（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）锥角对冰激柔性锥体振动影响的试验研究.pdf

中文摘要 目前，破冰锥体已经在众多抗冰结构中得以应用，其目的是为了降低冰力， 但是人们对它的实际效果还没有明确定论，尤其是安装锥体后的冰激结构振动。 已有的现场资料表明：冰与锥体结构作用时存在比较明显的破碎周期，并且在特 定的冰厚与冰速组合下，冰力作用周期可以与结构的固有周期相吻合，导致结构 振动加剧，从而会严重影响到结构自身的安全和相关的生产作业。 2 0 0 4 至2 0 0 5 年期间，天津大学冰工程实验室对作用在柔性锥体上的动冰力 和冰激振动进行了一系列的试验研究，而本文的主要工作是在模型试验的基础上 分析锥角对冰激锥体振动的影响。 本文首先通过对冰材料的物理力学性质和现有冰激振动理论的概括与总结， 得出冰激锥体振动应属于一种强迫振动，而影响冰激锥体振动的关键参数为冰排 断裂长度、冰速和冰力幅值： 然后对冰激柔性锥体振动模型试验的过程和结果进行了详细的介绍，由于冰 排前缘在沿锥面上爬的过程中发生二次断裂，使得试验中得出的冰力时程具有这 样一种重要特征，即一大一小两个冰力加载一卸载进程的交替出现，而且第二个 冰力加载进程在前一进程的冰力还没有完全卸载时就已经开始； 根据上述特征，本文建立了一个与工程实际更接近的新的概化动冰力函数， 并在此基础上分析了锥角对冰激锥体振动的影响，分别得出了锥角对冰力作用周 期和幅值的影响水平，为破冰锥体在抗冰结构中的应用提供了一定的设计依据。 关键词：冰激振动动冰力函数动冰力模型试验柔性锥体结构锥角二次断 裂 a b s t r a c t a tt h e p r e s e n tt i m e ，i c e - b r e a k i n gc o n e sh a v eb e e nu s e di nm o r ea n dm o r e i c e r e s i s t i n gs t r u c t u r e st or e d u c et h ei c ef o r c e ，b u tt h ea c t u a le f f e c to f i th a s n tb e e n c o n f i r m e d ，w h i c he s p e c i a l l yi n c l u d e st h ei c e i n d u c e dv i b r a t i o n 。s o m ee x i s t i n gs p o t d a t ai n d i c a t e st h a t ：t h eb r e a k i n gp r o c e s so fi c es h e e tb e f o r ec o n i c a ls t r u c t u r e so c c u r s p e r i o d i c a l l y , a n dw h e n t h ep e r i o do fi c ef o r c ea p p r o a c ht h en a t u r a lp e r i o do fs t r u c t u r e ， t h ev i b r a t i o no fs t r u c t u r ew i l lb eg r e a t l ye n h a n c e d ，w h i c hc a nb r i n gas e r i o u s i n f l u e n c eo nt h es e c u r i t yo fs t r u c t u r ea n dt h er e l a t e dp r o c e s so f p r o d u c i n g f r o m2 0 0 4t o2 0 0 5 ，as e r i e so fe x p e r i m e n t a ls t u d yo fi c e - i n d u c e dv i b r a t i o no n c o m p l i a n tc o n ew a sc a r r i e do u ti nt h ei c ee n g i n e e r i n gl a b o r a t o r yo f t i a n j i nu n i v e r s i t y t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st oa n a l y s et h ee f f e c to fc o n ea n g l eo nt h ei c e i n d u c e d v i b r a t i o no nc o m p l i a n tc o n e d u r i n gt h er e s e a r c h i n gw o r k , t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r so fi c ew e r e s u m m a r i z e da n dt h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h et h e o r i e so f i c e i n d u c e dv i b r a t i o n ，w eh a v e g o tac o n c l u s i o nt h a ti c e - i n d u c e dv i b r a t i o no nc o m p l i a n tc o n ei s ak i n do ff o r c e d v i b r a t i o n , a n dt h ek e yp a r a m e t e r so f v i b r a t i o na r et h eb r e a k i n g1 e n g i l lo f i c es h e e t ，t h e v e l o c i t yo f i c ea n dt h ea m p l i t u d eo f i c ef o r c e ； a n dt h e n , t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e dp r e s e n t a t i o no ft h em o d e le x p e r i m e n to f i c e - i n d u c e dv i b r a t i o no nc o m p l i a n tc o n e b e c a u s eo ft h et w o t i m ef r a c t u r eo ft h ei c e s h e e t ，t h ed y n a m i ci c ef o r c eh a sa l lo b v i o u sc h a r a c t e r i s t i ct h a tah i g ha n dal o w l o a d i n g - o f f i o a d i n gc o u r s ea p p e a rb yt u r n s ，a n dt h el o wl o a d i n gc o u r s es t a r t sb e f o r e t h ef o r m e rc o u r s eo f f i o a d sc o m p l e t e l y b a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e dc h a r a c t e r i s t i c ，an e wd y n a m i ci c ef o r c ef u n c t i o n w h i c hc a r lf i te n g i n e e r i n gf a c tm o l ec o m p a t i b l yw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h e nt h ee f f e c to f c o n ea n g l eo nt h ei c e - i n d u c e dv i b r a t i o no nc o m p l i a n tc o n ew a sa n a l y s e d f i n a l l yw e h a v ee d u c e dt h ee f f e c t i n gl e v e lo f c o n ea n g l eo nt h ep e r i o da n da m p l i t u d eo f i c ef o r c e ， w h i c hc a ng u i d a n c et h ed e s i g no fi c e b r e a k i n gc o n ei na c t u a li c e r e s i s t i n gs l l a l c t u r a s k e yw o r d s ：i c e i n d u c e dv i b r a t i o n ，d y n a m i ci c ef o r c ef u n c t i o n ，m o d e l e x p e r i m e n to f d y n a m i c i c ef o r c e ，c o m p l i a n tc o n i c a ls t r u c t u r e ， c o n ea n g l e ，t w o t i m ef r a c t u r e 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，也不包含为获得盘生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：慕缸签字日期：2 0 以年1 月1 、日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤垄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：袁、礼 签字日期：】o 以年1 月il 日 撕躲螺瑶 签字日期：蕊年1 月v 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 冰激振动问题的工程背景 寒冷海域大面积分布的具有一定厚度的冰排在海流或风的驱动下不断与海 工结构相作用时，会使结构产生一种特殊的振动现象，即冰激振动【l 】。 冰区海工结构自出现以来，即面临冰激振动的威胁，并且屡屡出事 2 1 。1 9 6 2 1 9 6 3 年美国在阿拉斯加库克湾建造的两座采油平台，于1 9 6 4 年冬在剧烈的冰激 振动下倒塌；1 9 6 0 年日本在雅内港外声向崎海上设置的声向崎灯标，于1 9 6 5 年 3 月因受到流冰袭击而倒塌；1 9 6 8 年渤海公司在渤海西部建造的老二号钻井平 台，于1 9 6 9 年3 月8 日在大片浮冰( 平整冰平均厚度5 0 7 0 c m ，最厚1 m ；堆积 冰最高4 m ) 的不断撞击下倒塌；1 9 7 3 年芬兰在波兹尼亚湾建造的k e m i i 钢制 灯塔，于当年冬在风驱动的漂移冰排作用下产生剧烈振动，最后倾倒；1 9 7 5 年 渤海公司在海四油田建成投产的渤海四号采油平台的生活平台，于1 9 7 7 年春在 漂移冰排的连续挤压作用下产生剧烈振动，烽火台被冰推倒；1 9 8 4 年加拿大海 湾公司建造的m o l i k p a q 人工岛，于1 9 8 6 年4 月1 2 日在a m a u l i g a k 地区进行钻 井作业时，在冰排的连续挤压作用下产生剧烈振动，造成整个岛心液化下沉近 1m 1 9 9 9 2 0 0 0 年，渤海j z 2 0 - 2 中南平台，由于冰激振动导致了平台管线断裂， 致使高压天然气大量喷出。 此外，冰激振动还会严重影响海洋平台冬季的生产作业和人员的安全舒适 感。1 9 8 6 年加拿大的大型沉箱式采油平台遭遇严重的冰激振动后，人们又认识 到，不仅柔性结构要考虑冰激振动，大型重力式结构也面临同样的问题。因此， 目前冰激振动问题已经引起工程界和科学界的广泛关注。 1 2 锥体在抗冰结构中的应用 众多抗冰结构( 如导管架式海洋平台、桥墩、灯塔与航标等) 通常采用圆柱 形桩腿。冰排在这种圆柱形直立结构前通常以挤压或压屈的形式破坏，而在斜面 或锥体结构前则以弯曲形式破坏。由于冰的弯曲强度远小于挤压强度，而且锥体 的水平冰力只是锥体冰力的水平分量，所以作用在锥体上的水平冰力应小于作用 在直立结构上的冰力。基于上述原理，二十世纪七十年代，有学者提出通过在圆 天津大学硕士学位论文第一章绪论 柱结构作用部位安装锥体来降低冰力【3 】【4 】 s l 。 近年来，破冰锥体已经在海洋平台同、灯塔 7 1 及跨海大桥的桥墩 s l 上不断得以 应用，但是人们对安装锥体的实际效果还没有明确定论，特别是安装锥体后的动 冰力和冰激结构振动。我国渤海辽东湾的j z 2 0 一2 导管架平台在二十世纪九十年 代初安装了如图卜1 所示的固定式正倒锥体，主要目的是降低冰力。但是安装 了锥体后，在冰荷载作用下平台依然存在明显的振动，在对其中两座平台的测量 中发现：冰与锥体结构作用时存在比较明显的破碎周期，并且在特定的冰厚与冰 速组合下，冰力作用周期可以与结构的固有周期相吻合，导致结构振动加剧，即 发生“共振” 9 1 。因此，进行有关冰激锥体结构振动的研究是非常必要的。 图卜1 安装正倒锥组合体的j z 2 0 - 2 导管架平台 1 3 冰激锥体结构振动的研究现状 由于冰排在锥体结构的破坏属于典型的弯曲破坏，这种破坏形式导致冰力自 身具有较为稳定的周期性，所以在振动机理方面，目前冰力学界有一个比较一致 的观点，即认为冰激锥体结构振动应属于强迫振动的范畴。而如何建立符合工程 应用实际的确定性的动冰力函数，则成为目前冰激锥体结构振动研究亟需解决的 问题。 从现今对冰激锥体结构振动的理解来看，影响动冰力函数的关键因素有三 个，即冰排断裂长度、冰速和冰力幅值【埘。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 、冰排断裂长度、冰速 冰排断裂长度与冰速的比值决定了冰力作用的周期。目前，关于冰排断裂长 度的研究主要有三种模式： ( 1 ) 半无限梁模式 ( 2 ) 板梁破坏模式 ( 3 ) 楔形梁破坏模式 现有的研究结果表明，通过不同的模式所得出的冰排断裂长度之间存在很大 的差异，但同时又有一个比较一致的观点，即断裂长度与冰厚成正比，并且这一 比值总处于一定的范围之内。 2 、冰力幅值 冰力的计算方法是基于对冰结构相互作用力学机制的认识上的，不同的力学 机制将对应不同的力学模型，最终导出不同的计算方法。耳前已有的理论分析方 法有塑性极限分析法、参照应力法、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，目前工程中实用的 仍然是建立在实验、观测基础上的半经验半理论的公式。其中，在国际上有着广 泛影响的静冰力预测模型有：e d w a r d s - c r o a s d a l e 模型、e r o a s d a l e 模型、 r a l s t o n 模型、k a t o 模型和h i r a y a m a - o b a r a 模型等。 长期以来，有关锥体冰力的研究大多集中在静冰力方面，动冰力和冰激结构 振动的研究相对较少。现有的有关锥体动冰力的研究主要通过以下三种途径： 1 ，原型观测 欧进萍等【1 1 j 采用实测冰压力时程，对渤海辽东湾北部的j z 2 0 - 2 删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，探讨了正倒锥体对减轻冰力和结构反应的作用。岳前 进等【1 习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。 2 、理论分析 李峰等【”1 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。刘玉标等1 1 4 】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。该模型引入冰排破坏长度的特征参 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排弯曲和屈曲的不同 破坏方式，易于向多自由度系统推广。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 3 、模型试验 n i x o n 等【1 5 】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。k a r n a 等1 1 6 】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 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 室内动冰力模型试验 模型试验是冰力学中一种极为重要的研究方法，在低温冰池中进行冰力模型 试验已经有四十多年的历史，但已进行的大部分试验均针对静冰力，动冰力模型 试验开展得还比较少。这里所谓的静冰力是指冰体与刚性结构作用发生破坏时产 生的载荷，研究的重点在于确定冰力极值，即冰体对结构作用的极限情况；而动 冰力则是冰体与柔性结构作用时产生的载荷，研究的重点在于确定波动冰力的幅 值与周期，同时由于冰力是由冰体发生破坏导致的，所以柔性结构振动中对冰体 反馈作用水平的判定也是模型试验研究的重点。目前，进行动冰力模型试验主要 有以下几个难点： 1 、模型结构的设计 动力试验中，模型自身要具有充足的顺应性，即具有高度的可调柔性，同时 在对原型结构的模拟上不能失真，所以模型结构的设计成为首先要突破的难点。 2 、试验相似体系的建立 在动冰力模型试验中单一的重力相似已无法满足需要，因此，建立有效的相 似体系成为动冰力模型试验所面j 艋的又一个重要闯题。 3 、试验条件的设计 冰激振动是一个包含多种影响因素的问题，这就使得即便是针对一个具体的 问题，也要考虑对多种作用进程的模拟，试验设计的合理性自然也成为动冰力模 型试验中需要把握的问题之一。 解决冰激振动问题的迫切需要促使动冰力模型试验在近十年得到了快速的 发展，国际上一些学者相继在冰激振动问题的试验研究上进行了有效的尝试，如 t i m c o 、k o hi z u m j y a l l l a 和s h o t a r ou t o 、w a n i x o n 、s o d h i 等。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本文的主要工作 本文主要进行了如下工作： ( 1 ) 检索并阅读了大量关于锥体冰力和冰激振动的研究资料； ( 2 ) 分析了海冰的物理力学性质i ( 3 ) 详细阐述了冰激锥体结构振动的机理和关键参数； ( 4 ) 参加了冰激锥体结构振动的模型试验，并对本次冰激锥体结构振动试 验的实验室、模型冰、模型结构、试验过程和试验工况进行了全面的 介绍； ( 5 ) 对不同锥角情况下的试验数据进行了科学的整理和比较，同时结合有 效的理论分析过程，提出了一个与工程实际更接近的新的概化动冰力 函数，着重分析了锥角对冰力函数中各个参数的影响。 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 海冰的组成和结构 海冰一般由固态的冰( 纯冰) 、各种固态盐和大于原生海水浓度而被圈闭在 海冰中的盐水泡组成。海水结冰时只是其中的水分子变成冰分子，而原来所溶解 的盐分不断地排析到冰晶之间的海水中。但是，海冰在从冰晶发展到具有一定厚 度的冰层的过程中，总有一部分浓盐水来不及流出而被包围在冰晶之间，形成盐 水泡。盐水泡的存在是造成在相同冰温下海冰强度低于淡水冰强度的主要原因。 随着冰温的降低，盐水泡中的溶解盐更多地析出，使海冰的强度增大。可见，温 度是海冰的重要控制因子之一【l ”。 冰是一种晶体材料。自然界的冰都近于对称的六方晶系，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、粒状或者柱状，尺度可由1 毫米左右 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 与基面平行的方向发生相对位移时，需要破坏的分子结合点数明显少于沿其它方 向发生位移时的情况。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。 在我国渤海和黄海北部，扰动海面上最初生成的冰是颗粒状晶体结构，即粒 状冰；在相对平静的条件下，生成的冰是柱状晶体结构，即柱状冰。渤海和黄海 北部的平整冰可看作是柱状冰，其上表层一般由细小的粒状冰晶组成，厚度取决 于结冰时的海况条件，可从几毫米至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。再往下即为冰排的基本结构层，常称为柱状冰 层。该层冰的晶体明显的沿生长方向即垂直方向变长，冰晶格的c 轴随机地位于 与水面平行的平面内，a 轴与冰表面垂直，柱径尺寸随冰厚增加，从几毫米到十 几毫米。海冰类型以灰白冰、灰冰、白冰、初生冰、尼罗冰( 详细定义见渤海 海冰设计作业条件规定) 为主【堋 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， 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 而溶解的盐分则不断的被排析到海水里。海冰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个 重要特性，它的大小主要取决于三个因梨1 9 1 ： ( 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。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 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 越大；海冰所含气泡越多，密度越小。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越 低。 天津大学硕士学位论文 第二章海冰的物理力学性质 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l 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 2 3 1 海冰的变形性质 海冰的变形特性随外界条件而变化。当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错还来不及发生) ，而应力水平又较低时，海冰变 形主要是由于在载荷作用下分子内部之间距离的改变，弹性变形将是主要的；如 加载历时较长、加载速率较低，则非弹性变形将占主要地位：应力水平较低时表 现为蠕变，而应力水平较高时则表现为塑性变形。冰的蠕变和塑性变形主要来自 晶体沿基面产生的位错与滑移。 当加载迅速时，海冰的蠕变变形与弹性变形相比可忽略不计。如应力足够高， 海冰这时将呈现“弹一脆”性破坏方式。在冰引起的结构振动过程中，冰排不断 发生局部压碎，情况更接近于这种“弹一脆”性破坏。 冰的完全弹性性质只有在加载速率极高( 理论上要达到弹性波在冰中的传播 速度) 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。这时冰应力应变曲线( o r f ) 的初始正切值，即确定冰的弹性模量 的近似值，称为冰的静力弹性模量或名义弹性模量。渤海海冰的名义弹性模量为： 垂直于冰面方向加载时日= ( 2 3 5 4 7 1 6 1 ) m p a ，平行于冰面方向加载时历= 天津大学硕士学位论文 第二章海冰的物理力学性质 ( 1 5 69 2 1 58 ) 妒a 。确定渤海海冰名义弹性模量时，试验采用的冰温为一1 0 0 c ， 盐度3 2 8 4 3 3 ，应力速率1 3 2 4 4 9 8 3 k p a s ( 据海洋局大连海洋环境保护 研究所，1 9 8 7 ) 。 海冰随温度变形的规律比较复杂。由于盐水泡的缘故，一些情况下它遵从热 胀冷缩的规律，另一些情况下，它又遵从冷胀热缩的规律。海水结冰后，随着温 度的降低，海冰中盐水泡内的浓盐水会不断结冰析出盐分，这时海冰遵从冷胀热 缩的规律。但是，当温度降低到盐水泡中浓盐水的浓度不能再增大时，也就是说 盐水泡中不能再有水冻结成冰时，海冰的体积便开始随着温度的降低而逐渐缩 小。此时，海冰表现出与淡水冰相同的性贾热胀冷缩。海冰体积由膨胀转变 为缩小时的温度值取决于海冰的盐度，海冰的盐度越高，这一温度越低。 2 3 2 海冰的强度性质 1 、海冰的抗压强度 影响海冰抗压强度的重要因素有加载速率、海冰的温度和盐度、海冰的晶格 结构( 柱状、粒状) ，加载方向( 沿冰面方向、垂直冰面方向) 也是影响海冰抗 压强度的重要条件。同时，侧限条件也影响着海冰的抗压强度。 ( 1 ) 抗压强度对应变速率变化十分敏感，低应变速率时，表现为韧性破坏， 且强度随应变率增加而增大；高应变速率时，表现为脆性破坏，且强度随应变率 增加先减小，然后基本保持不变。冰的单轴抗压强度盯，随应变速率毒的变化关系 如图2 - 1 所示。 j 黎 琶 善 掣 煮 釜 琏性区一“娃捷 娆器坯 二、 一 厂 _皤 弋 - _ 一 一一 l i 图2 1 冰的单轴抗压强度盯。和应变速率亡的关系图 ( 2 ) 抗压强度对温度变化敏感，随温度升高而降低。温度变化不仅影响强 度的大小，还影响过渡区的范围，随温度升高，韧脆转变区对应的应变速率降低。 ( 3 ) 随着盐度升高抗压强度降低，但盐度不影响过渡区范围。 登查兰堡主兰垡笙兰 苎三兰童堡塑塑翌垄兰! 竺垦 ( 4 ) 在不同的加载速率阶段，海冰的强度应有不同含义：在脆性阶段为断 裂强度，破坏在应力达到此强度时立即发生，并有明确的破裂面或裂纹存在；在 延性阶段为屈服强度，破坏时海冰始终保持其连续性，无骤然出现的裂纹和破坏， 此时的强度实际上指的是海冰发生塑性流动时所能达到的最高应力水平 ( 5 ) 在韧、脆性破坏之间存在韧脆转变过渡区。试验表明，过渡区的应变 速度对应的压缩强度恰好为海冰最大抗压强度，见图2 1 ； 2 、海冰的弯曲强度 ( 1 ) 海冰的弯曲强度同样受加载速率的影响，图2 2 给出了冰的弯曲强度 盯，随应力率疗的变化关系。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，冰体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，将马上破坏，几乎观察 不到裂纹扩展过程。 *= 。； ”麓 ：。 。 。 二多套j 二 。 。 妒 l 。 罐 一：。，一，赫。藏；粤盘尊o 勰。硝，h t ，。，。i 1 图2 2 冰的弯曲强度吖和应力率方的关系图 ( 2 ) 弯曲强度随温度降低而增大； ( 3 ) 弯曲强度随盐水体积增加而减小； 3 、海冰的拉伸强度 ( 1 ) 拉伸破坏基本是脆性破坏，只有当应变速率低于1 0 - 6 咖时，才是韧性 破坏； ( 2 ) 关于加载速率对海冰拉伸强度的影响，目前学术界还没有一个统一的 观点。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。至 于这个应力范围的具体数值，各个学者所得到的结果相差较远。 ( 3 ) 抗拉强度随温度变化微小；但是，盐度对强度有较大影响，拉伸强度 随盐度的增加而降低； 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 4 、海冰的剪切强度 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 剪切强度随着温度的降低而增大 ( 3 ) 剪切强度随着盐度的增大而降低 2 3 3 海冰的破坏形式及机理 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、最受人们关注 的是第一种，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： ( 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。 胪炉e 辛 ( a ) 挤压破坏( b ) 压屈破坏( c ) 纵向剪切破坏( d ) 弯曲破坏 图2 3 冰排的几种破坏类型 天津大学硕士学位论文第二章海冰的物理力学性质 ( 2 ) 压屈破坏，如图2 3 ( b ) 所示，大面积冰排与结构接触，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。 我国渤海及黄海北部海区海冰漂移速度的大致范围为0 2 o 6 皿s ，最大 可达1 9 m s 。海冰作用于结构时，可能会出现挤压、弯曲、压曲等不同形式的 破坏。挤压破坏出现在冰作用于垂直结构和接近于垂直的结构时；弯曲出现于斜 面结构前；压屈破坏常出现于冰速较低或者径厚比较大的结构前。 目前较为统一的观点是，用裂纹扩展机理来解释破坏过程刚。海冰在生长过 程中由于各种原因本身就含有大量的底面微裂纹，在受力时，由于晶体的错位也 能形成内部的一些微裂纹。对这些裂纹的研究表明，当应力较小时，裂纹基本上 不扩展而是均匀分布在冰体内部。随着载荷增加，裂纹扩展速度也逐渐增加。在 塑性区，加载率较慢，有充分的时间让晶体沿边界错位滑动，并沿边界产生足够 多的微裂纹：随着荷载增加，这些微裂纹开始扩展、汇集直到破坏，表现为较大 的变形，又由于晶体边界的方向不规则，裂纹也多与受力方向交叉。在脆性区， 加载速率较快，没有充分的时间让晶体滑移和产生塑性变形；随着荷载的增加， 在较易扩展的裂纹尖端迅速产生集中拉应力，使裂纹迅速贯通甚至进入晶体内 部，所以表现为变形小的脆性破坏，裂纹较集中且平行于受力方向。在挤压作用 下冰体内产生拉应力，导致裂纹的出现。冰体破坏取决于裂纹成核或者裂纹扩展， 这主要与晶粒尺寸有关。冰体存在裂纹成核所需应力与裂纹扩展所需应力相等的 临界晶粒尺寸。当晶粒尺寸大于这一临界尺寸时，生成裂纹所需应力大于扩展该 裂纹所需的应力，因此，裂纹一旦形成就立即失稳扩展，裂纹成核应力成为控制 因素；反之，在裂纹形成后，随着应力增加只是裂纹数量增加，直到应力达到一 定应力水平才失稳扩展。可见，晶粒尺寸成为影响海冰破坏的主要因素。其次， 海冰内盐水泡体积也是影响海冰破坏的一个重要因素，由于盐水泡的存在，降低 了海冰的强度，容易在盐水泡附近形成应力集中，导致裂纹。 天津大学硕士学位论文第三章冰激锥体振动 3 1 冰激振动理论 第三章冰激锥体振动 在冰力学发展的初期，由于冰材料本身所具有的许多不确定性，冰荷载通常 被认为是一种随机波。这样，冰荷载所激励的结构振动自然也被当作一种随机振 动。然而，随着冬季冰封海域油气开发的迅速发展，越来越多的近海工程结构上 均观测到了长周期的稳态振动。那么，冰荷载究竟是不是一种随机波? 如果是， 结构的稳态振动又是如何激励出来的呢? 如果不是，冰荷载的频谱特性又是怎样 的呢? 围绕着这些相关问题，学术界展开了广泛而深入的研究与讨论，并在冰激 振动这一关键问题上形成了两大阵营： ( 1 ) 认为在特定情况下，冰荷载具有其特定的周期性，当冰荷载频率与结 构特征频率接近时，会激发结构的稳态振动； ( 2 ) 认为冰荷载是一种不具备周期性的随机波，结构对冰的反馈导致周期 作用的形成，也就是说，结构的稳态振动是一种冰与结构相互作用所共同决定的 稳定状态。 3 1 1 强迫振动理论 强迫振动是工程技术中最常遇到的一种问题。由于外干扰具有其特定的周期 性，对一个线性系统可以求得定常解，所以当面对一个振动问题时，首先想到的 就是利用强迫振动理论来解决。强迫振动理论认为冰力具有其内在的周期性和频 谱特性，尽管结构的反作用也提供了海冰破碎的条件，但冰力的波动最终只取决 于冰本身的特性和环境因素。也就是说，在振动系统方程中，冰力仅作为时间的 函数出现，而与结构的位移和速度无关旧。 有相当一部分学者均认为冰激振动是基于强迫振动理论的，那么，他们就面 临这样一个问题，即寻求冰力具有周期性的有力证据。 p e y t o n ( 1 9 6 8 ) 首先在库克湾的现场测试中得到了这样的结论，即不论平台 的结构形式如何，海冰的破碎频率均在1 h z 左右。n e l l ( 1 9 7 6 ) 在桩柱结构上的 冰力研究中提出，冰力具有自身的周期特性，其周期r 可描述为： t = 5 ，v ( 3 1 ) 其中世为冰排前缘一次破碎长度，简称破碎长度；v 为冰排前进速度，简称冰速。 天津大学硕士学位论文第三章冰激锥体振动 e n g e l b r e k t s o n 在一座灯塔上的现场测试中得到了这样的结论口l 】，冰力过程 可视为一个“锯齿状”的周期函数( 如图3 一l 所示) ，该周期函数具有同结构位 移相同的相位。值得关注的是，破碎长度在这里首次被赋予了一种定量的描述： h=曲(3-2) 其中h 为冰厚，c 为由试验数据统计得出的系数，建议采用c = 0 1 0 3 。 f ( ) 图3 - 1 基于强迫振动理论的“锯齿状”冰力函数模型 m i c h e l ( 1 9 7 8 ) 、s o d h i ( 1 9 8 8 ) 、s o d h i 和m o r r i s ( 1 9 8 4 ) 、s o d h i 和n a k a z a w a ( 1 9 8 8 ) 也在现场或室内试验测试中得到了类似的结论，即冰的特征破碎频率与 冰速成正比，与冰厚成反比，而当这一特征破碎频率与结构的固有频率接近时， 就会引发共振。然而，类似于e n g e l b r e k t s o n 提出的冰力模型却没有得到广泛认 同，这是由于大量的随机特征会导致冰力情况具有较大的随机性，上面提到的特 征破碎频率只能作为荷载的基频，而大量的其它频率成分可能导致复杂的响应形 式，这样的简单模型是无法应用到实际问题的分析解决当中去的。 在试验与现场测试中，许多研究者注意到冰挤压破碎主频的存在。m a a t t a n e n ( 1 9 7 5 ) 将此频率与结构第一、二模态下的响应联系起来，提出一个包括结构刚 度、冰速、冰压力的表达式。j u r ik a j a s t e r u d n i t s k i 于1 9 9 5 年提出了一个与 之类似但更具有普遍意义的方程。 m u h o n e n 于1 9 9 2 年进行的冰与结构相互作用的v t t 冰池试验为进一步的统 计分析提供了大量的数据，数据以时程记录形式出现。冰力时程通过快速傅立叶 变换转换成能量密度谱。以质量一弹簧一阻尼系统代表单自由度结构。质量、弹 簧系统有定值，而阻尼系数无法准确确定，质量系统以不变速度与静止冰排作用。 质量一弹簧系统确保系统位移自然频率远大于冰的破碎频率，这意味冰力谱不包 括结构响应值。 从冰力时程可以看出冰破碎频率依冰速和结构刚度而变化，冰挤压破碎的能 天津大学硕士学位论文第三章冰激锥体振动 量密度谱揭示这些参数之间的关系。所有情况下，冰挤压峰值随速度增加而增大。 对冰力谱作进一步分析得以下关系式： 型i ；k 2 v 2 ：墨奠( 3 3 ) 石4五4五4 其中，足是结构刚度，矿是冰速，厂是破碎主频，4 是名义接触面积。 方程( 3 3 ) 由反映冰挤压过程随机本质的数据推导而得。如果名义接触面积 取为而斌，则上式不仅适用于所有矩形压块的模型试验( k a j a s t e1 9 9 0 ) ，也同样 验证了圆柱状航道标志结构的计算数据( e r a n t i1 9 9 0 ) 。方程( p 3 ) 可以预测变 化冰情的结构行为。如果冰力谱已知，可以将其依方程( 3 - 3 ) 修正作为载荷谱作 用于其它冰况下的结构。 对于宽结构而言，结构的响应取决于冰挤压力的空间相关性。为研究这一现 象，引进冰一结构系统几何特征有关的概念：相关长度a 。冰挤压的互相关谱密 度函数可由下式得到： b ：型。 g g ，2 ，) = g e n e 4 ( 3 4 ) - 1 2 j 其中甩，是f 方向的单位矢量，吃为空间相关长度a 上任意两点，q 为 由实测数据推导得到的单边功率谱密度函数，小值意味着两相邻点的信号无关。 相反，大值意味着系统内两个原点相关。量化方程( 3 - 3 ) 可由现场测试或试验测 量得到，并用于预测结构行为。冰池试验与现场试验证明了它的存在，但仍需更 多的试验数据来验证此假设。 因此，当这种观点在一定范围内得到认可后，利用强迫振动理论的分析方法 就可以对冰荷载进行识别，即通过对统计特性的描述，分别在频域和时域内确定 系统的频响函数( 传递函数) 和脉冲响应函数，从而在频域和时域内把握荷载信 息。对于平稳的随机过程，一般通过在时域内建立激励的自相关函数以及激励与 响应的互相关函数来识别荷载信息，而在频域内一般通过建立功率谱密度函数来 对荷载信息进行识别。 3 1 2 冰与结构相互作用理论 随着冰激振动问题得到更多的关注和研究，人们发现，有越来越多的现象是 无法完全用强迫振动理论来解释的。例如，许多现场观测表明结构的稳态振动发 生在一定的速度范围内，而且冰力频率被锁定到结构的固有频率上；同时，对于 冰力周期特征的描述和证明，由于没有在许多实际问题的分析中得到很好的体 现，仍有许多学者抱怀疑态度。这样就陆续出现了一些脱离强迫振动理论的理论 分析模型，这些模型有一个共同的特点，就是在冰力中将结构的反馈信息作为一 天津大学硕士学位论文 第三章冰激锥体振动 个重要甚至是关键的因素进行考虑，以下分别进行介绍。 1 、- l a t l o c k 模型 1 9 7 1 年，m a t l o c k 以库克湾现场观测为背景而提出圈。该模型取结构为单自 由度的质量一弹簧一阻尼系统，将冰排视为一系列等间距布置的弹脆性小梁，小 梁的间距即冰的破碎长度