（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）柱体刚度对冰激振动影响的实验研究.pdf

中文摘要 目前，国内外对于柱体刚度在冰激振动以及冰激振动模型实验中的影响研究 还不充分，为了便于控制柱体结构冰激振动，提高平台的安全系数，本章利用天 津大学冰工程实验室所进行的8 6 3 攻关项目“新型抗冰振平台技术研究”的数据 资料，从实验的角度对柱体刚度在冰激振动中的影响进行了几方面的研究。 1 、依据本文实验目的，对试验进行了具体的设计，获得了充分的数据资料。 2 、通过分析柱体冰激振动实验的现象和数据，确定了冰激振动机理是相互 作用； 3 、考察了柱体刚度同冰激稳态速度范围的关系，得出了冰激稳态振动对应的 速度段随刚度的增加而降低这个结论；从剐度的弹性控制观点出发，根据 结构和冰排的弹性反应，提出了柱体刚度对冰激振动具体作用的一系列假 设； 4 、通过分析弹性控制系数对动力放大系数的影响，得出柱体刚度是通过影响 冰排破坏模式和能量分配，从而对冰激振动起到了控制作用。 本文目的在于研究桩柱结构刚度对冰激振动的影响，研究方法为实验研究， 所以研究的成果或结论基本局限于现有实验的范围内。同时由于考察刚度对于冰 激振动的影响，是从宏观的角度利用弹性控制系数来进行的，因此本文给出的成 果或结论有待于随实验阶段的推移而延伸和丰富。 关键词：柱体刚度冰激振动弹性控制系数稳态振动 a b s t r a c t a tp m s e n t ，t h er e s e a r c ho nt h er o l eo fc y l i n d r i c a lr i g i d i t yi nt h ei c e i n d u c e d v i b r a t i o na n dt h em o d e lt e s to fi c e i n d u c e dv m r a t i o nh a sn o tb e e nc a r r i e do u t s u f f i c i e n t l y i no r d e rt oc o n t r o lt h ei c e i n d u c e dv i b m t i o n ，i m p r o v e t h es a f e t yf a c t o ro f p l a t f o r m s ，u t i l i z i n gt h ep r e c i o u se x p e r i m e n td a t ao fp r o j e c t , f r o mt h ee x p e r i m e n t a l p e r s p e c t i v e ，s o m ea s p e c t so f r e s e a r c ha b o u t i ta sf o l l o w i n gh a v e b e e nu n d e r t a k e n f o rt h ep u r p o s eo ft h i sp a p e r , as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e da n d e x e c u t e d , w h i c hp m v i d e de n o u g hd a t a w i t ha n a l y z i n gt h ep h e n o m 黜a n dd a t ao ft h e s ee x p e r i m e n t s ，am e c h a n i c s e n t i t l e dt h ei n t e r a c t i o nw a s p r o v e d i nt h ei c e - i n d u c e dv i b m t i o n d e p e n d i n go nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt l l ec y l i n d r i c a lr i g i d i t ya n dt h ev e l o c i t y r a n g eo f t h ei c e - i n d u c e ds t e a d yv i b r a t i o n , t h ef a c tt h a tt h ev e l o c i t yr a n g ew i l ld e c r e a s e a c c o r d i n gw i t l l t h e i n c r e a s eo ft h ec y l i n d r i c a a r i g i d i t yi si m p r o v e d ；t h e a u t h o r p r e s e n t e dap o i n to fv i e wa b o u tt h ee l a s t i cc o n t r o l ，b yt h ee l a s t i cr e s p o n s eo f s t r u c t u r e sa n di c ep l a t e s ，as e r i e so fa s s u m p t i o n so nt h ee f f e c tb e t w e e nt h ec y l i n d r i c a l r i g i d i t ya n dt h ev e l o c i t yr a n g eo f t h ei c e i n d u c e ds t e a d yv i b r a t i o nw e r ep r e s e n t e d t h r o u g ht h ei n f l u e n c ew h i c ht h ee l a s t i cc o n t r o lc o e f f i c i e n ti m p o s e do nt h e d y n a m i ca m p l i f i c a t i o n t h ef a c t 血a tt h ec y l i n d r i c a lr i g i d i t yc o n t r o l st h ei c e - i n d u c e d v i b r a t i o ne f f i c i e n t l yb yi n t e r v e n i n gt h ef a i l u r em o d e sa n de n e r g yd i s t r i b u t i o nw a s d e m o n s t r a t e d b e c a u s et h ep u r p o s eo f t h i sp a p e ri st os t u d yt h ee f f e c to f t h ec y l i n d r i c a lr i g i d i t y w i t ht h ei c e i n d u c e dv i b r a t i o na n dt h es t u d ym e t h o di st h ee x p e r i m e n t ，s ot h e c o n c l u s i o n sa r ep r i m a r i l yl i m i t e di nt h e s ea r e a so fs u c he x p e r i m e n t s ，a tt h es a m et i m e ， a st h em a c r o s c o p i c a lp e r s p e c t i v ew a sa d o p t e ds u c h8 st h ee l a s t i cc o n t r o lc o e f f i c i e n t , a l lt h ec o n c l u s i o n so f f e r e db yt h i sp a p e rw i l lb ei m p r o v e da n de n r i c h e df o l l o w i n gt h e d e v e l o p m e n to f t h i se x p e r i m e n t k e yw o r d s ：c y l i n d r i c a lr i g i d i t y , i c e i n d u c e dv i b r a t i o n ，e l a s t i cc o n t r o l c o e f f i c i e n t ，s t e a d yv i b r a t i o n 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，也不包含为获得叁连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： 鹑咎 签字日期：删年，月，d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫星盘茔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：勃乳导师签名 签字日期：棚年f月1 1 日签字日期 天津大学硕士学位论文柱体刚度对冰激振动影响的实验研究 第一章冰激振动工程背景 1 1 冰激振动现象1 , 2 , 3 1 在海洋工程的研究中，海冰工程是一个重要的研究领域。随着极地海洋资 源的发现，特别是极地海洋石油天然气的开采，海冰更成了西方几个主要国家的 重要研究对象，它们自上世纪5 0 年代后投入了大量的人力物力，目的是争夺极 其丰富的海洋石油资源。我国自上世纪6 0 年代以后也开展了海冰的研究，开始 时目标是针对我国渤海，主要是辽东湾地区。以往我们研究的主要是静冰力问题， 随着研究的深入，越来越意识到冰载荷对海洋结构的威胁除了它们的大载荷外， 更多的在于显著的动力效应。由于冰能引起结构物的剧烈振动，导致了多起海洋 结构物被破坏的事例：渤海导管架式平台在海冰作用下发生持续的强烈振动，有 正式记录的首次事例是1 9 7 7 年春季老海4 井生产平台的冰振当时振动延续十 天左右，每天强烈振动时间以小时计，曾给平台上的人员造成很大恐慌。在此之 前，1 9 6 9 年春渤海石油公司老二号钻井平台及1 9 7 7 年春“老海4 井”烽火平台 先后被海冰推倒这两座平台最终倒毁之前是否发生过持续的振动，以及它们的 倒毁是否直接由冰振造成，没有确切的记录和结论，但并不能排除这种可能性。 进入8 0 年代以后，首先是锦州2 0 _ _ 2 测冰导管架在测冰期间连续三年( 1 9 8 9 、1 9 9 0 和1 9 9 1 ) 年发生强烈振动，实测甲板高程振动加速度最大可达0 3 9 ，虽未造成事 故，却进一步向人们显示了冰振问题的严重性。其后锦州2 0 一2 m u q 平台在安装 完毕、准备投产的1 9 9 2 年年初，在已装好防冰正倒锥体结构、而且冰厚仅2 0 c m 左右情况下，依然发生了较强烈的振动，这自然给要求对振动严格控制的渤海海 上气田的天然气生产带来威胁。国外类似这样的例子也不少见：1 9 6 2 1 9 6 3 年美 国阿拉斯加库克湾的两座采油平台，于1 9 6 4 年冬在剧烈的冰激振动下倒塌；6 0 年日本稚内湾外声向歧海上设置的声向歧灯标，于6 5 年3 月受浮冰袭击而倒塌； 7 3 年波兰在波兹尼亚湾建造的k e m i 一1 钢质灯塔，于当年冬季在风驱动的漂移 冰排作用下产生剧烈振动而倒塌等等。除结构破坏外，海冰作用下结构的剧烈振 动也严重影响着海洋平台冬季生产作业和人员的安全舒适性。以上这些灾难性的 事故传达的最重要信息就是抗冰振措施的重要性。 柔性结构上产生冰激振动早已被认识到，诸如航道标志和导管架平台等常经 历严重的冰激振动。1 9 8 6 年加拿大的大型沉箱式平台遭遇严重的冰激振动后， 人们才认识到，不仅柔性结构要考虑冰振，大型宽结构也面临同样的问题，冰与 结构的动力相互作用又得到更深一步认识。 冰振是多年来海洋工程设计和使用中所面临的一个严重而且现实的课题。因 第一章冰激振动工程背景 而，了解冰激振动发生的原因和机理，研究防止冰激振动发生的措施一直是海洋 工程技术人员十分关心，并投入了很大力量的一项工作。 1 2 研究刚度对冰激振动影响的必要性 由于冰激振动问题涉及冰的物理力学特性，冰与结构相互作用的机理，以 及二者作用模型的建立等一系列问题，各国学者虽投入很大精力，但仍有许多问 题尚无定论，尤其是冰与结构作用过程中作用机理和柱体结构刚度对冰激振动影 响的研究等。 渤海海上油气勘探开发的历史迄今已近4 0 年，在长期的工程实践中，我们 已经积累了丰富的同海冰打交道的经验。特别自1 9 8 1 年实行改革开放方针以来， 在吸引国外投资的同时，引进了世界先进技术，采用了国际上通用的规范、规程 和作法，渤海海冰工程的能力和水平有了一个质的飞跃。其中包括在海冰设计标 准、不同形式结构冰荷载的模型试验、现场测试与理论分析、冰振、海冰预报及 海冰管理等各个领域，始终将设计同研究紧密结合并同国际最新技术和权威部 门保持着交往和信息沟通。 对于海上平台设计规范，中国海洋石油总公司决定原则上等同采用在国际 上有权威性的美国a p i 系列建议规程。对于导管架平台，主要参照执行a p ir p 2 a 在渤海并补充参照a p ir p2 n 中有关海冰条件及海冰荷载部分的规定。在这 些建议规程中，对有的问题并无规定条文。例如多腿结构冰力；有的规定过于原 则，例如单立柱冰力。遇到这样的情况，目前的一般作法是：开展有针对性的科 学研究，手段可能是理论分析、软件开发、模型试验或现场测试，并且借鉴国内、 外解决这一问题最具倾向性或权威性的途径和方法，提出具体的实施方案，作为 上述建议规程执行中的一种延伸和补充，也为平台设计的鉴定取证提供技术依 据。在上述建议规程中，对冰振问题也是没有规定条文的( 其他国际常用的近海 工程设计规范如d n v 规范，也没有有关冰振的规定) ，这说明对这一问题的研究 至今尚未达到可列入规程的阶段，尚不够成熟，因此进一步的研究肯定是需要的。 刚度对冰激振动的影响在国内已经引起研究人员的注意，徐继祖【4 】等人提 出：在用于减小近海结构动力响应的各种可能的方法中，根据环境荷载的特性调 节结构振型的办法比改变结构自振频率的办法更为合理和经济。为了改进已有的 结构设计，仅通过适当地调节某些局部结构刚度、保留其它部位结构不变来使得 一些特定自由度上的控制位移保持在一定范围内是可行的。这属于振型优化问 题。在优化中除了要考虑冰力外，还应当考虑在其它情况下结构的安全和作业等 要求，如要考虑作用在平台上部的风载。因此，为了避免盲目地应用，对于刚度 的影响，完整的研究具有很大的工程意义。此问题的解决将对结构的振动响应计 2 天津大学硕士学位论文 柱体刚度对冰激振动影响的实验研究 算与人工控制冰激振动大小，提高平台的安全系数，延长平台的使用寿命等均有 重要作用，对工程设计的可靠性和经济利益，以及海上油气开发冬季作业的安全， 都具有十分重要的意义。 1 3 冰激柱体结构振动的研究方法 随着海洋石油开发的深入，各国学者在冰激振动领域积累了大量的经验，对 问题的最终解决提出了各种方法。虽然距离问题的最终解决仍有许多工作要做， 但却给后人的研究提供了借鉴与参考。深入总结己有成果将对后续工作有极其重 要的指导意义。 到日前为止，国内外的冰激振动的研究方法可归结为以下三种： 1 建立理论模型，进行理论分析。理论模型抓住冰与结构相互作用的主要 特征，用可以求解的理想化模型对结构进行响应分析与设计。由于对冰 破碎机理的不同看法，以及模型侧重点的不同，各国学者提出的分析模 型有很大差异。但是，由于简化模型与求解的需要，这些方法受适用范 围或一些不确定参数的限制。本文在第二章将对此加以详述，作为后续 工作的基础。 2 现场观测，直接获取相关数据。现场观测则提供了直观的解决途径，但 现场的条件过于复杂，许多条件难以人为控制，重要的条件又难以人为 再现。 。 3 室内模型试验，模拟实际结构，间接获取相关数据。而室内模型试验以 其对环境条件的可控性、比现场测试明显的经济性等优点而处于不可替 代的地位，本文为进行研究而开展的柔性柱体冰激振动实验就属于这种 情况。 此外，上世纪7 0 年代曾有人对比地震作用分析提出过用冰力响应谱方法进行 冰振分析的思路。这一想法虽曾受到较多的异议，其后也未见有进一步的进展， 更未见在工程中应用，但这种最早并且成功地应用于抗震工程地震响应分析的方 法，在冰振领域从原则上讲也并不失为另一种可能的方法。不久前，国内也有人 提出，根据已有的在锦州2 0 _ - 2 测冰导管架上取得的冰力响应实测数据，采用响 应谱方法解决渤海平台的冰振分析问题【4 】。 3 第一章冰激振动工程背景 1 4 本文工作 本文主要做了以下工作 1 通过对国内外文献的检索，掌握冰激柱体结构振动研究领域的发展状况， 特别是各影响因素的研究现状； 2 通过对国内外文献的检索，掌握了刚度在振动中的作用方式，并了解了 随机振动中传递函数的推导过程： 3 通过对国内外文献的检索，了解柔性柱体冰激振动实验的发展状况； 4 进行了柱体冰激振动实验，并进行了各种刚度的设计和数据采集； 5 通过分析柱体冰激振动实验的现象和数据，首先确定了冰激振动机理， 然后利用弹性控制来考查刚度对于冰激振动的影响，包括冰激稳态速度 范围的变化和动力放大系数的变化趋势，得出了一系列结论。 6 认真分析了本文工作的成果和不足，提出了柱体冰激振动的研究展望。 4 天津大学硕士学位论文柱体刚度对冰激振动影响的实验研究 第二章冰激振动的机理及理论分析 由于冰激振动问题的复杂性和研究历史时间较短，以致许多基础性问题仍没 有很好解决。本章通过简单描述海冰的物理力学特性，介绍当前冰激振动领域的 各种模型和分析方法，为以后准确把握动影响动冰力的因素，建立冰激直立结构 稳态响应时的激励函数打下良好基础。 本章就以下几方面加以论述： 1 海冰的物理力学特性； 2 冰激振动的理论模型及分析方法； 2 1 海冰的物理力学特性b 3 ，5 同 2 1 1 海冰的组成与构成 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变成固态盐，使海冰的强度增大。 可见，温度是海冰的重要控制因子之一。 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。 第二章冰激振动机理及理论分析 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。 2 1 2 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( 口占) 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晶= ( 2 3 5 4 - 7 1 6 1 ) d | l i p a ，平行于冰面方向加载时点声( 1 5 6 9 - 2 1 58 ) m p 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 以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 胀冷缩规律，另一些情况下，它又遵从冷胀热缩规律。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质热胀冷缩。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。 6 天津大学硕士学位论文柱体刚度对冰激振动影响的实验研究 2 1 3 海冰的强度性质 2 1 3 1 拉压强度 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，我们称此时的冰处于韧脆转变区。图1 - 1 是某结 冰海区s 型冰的盯。一言试验曲线。从图中我们可以看到，在韧性区时，盯。随着舌 的增加而增大；在脆性区时，口。随着雪的增加而急剧减小；在韧脆转变区时，盯。 达到最大值。 j l 1 j r 一一 i 图2 - 1 冰挤压强度仃。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 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 1 3 2 拉伸强度 拉伸破坏基本是脆性破坏，只有当应变速率低于l 酽时，才是韧性破坏；随 7 第二章冰激振动机理及理论分析 温度变化微小；但是，盐度对强度有较大影响，随盐度增加而拉伸强度降低；其 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无关。 2 1 3 3 弯曲强度 随温度降低而增大；随盐水体积增加而减小；当应力速率处于( o 0 4 0 1 ) m p a s 时，强度与应力速率基本无关；当应力速率处于( 0 1 0 3 ) m p a s 时， 强度值达到最大；以后，随应力速率增大而降低。 2 1 4 冰排的破坏形式及机理 大量实验研究表明，决定压入时冰排破坏形式和冰力的主要因素是压块宽度 与冰厚之比( 径厚比d h ) 和冰排的相对压入速率矿屁随着口厨口矿瑚不同， 冰排在压块前的破坏形式也不同，它们可能是； 1 ) 蠕变变形，见图2 - 2 ( a ) ； 2 ) 径向裂纹，见图2 - 2 ( b ) ； 3 ) 压屈，见图2 - 2 ( c ) ； 4 ) 环向裂纹，见图2 - 2 ( d ) ： 5 ) 局部剥落，见图2 - 2 ( e ) ； 6 ) 局部压碎，见图2 - 2 ( f ) 。 t f ， 庠孑c 嬷荽3 a 蠕变；b 一径向裂纹；c 压屈；d 环向裂纹；e 局部剥落；卜- 局部压碎 图2 - 2 冰排在压块前的不同破坏形式 不同的变形和破坏形式说明不同的力学机制，所以应当采用不同的方法来计 算冰力。 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 8 天津大学硕士学位论文柱体刚度对冰激振动影响的实验研究 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。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。当晶粒尺寸大于临界尺寸时，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。 2 2 冰激振动 2 2 1 引言 由移动的浮冰与结构物相互挤压产生的荷载是交变的，即为一种动力作用。 细长的结构物通常要经历猛烈的冰激振动，例如导管架采油平台。在很长一段时 间内，冰激振动被认为是细长结构的特有现象，因为大型沉箱或船桥码头的动力 响应并没有导致严重的问题。然而在1 9 8 6 年，大型石油钻探沉箱式平台m o l i k p a q 号在b e a u f o r t 海却险些被冰激振动摧毁。这就需要重新认识冰对结构的动力作 用。 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猛发展，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， 9 第二章冰激振动机理及理论分析 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，学术界展开了广泛的深入研究与讨论，并在冰激振 动这一关键问题上形成了两大阵营： 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； 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。 2 2 2 冰激振动 2 2 2 4 强迫振动理论，t 8 9 1 0 1 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本身内在的周期性和 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，认为冰力和波浪力一样，具有本身内 在的周期性或频谱特征，其振荡过程最终只取决于海冰本身的性质和环境因素， 而与结构条件无关。动力平衡方程为： 一 聊x + c 抖缸= f ( f ) ( 2 - 1 ) m 、c 、k 分别为结构的质量、阻尼和刚度，工、x 、x 分别为结构加速度、速 度和位移，f ( t ) 为外荷载。当然也可以将上式写成它的矢量形式： 【 z 】 呈( f ) + 【c 】 立( f ) ) + 【k 】 x ( ，) = f ( ，) ( 2 - 2 ) 各项字符的意义同上。 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 i 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t 可描述为： 丁= a v( 2 - 3 ) 1 0 天津大学硕士学位论文柱体刚度对冰激振动影响的实验研究 其中，为冰排前缘一次破碎长度，简称破碎长度；y 为冰排前进速度，简称 冰速。 这样的观点似乎可以成为冰激强迫振动研究发展的开端，因为一旦可以确定 冰力的周期特性，那么冰激振动的研究就明朗许多了，有效的冰力函数、或冰力 谱就可以随之利用相应的理论方法进行建立。在很大程度上，破碎长度成为把握 冰力周期特性的关键。当冰作用于锥体结构时，冰排前缘按特定的长度发生断裂， 而这一特定的破碎长度也使得锥体上的冰力具有了特定的周期形式。对于坚持强 迫振动观点的学者来说，如果能够证明冰在直立结构前也存在这样的破坏规律， 那么强迫振动理论将得到有力的支持。而许多学者的研究工作也正是向着这一方 向展开的。 例如，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，冰力 过程可视为一个“锯齿状”的周期函数( 如图2 - 3 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： ，= 曲( 2 4 ) 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 - - - - o 1 0 3 。 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。 f ( o 图2 3 基于强迫振动理论的“锯齿状”冰力函数模型 第二章冰激振动机理及理论分析 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 n 螽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 年提出了一个类似但更具 有普遍意义的方程。 m u h o n c n 于1 9 9 2 年的冰与结构相互作用的v r r r 冰池试验为进一步统计分析 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 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丽增大， 随之振幅减小。对冰力谱进一步分析得以下关系式： 型i ：堡丑：兰丑( 2 5 ) z 4五4z 4 其中，置是结构刚度，矿是冰速，是破碎主频，4 是名义接触面积。方程( 2 - s ) 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 嬲，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( 2 5 ) 可以有以下用途：它能预测变化 冰情的结构行为。如果冰力谱已知，可以将其依方程( 2 - s ) 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：相关长度九。冰挤压的互相关谱密 度函数可由下式得到： b ：划。， g ( ，r 2 f ) = 郇( ，) hp4 。(2-6) 其中n i 是i 方向的单位矢量，r 1 ，r 2 为空间相关长度 上任意两点，g p ( f ) 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( 2 5 ) 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验证了它的存在，但仍需 更多的试验数据来验证此假设。 1 2 天津大学硕士学位论文柱体刚度对冰激振动影响的实验研究 这样一来，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，即通过对统计特征特性的描述，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。 2 2 2 5 冰与结构相互作用理论 从上一节中可以看到，冰是一种具有复杂特性的材料，具有多种材料结构类 型，即便是针对同一种冰材料，其变形及破坏过程也均随实际的作用条件发生改 变。冰与结构的作用是一种双向的过程，即相互作用。这种作用在很大程度上取 决于具体的结构形式。当结构为刚性时，也即结构在冰荷载作用下的位移为零， 相互作用体现为作用力和反作用力之间的关系。此时，结构的反作用导致冰内弹 性波的传播，不同的结构形式将导致弹性波传播的不同形式，从而体现为冰材料 不同形式的变形和破坏。例如，直立结构前冰呈挤压破坏，而在倾斜结构前就呈 弯曲破坏。当结构具有明显的柔性特征时，结构的反作用就不再仅是一种单纯的 “反射”，结构自身的振动首先会消耗冰提供的能量，这自然会改变冰内聚集达 到破坏的能量的过程和方式；同时，结构的位移会导致与冰接触形式的改变，这 就不能再像对待刚性结构一样，可以将冰与结构的接触假设为连续的，这样的改 变就可能将一种稳定连续的能量供给改变为一种“间歇性”的能量输入【3 】。 随着冰激振动问题得到越来越多的关注和研究，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，许多现场测试表明结构的稳态振 动是发生在中低冰速下的，而此时所谓的特征破碎频率是不具备太多实际意义 的，因为冰发生的多为延性变形或屈曲破坏；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，就是将结构的反馈作用作为分析中需要考虑的一个重要甚至是关 键的因素，即他们认为冰力本身并不具周期性，只是作为能量的供应者，冰一结 构系统在振动过程中，冰力不仅是一种环境条件，而且结构的振动也要反馈于冰 力，从而影响和改变原来的冰力。动力平衡方程为嗍： m x + c x + i 口= f ( t x ) 肌鲁c 二+ h = f ( 氏二) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 可以看出，方程右侧的荷载项包括了两部分：一部分是纯环境冰力，另一部 第二章冰激振动机理及理论分析 分是因结构振动而反馈的冰力。 下面做分别的介绍。 2 2 2 5 1m a t 1 0 c k 模型 2 , 3 , 1 1 , 1 2 , d , 1 4 1 9 7 1 年m a t l o c k 以库克湾现场观测为背景，提出了一种由冰排引起柔性结 构振动的计算模型。它从冰排和结构的位移和弹性变形的条件出发，考虑了两者 之间的相互作用。 f 1n 1 习n 辟祷卜 图2 - 4m a t l o c k 模型原理图 图2 - 4 为m a t l o c k 模型的原理示意图，图中右半部分的单自由度“弹簧一质 量”系统代表结构，善为结构位移。左半部分以匀速v 前进的刚性小车及其上等 间距( 出) 布置的一系列弹脆性材料的小悬臂梁代表冰排，z 为冰排的位移。这 样，1 ，就代表冰速，世是冰排的一次破碎长度，小梁与质量m 之间的接触力f 就是冰力。占为冰排的弹性变形，当j 随冰力f 线性增大至磊。时，冰力达最大值 局。，冰排前缘发生破碎。这时最前面的小梁即被弃去，到其后的小梁( 新的冰 排前缘) 与结构接触时，又开始下一循环。 因此按照m a f l o c k 模型，动力方程右端的冰力可描述为： 片，、 f ( f ) = 掣e 。 ( 2 9 ) 其中，f m a x 和8 m a x 需根据海冰的强度和变形性质以及结构和冰排的几何尺 寸确定，6 ( t ) 可以用瞬时t 结构与冰排的相对位移表示： 艿o ) = z ( f ) 一x ( o 一( 一z ) z ( 2 - 1 0 ) 1 4 天津大学硕士学位论文柱体刚度对冰激振动影响的实验研究 其中n 为正在接触或即将接触的小梁序号。当5 ( t ) - = 6 m a x 时，冰力由f m a x 突降为0 。因此，6 和f 都同结构位移x 、冰排位移z 有关，并且是它们的不连 续函数，其不连续特征与冰排的一次破碎长度l 有直接关系。 采用逐步积分法求解在上述形式冰力作用下系统的运动方程，可以求得结构 位移删和冰力删。在工程应用中，上述单自由度系统m a t l o e k 模型的解可以 推广到多自由度系统。 m a t l o e k 模型考虑结构与冰排的弹性变形，并由此建立两者之间的动力相互作 用。但实际计算表明，结构与冰排的弹性变形对冰力的过程影响是是有限的，计 算求得冰力的周期在很大程度上仍由冰速v 和破碎长度出两者组合决定。从这 一点来说，m a f l o e k 模型的计算结果同按强迫振动理论事先给定冰力过程的计算 结果没有明显区别。但m a f l o c k 模型认为冰力不是单纯的环境条件，受时间和结 构位移的双重影响，因此本质上属于冰与结构相互作用理论。 计算结果还说明，根据冰的弹性特征，按照m a t l o e k 模型，平台在冰排作用 下发生共振的可能性不大。根据海冰的弹性模量，用弹性理论计算的结果，冰排 前缘破碎前的最大弹性变形在一般情况下只有1 - 2 r a m ，而对于厚度较大的冰 排( 如| j i = l m ) ，a 可能达到2 0 - - 3 0 m ，这样，冰力过程便成为一系列每次作用 时间f 很短，而相邻两次间隔时间相对较长的脉冲型冰力( 如图2 5 ) 。对这样 的冰力时程进行谱分析，即用傅立叶级数展开时发现，当冰力周期r 与每次冰力 持续时间出之比( t a t ) 2 0 - - - 3 0 时，其频谱曲线呈现相当均匀的形状，没有明 显的主频率，因而不会使平台发生共振，但这与实际情况不符。 为解决上述问题，在中美联合研究报告“渤海海冰设计标准”( b o h a i s e a i c e d e s i g nc r i t e r i a ，1 9 8 4 ) 中建议采用一种改进的m a f l o e k 模型。这一模型实际上 是在保留了m a t l o e k 模型的基本假定和解题方法前提下，使计算出的冰力过程具 有较平缓而连续的分布，修正上述的脉冲形式。这种新的冰力过程的形式是以实 测的冰力记录作为依据的。 根据实际观察，冰排前缘压碎时的破坏面大都呈楔形。每次压碎时，虽然大 部分冰力突然卸掉，仍有占最大冰力三分之一左右的剩余冰力保持着，并将随冰 排的前进而继续增大。 以这一观察结果为依据，设每次压碎长度即楔形的斜面水平投影长度为世， 冰排前缘前进的距离z 和结构水平位移工均以结构静止位置中心线为准计量，则 任意时间t 时，结构实际压入冰排的距离为烈d 叫f ) 晖( 力。 随着冰排前进和结构压入距离p ( o 的增加，冰力只f ) 也由开始压碎时的 ( 1 3 ) ，k 。逐渐增大，直到烈f ) = 出时，冰力又达到最大值，蒜时突降至( 1 3 ) f |