d ，c r u s h i n gf a i l u r e ，a n s y s l s d y n a ，i c es h e e t ，p i e r 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：艺处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鲞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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作暑签名：鸥卫卫 签字日期：伽7 年石月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解壑奎盔璺有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞叁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： 鹚卫卫 签字日期：饥刃7 年6 月日 新虢产 签字目期：训7 年石月日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 河流冰问题几十年来一直为工程界和学术界所关注，目前对河冰的研究内容 可以归纳为江河冰情的观测、河冰形成条件及冰情形态演变、江河的热力状态、 冰凌水力学、河冰的机械力学性质及其对水工建筑物的作用、江河冰情的模拟、 冰情预报等方面。 河流冰影响航运和建筑物安全，流动的冰块会产生很大的动冰压力和撞击 力，碰撞船舶和其他建筑物，使河流冬季无法通航，水工建筑物也会遭到破坏。 通常，把面积足够大的漂浮冰体称为冰排，面积相对较小的称为流冰。大面 积的冰排受到的驱动力也大，它具有的能量足以使自身在结构物的迎冰面前连续 破碎，而冰排则几乎不改变原有的速度继续向前运动，这时作用于结构上的冰力 称为挤压力。小面积的流冰受到的驱动力也小，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 作用于结构物上的冰力称为流冰撞击力。 冰与结构物作用力的研究主要在海冰研究领域。海冰的研究已经形成了一门 独立的学科一冰力学，冰力学研究海冰的问题主要分为两个方面：海冰的物理力 学特性研究和冰荷载问题研究，前者主要讨论冰的材料特性，后者主要研究海冰 力学特性。海冰研究的核心问题是确定冰对结构的总冰力问题，目前动冰力研究 进展比较缓慢，各国抗冰结构设计的冰荷载计算公式存在很大的差异，主要原因 是冰与结构相互作用的问题非常复杂，国际上关于冰与结构相互作用的动冰力测 试还不完善，缺乏动冰力测量数据。 冰与结构物相互作用根据冰的特点和结构物的形状存在多种类型，最为广泛 的是冰对结构的膨胀挤压作用和流冰挤压作用，流冰挤压作用又包括以下几种形 式：静力推压作用、动力激振作用、撞击作用。冰与结构物相互作用时，根据不 同类型具有相应的侧重方面，如膨胀挤压作用主要考虑冰冻结时体积增加对结构 物的影响，静力作用主要考虑冰的极限强度，动力激振主要考虑动冰力的大小， 撞击作用主要考虑流冰的质量和速度等。 冰与直立结构相互作用存在多种破坏形式，根据破坏宏观现象可以分为：挤 压破坏、弯曲破坏、屈曲破坏等。其中，挤压破坏产生的冰力最大。在挤压破坏 过程中，随着冰速度的变化，可以产生三种不同的冰力行为，即：塑性破坏、损 第一章绪论 伤破坏和纯脆性破坏模式。 本文主要进行了冰排挤压闸墩并发生脆性挤压破坏时的冰荷载研究，和挤压 过程中闸墩的受力变形状况。 1 2 国内外研究现状 国际上开展冰力学研究的国家主要集中在加拿大、美国、芬兰、德国、俄罗 斯、日本和我国等靠近冰区海洋的国家。加拿大国家研究院( n a t i o n a lr e s e a r c h c o u n c i lo fc a n a d a ) 内的加拿大水利研究中心( h y d r a u l i cr e s e a r c h ) 和m e m o r i a l u n i v e r s i t yo fn e w f o u n d 在冰的微观结构观测技术、冰晶结构对冰的物理力学 性能的影响、冰的损伤本构模型、冰与结构相互作用及模型冰的制作方面进行了 系统的理论和试验研究。美国最早的冰问题研究集中在河冰及河冰危害，但从 1 9 6 4 年在阿拉斯加c o o k 湾的两座石油钻井平台被海冰推倒后，美国开始重视海 冰的研究，在冰的微观结构及其与冰物理力学性质，冰的粘弹性本构关系和冰于 结构相互作用室内模型实验( s o d h i ) ，冰的非线性断裂及断裂破坏的尺寸效应等 方面开展广泛研究。日本j o i a ( j a p a no c e a ni n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 从研究 冰的基本物理力学性能等基础研究开始，研究结果实现预测日本海冰荷载和模拟 冰与结构相互作用形式。 海冰与结构相互挤压作用的交变荷载、冰破坏形式与冰速、结构形状有关。 为了解释冰与结构快速挤压作用的破坏机理， a s h b ye ta l 提出了非同时破坏模 型瞳1 ，s o d h i 通过室内挤压实验指出当冰板快速挤压结构时在挤压面上形成锯齿 形边界。，边界上局部地方可以看到挤压形成的裂纹而其它地方不出现裂纹，冰 与结构接触的局部产生高压“热点( h o ts p o t s ) ”，但总体挤压冰力减小。冰的 这种破坏形式被称为脆性剥落( b r i t t l ef l a k i n g ) ，目前国际上讨论最多的还有 楔型剥落破坏模型。c r o a s d a l ee ta l 认为冰与结构相互挤压时达到冰的剪切极 限时发生剪切破坏，引起冰的楔型剥落，同时通过测冰压力实验证实了冰与结构 的接触面中心地方冰压力最大“1 。k a r n a 总结上述两种破坏模型，提出分层接触 挤压破坏模型临。以上讨论都从不同侧面解释了冰与直立结构快速挤压破坏产生 的现象，如非同时破坏模型解释了快速挤压冰力减小问题，楔型剥落模型解释了 海冰的清除及局部高压问题。杜小振等人通过冰与直立结构快速挤压的现场原型 实验以及脆性材料压缩破坏的断裂力学研究，提出脆性劈裂破坏模型1 。 越来越多的研究者，以模型实验和现场观测为基础，用数学模型对冰的破坏 过程加以细致地模拟，自2 0 世纪8 0 年代末期至今，己取得了大量的研究成果。 虽然彼此应用的理论与方法存在许多差异，但均把模拟冰的破坏过程作为共同的 2 第一章绪论 切入点，这些模型如1 9 8 9 年t u o m ok a r n a 7 】，1 9 9 0 年rwm a r c e l l u s 8 】，1 9 9 4 年 b e r c h a 叫，1 9 9 5 年tgb r o w nn 引，1 9 9 6 年t u o m ok a r n a m3 和k y u n g s i kc h o i r n 2 1 等 在占 弋ro 在国内冰力研究方面，在天津大学、大连理工大学等几所院校，对海冰的物 理力学特性、海冰破坏动力学特性、冰激震动方面进行了广泛的研究，并做了很 多模型实验。模型试验方面，天津大学史庆增等人在国内第一座冰池实验中进行 了首次冰力模型试验。冰的模型试验主要有以下两类：1 、研究冰的运动规律， 如港口水域中冰的漂流与运移，河道解冻后冰凌的漂移与堵塞等。2 、研究冰对 水中结构物的作用力，如对水中结构物的挤压、撞击、上拔、下压、摩擦等等。 冰的破坏以及冰与结构相互作用的力学机制是非常复杂的，目前还很难用数学分 析方法进行完全的描述n 3 | 。 研究冰与结构的相互作用时，理论分析、原型观测和模拟试验三者相互结合 是解决问题的基本做法。冰力的计算方法是基于对冰一结构相互作用力学机制的 认识，不同的力学机制对应不同的力学模型，最终推导出不同的计算方法。目前 已有的理论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、损伤力学理论上的计算方法，但是， 目前工程上使用的仍然是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做出精确的预测，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n 引。 数值模拟方面，陈伟斌用数值计算方法计算冰与海上固定结构物相互作用力 随时间变化历程n 纠。张运良曾运用非连续变形分析方法( d d a ) 模拟冰结构动力 相互作用过程n 引。d d a 方法是石根华博士于1 9 8 8 年提出的一种新型数值计算分析 方法。计算结果表明d d a 方法可以进行海冰破碎过程的模拟。同时文中指出实际 的海冰本构关系及其复杂，目前仍未确定和统一，文章将视海冰为弹脆性材料的 模拟结果可视为定性参考。宋安，卢海等人以非线性有限元分析软件a n s y s 进行 了斜面结构上冰荷载的分析，并获得了与实验数据相近的计算结果n 。 1 3 本文主要工作 本文主要是研究冰排与闸墩的挤压破坏。运用世界上著名的非线性动力有限 元分析软件a n s y s l s d y n a 进行模拟分析和计算。 本文主要做了以下几个方面的工作： 1 介绍了冰的基本性质和冰的模型试验 论述了冰问题的研究现状，介绍了冰的破坏方式、本构方程，总结了冰荷载 第一章绪论 计算公式和数值模拟的基本原理，并描述了闸墩冰荷载的模型试验。 2 掌握学习工具软件 学习了a n s y s l s d y n a 这一显式动力分析有限元软件的非线性有限元理 论以及软件的显示算法基础。并作了算例，基本上掌握了软件的理论基础和操作 方法。 3 建立起有限元计算模型 利用得到的基本数据，应用a n s y s l s d y n a 软件的前处理模块绘制出冰 和闸墩的模型，再确定单元、单元参数以及材料属性，并对模型进行了网格剖分， 最终建立起模型。 4 数值模拟分析与规律总结 运用有限元分析软件计算了单闸墩、双闸墩以及不同冰厚、不同冰速下的冰 荷载值，根据水工建筑物抗冰冻设计规范冰荷载计算公式计算了冰荷载值，并将 上述冰荷载值与模型试验所得冰荷载值进行了比较分析与规律总结。并对相互作 用过程中的冰排受力情况、闸墩的受力变形情况进行了分析。 4 第二章冰的特性 2 1 冰的物理力学特性n 町 2 1 1 冰的结构 第二章冰的特性 冰是一种晶体材料。自然界的冰都属于对称的六方晶体系，但单个冰晶体的 外形和尺寸却有很大的不同：它们可能呈片状、粒状或柱状，尺寸可由一毫米左 右到几个厘米。冰晶格的对称轴垂直于“基面”。基面为若干个相互平行的平面。 冰沿与基面平行方向发生相对位移时，需要破坏分子结合点的数目明显少于沿着 其它方向位移时的情况。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。 2 1 2 冰的变形特性 冰的变形特性随外界条件而变化：如从开始加载到破坏的历时较短，加载速 率较高( 这时沿晶格基面的位移还来不及发生) ，而应力水平又较低时，冰的变 形主要是由于在载荷作用下分子内部之问距离的改变，弹性变形将是主要的；如 加载历时较长，加载速率较低，而应力水平较高时，则非弹性变形( 塑性变形、 蠕变变形) 将占主要地位。冰的蠕变主要来自晶体沿基面产生的位移与滑动。在 静冰力分析中，常需考虑冰的蠕变变形特征。 当加载迅速时，冰的蠕变变形与弹性变形相比可以忽略不计。如应力足够高， 冰这时将呈现“弹一脆 性破坏方式。在冰撞击结构物，并且冰排不断发生局部 压碎，情况更接近于这种“弹一脆”性破坏。冰的完全弹性只在加载速率极高时 才能表现出来。实际上加载速率一般不会这样高，因而冰要表现出一定的粘弹性。 为了研究这时冰的变形特性可进行冰样在等应力速率或等应变速率下的加载试 验，由试验得到应力应变曲线( o ) 的初始正切值确定冰的弹性模量的近似 值，并称为冰的静力弹性模量或名义弹性模量，而且明显依赖于加载速率、冰温、 晶格状况、加载方向及应力水平等因素。 第二章冰的特性 2 1 3 冰的挤压强度 大量试验表明，冰的强度值是与加载速率紧密相关的一个函数，其取值范围 为0 5 i o m p a 。对于裁荷平行冰层表面的强度试验，冰的单抽抗压强度具有如 下形式： o - s = 8 4 ( 圹1 - 厕) 亿。、 式中：仃，冰的单轴抗压强度，m p a 平均应力速率，m p a s ( 1 0 - 3 吒 1 ) 炜总的孔隙度 如加载速率用应变对时间的变化来表示，m i c h e l 提出了一个物理模型来描 述挤压强度盯，和应变速率的关系： 占= a 盯；e x p ( 一q r t ) ( 2 2 ) 式中a ，l l 常数 q ，r ，卜激活能，普适气体常数，绝对温度 冰的挤压强度与应变速率密切相关，在高应变速率下冰表现为脆性材料，为 脆性断裂，且有较大的随机性，但其强度均值基本上不随加载速率而改变。在低 应变速率下又呈现弹性特征，变形时不出现裂纹，强度随加载速率增大而提高。 而在一定的应变速率范围内则弹性和脆性共存。此外，影响冰的挤压强度的因素 还有冰的温度、晶体结构等。 2 1 4 冰的抗弯强度 冰的抗弯强度主要应用于破冰性能、冰对倾斜结构的作用力、冰脊的形成以 及碎冰堆积过程等。试验方法主要采用悬臂梁试验和三点或四点弯曲试验。分析 方法则应用了简单梁理论和三维有限元分析技术。试验结果发现冰的抗弯强度很 小，大约在5 0 0 2 2 0 0 k p a 的范围内。此外，温度越低，抗弯强度越大，如温度 从- - 5 下降到- - 4 0 ，强度则从5 0 0 k p a 增大到2 0 0 0 1 【p a 。 2 1 5 冰的拉伸强度 破坏； 无关。 ( 1 ) 拉伸破坏基本是脆性破坏，只有当应变速率低于1 0 r 6 l s 时，才是韧性 ( 2 ) 拉伸强度随温度变化较小； ( 3 ) 拉伸强度对应变速率变化不敏感，或者说拉伸强度基本上与应变速率 6 第二章冰的特性 2 2 冰的破坏类型 通常情况下，移动的冰排在结构物前可能产生的破坏类型口町有： ( 1 ) 挤压破坏，如图2 1 ( a ) 所示，冰排在与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 - 1 ( b ) 所示，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 - 1 ( 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 - 1 ( d ) 所示，冰排沿斜面结构上爬后，形成受弯的梁或 板最终因弯曲而破坏。 ( 5 ) 混合型破坏，指冰排同时具有上述两种或两种以上的破坏类型，最常见 的是挤压和压屈同时存在的破坏，各种破坏类型所占比例因条件而异。 ( 6 ) 摩擦破坏，指冰排与结构物摩擦时，在接触面上冰排的摩损。 冰排的破坏类型不同，对结构物的作用力大小也不同，一般以挤压破坏的冰 力最大，弯曲破坏的冰力最小，大小可差几倍。因此本文主要对冰的挤压破坏进 行了研究。 炉旷79 享 2 3 冰的破坏机理 图2 1 冰破坏类型图 冰在不同的应变速率下表现出完全不同的破坏特征，如图2 - 2 所示，当应变 速率较低时，冰在压力作用下的变形可以用弹塑性理论模拟。变形的不可恢复阶 段具有高度的非线性。随着应变速率的增加，冰的变形很小，且应力一应变曲线 基本成线性，冰的断裂开始占重要地位。当冰以脆性特征发生破坏时，破坏形式 根据结构形式的不同而有所改变，包括大范围断裂、局部破碎和弯曲破坏。处于 7 第二章冰的特性 延性区和脆性区之间的即为过渡区，其破坏特征是塑性变形及较多裂纹存在，或 剪切破坏，或局部劈裂破坏。 tj r q h 一l - j。一- - ! n , 、m - p 薯产噜 叫r - 。， 嵋 ? 哩 订k - 7 ， 一r 7 i d 卜- 蓝性区卜吐度区b 赡性区 图2 2 冰的单轴抗压强度和应变速率关系图 2 3 1 冰的延性破坏机理 低应变速率下，冰以延性破坏为主。延性破坏是一种较为缓慢的进程，在这 种模式下，晶体内部的断层进程占主导地位。基本的滑动充当应变产生的主要机 理，断层的上爬导致应变速率维持稳定，同时，定向的和非定向的相互作用也是 导致应变速率维持稳定的因素。而内部破裂和动态洁净则对应起到了缓和的作 用。 2 3 2 冰的脆性破坏机理 1 局部压碎破坏。从图2 3 可以清楚的看到，冰排在桩柱前被压碎，同时伴 有碎冰沫从冰排与桩柱的作用区域内被挤出并在桩前形成堆积。j o r d a a n 乜乜指出 冰力大部分集中在所谓的“高压力区”，图2 3 给出了一种理想化的作用。在高 压力区中，应力是三向的，沿边界封闭处到中心位置从低到高分布。在这些区域 中有剪切发生，从而导致冰内部微观结构的改变。这种改变微观结构的材料与未 经破坏的完整冰相比在顺应性方面明显增高。当压力较低时，在靠近高压力区边 缘的地方有微观断裂并伴随碎冰的重新结晶发生；同时，在高压力区的中心位置 8 第二章冰的特性 出现高度重新结晶材料，可以认为这一过程是低强度压力导致的结果。当荷载达 到某一水平时，整个碎冰层变得非常松软，碎冰也被频繁挤出。高压力区一般处 在极度封闭区域，远离自由表面，同时，高压力区的位置随着断裂的发生也不停 的改变，有时会出现在难以估计的位置。断裂一般发生在冰内含有缺陷的地方和 压力集中的地方。断裂的出现和高压力区的形成是如影相随的。 眵 一一 l 图2 3 冰的挤压、剥落及高压力区的形成示意图 2 弯曲破坏。在锥形结构前，冰排通常发生弯曲破坏，这是一种典型的脆性 破坏。从模型试验可以发现，当锥面和冰排接触后，首先从接触点将冰面向上挑 起，冰排形成受弯板。随着冰排的继续推进，冰排被锥面提升至一定高度时，冰 排上出现一锥心为圆心的环形裂纹和径向裂纹，环向裂纹的半径大都在锥体水线 面半径的2 3 倍。冰排沿锥面上升到一定高度后最终因达到抗弯强度极限而折 断。折断时，冰排被分割为许多上窄下宽的楔形梁，散落在锥体的迎冰面上。随 着冰排继续向前推进，锥体再次与后续的冰排接触，重复上述过程，并把已有的 楔形断块沿锥面推向锥体顶端。被推到锥体顶端的碎冰块又翻落下来，最后落入 水中。 脆性破坏是冰工程中最常见的破坏特征，同时由于冰材料本身的复杂性，对 脆性破坏机理的研究具有很大的难度。从目前国际上针对脆性破坏的研究来看， 基于线弹性理论的断裂机理在冰脆性破坏中很可能发挥重要的作用。对于合理的 控制破坏进程机理的探索仍需要大量的工作。冰的延性破坏以塑性变形为主，对 于该进程的控制机理已有比较完善的认识和比较成熟的解决方法眩别。 9 第二章冰的特性 2 4 冰的本构方程 冰在自然环境下表现出来的本构关系与破坏准则非常复杂。在过去几十年里 面，各国学者提出了多种本构方程和破坏方程，如( s i n h a j , 1 9 7 9 ：p u l k k i n e n ，1 9 9 8 ； s a n t a o j i a ，1 9 9 0 ；j o n e s 【2 4 1 9 9 8 ；j o r d a a n 1 9 8 8 ；s u n d e r e ta 1 1 9 9 2 ； d e r r a d j i a o u a t 2 7 1 1 9 9 4 ；t a n g b o me ta 1 洲1 9 9 8 ) ，这些都是建立在单调加载的淡 水冰实验上的，周期性荷载下的蠕变和松弛效应较少被考虑。本文主要对s i n h a ( 1 9 9 9 ) 、a h m e da d e r r a d j i 和e r m a ne v g i n ( 2 0 0 1 ) 的工作进行了总结，他们对淡 水冰进行了大量的循环加载试验，给出了基于试验的淡水冰本构模型。他们的研 究可以分成低应变速率下的海冰的韧性性质研究和高应变速率下海冰的脆性性 质研究。 2 4 1 冰的韧性破坏本构方程 d e m 蛳们( 2 0 0 0 ) 发表的文章对周期性荷载下冰的本构关系进行了讨论。他的 讨论是建立在对s 2 淡水多晶体进行重复的蠕变试验的基础上的。这个模型考虑 了冰的非线性性质，包括粘弹性，粘塑性和材料的损伤本构模型。同时考虑了材 料的静水压力和微裂纹( 初始裂纹和裂纹积累) 对材料性质的影响。 d e r r a d j i ( 2 0 0 0 ) 的工作认为冰在低加载速率下是一种粘弹塑性材料，冰的变 形和失效都表现出韧性性质，材料的微损伤会对本构关系产生影响；在高应变速 率下，并可以认为是一种弹脆性材料，在快加载速率下海冰的粘性性质可以忽略 不计，发生脆性破坏以后，材料迅速失效；应变速率在两者之间时，两种性质同 时存在。 为了获得冰的本构关系并且对它进行验证，s i n h a 利用循环蠕变试验来建立 粘弹塑性变形方程，再利用循环加载试验来验证本构模型的正确性。冰的蠕变变 形比较复杂，这也是大多数学者研究的重点，s i n h a 认为多晶体冰存在延性变形 和裂纹引起的变形。淡水冰在受力作用的时候，有四种变形同时发生：瞬间弹性 应变，粘塑性应变，粘弹性应变和微裂纹引起的应变分量。通常把变形分为两类 分开讨论：无裂纹影响的模型和有裂纹影响的模型。 毛= ( 乞+ 占，+ 占 ) + 乞 ( 2 - 3 ) 在上式中，右端项第一部分为无裂纹影响的模型，第二项为有裂纹作用的模 型。下面对上式各项进行解释。 1 瞬间弹性应变分量 瞬间弹性应变分量的发生和卸载都发生在很短的时问内，表现出来单晶体冰 1 0 第二章冰的特性 的弹性性质。在s i n h a 的实验中获得了淡水冰瞬间弹性变形的弹性模量。 s y s 砖 q k 1 母 座一 履一 一一履 00 0 0 0 0 0 o 0 o00 oo 0 00 0 坛00 u 碍 坛00 ，u “ ，咖 巨= 9 3 9 + 1 3 0 x 1 0 q ( 乙一丁) g p a 疋= 9 6 1 + 1 1 0 x l o q ( 乏- t ) g p a g 0 = 3 3 7 + 4 7 0 x 1 0 。( 乙一丁) g p a g 乙= 3 1 7 + 4 1 0 x 1 0 _ ( 乙一丁) g p a = 0 3 1 3 + 3 8 x 1 0 七( 乙一t ) g p a 如= = 0 3 0 8 + 1 0 3 x 1 0 q ( 乙一丁) g p a 2 粘塑性应变分量 对于n 次加载来说，淡水冰的塑性变形为： 豸7 3p 喜a t kl 掣b二 七= 1q 量， ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 其中：g 为剪应力张量，s ，为偏应力张量，其它参数为材料常数。这个模 型里面假定粘塑性变形与晶界无关，且发生在微裂纹产生之前，没有静水压力的 影响。 3 粘弹性应变分量 s i n h a 认为粘弹性应变由g b s ( 晶界滑移) 引起，晶界滑移不会因其体积改 变，但是冰的弹性和塑性变形历史会影响g b s ( d e r r a d j i a o u a te ta 1 ，1 9 9 3 ) ，也就 是说粘弹性应变里面有冰的弹塑性变形历史成分。 粘弹性应变模型为： = 等扣伽弓柚l ，一e x p i 一悻删 亿 巩乃以锄砀砀 第二章冰的特性 其中： 五= 参( ；，一嚣) + 1 f 南( ；尹一嚣) 为塑性应变历史对粘弹性应变的影响参数。 ( 2 1 3 ) 4 微裂纹影响 裂纹损伤作用模型建立在速率理论的基础上( k r a u s z ，1 9 8 9 ) ，裂纹的生长建 立在内部原子间的断裂上，在加载的时候，原子之间的距离增大，当加载能量足 够大时，原子间断裂，裂纹向前扩展：当原子之间的距离变小到一定程度，原子 键重新生成，这时发生裂纹愈合。裂纹产生和愈合都需要一定的能量，对这些能 量进行分析，可以获得裂纹与冰的应变之间的关系。由冰的微裂纹引起的应变为： 例等蓦警峰p ( _ 鲁 c o s h f 掣廖 ( 2 1 4 ) 纠器嚣= 一扣d 2 州一剐c o s h i 掣l ( 2 1 5 ) 其中 g 9 6 。为激活能， 驭6 7 j ( s i n h a 1 9 7 8 ) 。7 7 = z 劢，痧= 。z = 在延性变形时，虽然没有定义材料的破坏准则，但是利用上述模型可以得到 冰发生蠕变的最大冰力，超过了这个值之后，冰的应变速率降低，除此按应变弱 化，即由于微裂纹的影响，冰发生失效。上述模型可以很好的预测淡水冰发生弱 化前的最大冰力。 2 4 2 冰的脆性破坏本构方程 虽然在延性变形的时候，上述模型可以很好的预测淡水冰的最大冰力，但是 在脆性阶段，由于粘性性质没有时间发生作用，需要一个破坏准则来预测材料的 失效。j o n e s ( 1 9 8 2 ) ，r i s t 和m u r r e l l ( 1 9 9 4 ) 进行了大量的淡水冰压缩试验，他们发 现，当以静水压力为横坐标，八面体剪应力为纵坐标时，冰的破坏曲线是一个椭 圆线，在三维问题中，是一个椭球面。d e r r a d j i ( 2 0 0 0 ) 给出了冰的脆性破坏准则： 1 2 第二章冰的特性 2 + 铡= ， 图2 - 4j o n e s ( 1 9 8 2 ) 椭圆破坏曲线 1 3 ( 2 - 1 6 ) 皇d羁贸一口_研堇占 第三章冰荷载模型实验及数值计算 第三章冰荷载模型实验及数值计算 3 1 冰荷载模型实验舟们 室内冰力模拟试验自上世纪5 0 年代应运而生，经过数十年而发展起来的应 用技术，尤其是静冰力模拟试验的相似理论与技术方法己发展到成熟的时期，将 其应用于研究冰与结构相互作用的机理并校核工程设计参数已经成为重大工程 设计的重要手段之一。 拟建于松花江上的某航电枢纽工程除具有汛期泄洪的能力，还需要具备秋末 冬初和春季排泄流冰的功能。因此，流冰作用在闸墩上的冰荷载是设计人员首先 要考虑的，其次要对设计对象的过冰能力进行探讨。2 0 0 4 年初，在天津大学冰 工程实验室进行了冰荷载与过冰能力的系列模型试验。 模型试验是在天津大学冰工程实验室进行的。实验室主要是由低温冰池室、 制冷系统、冰池水溶液过滤系统、包括主拖车和服务拖车的拖引系统、数据与图 象采集处理系统组成。低温冰池室中的冰池长2 0 m ，宽5 m ，深2 m ，有效实验拖 引长度1 7 m 。主拖车自重8 t ，由冰池壁项部的轨道承载，并由双齿条与拖车上的 齿轮啮合驱动拖车在0 5 0 0 m m s 的速度范围内行驶，拖车的最大水平驱动力为 3 5 k n 。模型相似律遵循：( 1 ) 在动力相似中满足重力相似的条件，模型的弗汝德 数f r 和原型相等。( 2 ) 表示惯性力和弹性力比值的柯西数c a 和原型相等。试验 中采用国际上广为使用的第二代模型冰一尿素为添加剂的低温冷冻冰。 模型试验中模型冰的物理力学性质指标是以现场模型原型冰为依据的，本次 模型试验采用1 ：1 0 的模型比尺，模型冰厚分别为0 0 5 m 和0 0 3 6 m ，冰速分别 为0 4 0 4 m s 和0 1 7 1 m s ，单轴强度分别为0 1 0 5 5 m p a 和0 1 2 7 m p a 。根据最终目 标和研究的需要，模型试验分为三大类：单闸墩、双闸墩冰力和过冰能力的实验。 模型试验最终得到了冰排的破坏现象及冰荷载值的大小。冰排的破坏以挤压 破坏为主并伴有不同程度的压屈和弯曲破坏。获得单闸墩各工况冰荷载值的同 时，得到双闸墩间距对于冰力产生影响这一现象。 1 4 第三章冰荷载模型实验及数值计算 3 2 冰荷载的计算 3 2 1 挤压破坏冰力计算模型比较 综合分析目前国际国内有关这方面的主要冰力计算模型，在公式构成的形式 上可以分为两大类。 第一类公式形式 f = c t d h a 。 式中： d 一桩径 h 一冰厚 以一冰单轴抗压强度 口一影响冰力的各项因素的修正系数。 这一类的冰力计算模型主要有 ( 1 ) k o 嫩p a b t m 公式 了一吒 式中：f 一冰力 i 一局部挤压系数，当冰排宽度大于桩径1 5 倍时，取2 5 v 一冰速 一参照冰速，取1 0 m 一桩柱形状系数。对圆柱取o 8 6 ，方柱取1 0 k 一接触条件系数，取0 4 - - 一0 7 ，高冰速时取小值 当不考虑冰速对冰强度的影响，只计算冰强度峰值时，上式变为 f = i m k d h e r ( 2 ) a f a n a s e v 公式 f = i m d h c r 式中 ，= 序告 鲁辅 1 = 2 5 ( 二d ：1 ) ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 第三章冰荷载模型实验及数值计算 ，：4 1 7 1 6 7 d h i = 4 0 ( o 1 鲁 1 0 - 2 s ，最大压缩应力的计算方法为： p = c m k c r c( 3 - 2 9 ) 式中：一脆性条件下冰的单轴挤压强度 m 一形状系数 k 一不完全接触系数，这里定为0 3 c 一脆性破坏带的压痕系数，s 2 冰平压头下为1 5 7 多晶体淡水冰的脆性挤压破坏强度可由下式获得 = 9 4 x1 0 4 ( d 抛一30 10 7 8 )( 3 3 0 ) 3 3 2 冰排与桩柱碰撞数值模拟 陈维斌提出了一种可供计算冰与海上结构物动态荷载的理论模型。文章根据 冰与孤立桩相互作用特点，建立了一个较为问接的冰破碎过程模型，通过此模型 结合冰体受力力学模式计算冰与桩柱作用力的动态变化。本文a n s y s l s d y n a 有限元方法进行冰排闸墩碰撞的模拟原理与方法与陈维斌的理论模型基本相似， 所以本文重点介绍了陈维斌理论的研究方法。 这里对桩柱与海冰相互作用力的计算过程、内容和条件进行必要的简化和假 设。计算中设定冰为平整半无限连续冰原冰，设定冰与结构物相互作用为二维问 题，并假设海冰区中流冰的运动速度达到并超过了使冰的破坏形式为脆性破坏时 所需要的最低速度2 2 9 x1 0 一m s 。设计算坐标系固定在桩柱上，原点在桩柱中心， x 轴垂直与冰运动方向，y x _ l b 标轴平行于冰运动方向。设定在一个短暂的时间内， 冰与桩柱之间的相对运动速度与运动方向在整个计算中保持不变。设定冰为均匀 等厚度体，并认为冰在计算时间内保持匀速直线运动状态。 高速率运动的冰体与孤立桩柱相互作用过程可以概括为下列三个阶段：第一 阶段，并在水中接触到桩柱至冰出现脆性破碎；第二阶段，孤立桩楔入冰中，从 冰开始出现破碎点至桩柱与冰杰出的迎冰面面积达到最宽时这一阶段；第三阶段 桩柱与冰接触迎冰面达到最大后至桩柱体全部在冰中的过程。文章根据冰与桩柱 相互作用三个阶段的特征建立反映各自特点的破碎过程模型。 第一阶段，冰刚接触到桩柱至冰体出现脆性破碎的情况，这个过程是一个瞬 时过程，时间段暂且冰体受力为点受力。冰在水中未与桩柱接触时，桩柱受力为 第三章冰荷载模型实验及数值计算 0 。当桩柱端点s 与冰接触直至冰体出现破碎时，冰与桩柱相互作用力由零达到 该点冰可承受的最大脆性破坏力。然后冰出现破碎，同时相互作用力降至接近零， 此时桩柱受力曲线类似于锯齿状。这时冰破碎为无规则破坏。给定一个破碎模型， 如图3 - 3 所示，其特点为在桩柱端点s 前冰板内1 8 0 度范围内产生一个锯齿状破 碎冰边缘。图3 3 中虚线部分，齿尖角点共五个，a 点在纵坐标上，b 、c 在冰 边缘上，d 、e 两点落在与纵坐标夹角为4 5 度的直线上。 图3 - 2 第一阶段桩柱受力时间历程曲线 图3 3 桩与冰边缘接触的冰破碎模型图 第二阶段，桩柱楔入冰体，此是冰力为一上升过程。但是单个峰值倾向减小， 这是因为锯齿尖角点增多后，某一时刻单个锯齿点作用力在桩柱总受力值中所占 分量下降的事实。当桩柱重新接触到冰体时，给定一个破碎模型，如图3 5 所示。 此时，与桩柱外壳接触的冰体破碎边缘仍为锯齿状，齿尖角点数量随桩柱楔入冰 中深度增大而增加，但是桩柱端点s 点外冰破碎时，形成的新齿尖角点数为三个， 如图3 5 a 。从图3 5 b 中可以看到，冰体一个破碎点产生两个新齿尖角点，并有 两个落在冰体边缘。从图3 5 c 中可以看到，i 点与桩柱接触破碎后产生新齿尖角 点，新齿尖角点在桩柱外壳垂线上。新的齿尖角点与原齿尖角点的距离与冰体厚 度有关。 p 图3 4 桩柱楔入冰中受力时问历程图图3 5a 2 1 第三章冰荷载模型实验及数值计算 图3 - 5b 图3 5c 图3 5 桩柱楔入冰中的冰破碎模型 第三阶段，桩柱迎冰面积达到最大后，冰力将在一定的范围内波动，受力变 化曲线趋势趋于平稳，此时桩柱边缘不再产生新的锯齿尖角。 图3 - 6 桩柱全部进入冰中图3 7 桩柱侧点无破碎模型 受力时间历程图 冰体受力破坏模型为高速率下冰板完全脆性破坏模型。冰的破碎过程是一 个短暂、力学形态单一的过程，它表现为应变能的不断积累，当它达到一定程度 时伴随着大量微细裂纹的突然产生而迅速释放，同时冰力迅速跌落，其人以锯齿 尖角点i 点应力随时间的变化为 堕= 兰： 鱼! d ta t i 点上某一时刻所受作用应力为 ( 3 - 3 1 ) 第三章冰荷载模型实验及数值计算 互，= f 1 ，+ 谚f ( 3 3 2 ) 在脆性破坏情况下i 点最大压缩应力的计算方法表示为 p = c , o m k o - c h 吐( 3 - 3 3 ) 其中h 为冰厚；d 为i 点冰与桩柱接触宽度；矿为脆性条件下冰单轴挤压 破坏强度；m 为形状系数；k 为不完全接触系数：c 为脆性破坏带的压痕系数。 y 方向摩擦力为 最( f 缈) = 版( “ ( 3 3 4 ) n