（水工结构工程专业论文）冰载荷的识别及冰激振动的实验与数值模拟.pdf

摘要 摘要 海冰一结构的动力相互作用、冰激振动及冰载荷的识别问题，仍是目前工程海冰界的 核心和热点问题。但由于问题的复杂性，公认的能够描述冰一结构动力相互作用力学机制 的数学物理模型还远未找到，对冰激振动机理的认识远未统一，现有各类冰载荷的识别 方法还存在着许多不尽入意之处，因此，本文利用室内模型实验、数值分析和模拟等手 段开展了以下三个方面的初步研究：( 1 ) 海冰柔性结构动力相互作用时冰载荷的识别方 法；( 2 ) 冰激柔性锥体振动的室内实验模拟；( 3 ) 基于i ) d a 方法的冰一结构动力相互作用的 数值模拟。相应地，主要研究内容和研究成果分为三部分： 工程实际中冰载荷的获取有直接测量法和识另q 反演法两大类，各具优势和特点，都 有一定的效果。本文第2 章着重开展了动态载荷( 包括冰载荷) 的识别方法研究，它为 本文后续工作的开展打下了必要的基础。首先，介绍、比较和总结了现有文献中关于冰 载荷识别的各类主要的频域和时域方法，然后，针对现有时域识别方法的计算繁复、工 作量大、稳定性和抗噪能力都较弱的缺点，对具有工程应用前景的一类载荷时域识别方 法作了进一步的改进：放弃了目前现有文献中关于未知外载荷在离散时间间隔内为阶跃 常荷载的假定，采取在微小的时段内外载荷是按线性规律变化的更为合理的假设；重新 推导并建立了对于比例阻尼系统的一套新的载荷识别公式和程序。同时，通过对离散时 间间隔的控制，可以保证该识别计算具有很强的数值稳定性和抗噪能力。依据本文的识 别模式和程序，能够实现由结构的任一种类型的响应( 位移或速度或加速度或应变) 或 各类响应的组合来确定未知作用力的时程。经算例详细地论证，作者提出的载荷识别公 式相对于文献中所给出的公式而言，形式简洁、明了，应用方便，计算量小且效率高， 并且具有较强的稳定性和抗噪能力，适用于稳态和非稳态等各类载荷的识别。该方法成 功地应用于如下冰激锥体振动实验中动态冰载荷的识别。 模型实验是探讨冰激锥体振动机理和特点的一个有效途径，因而第3 章就介绍了作 者利用d u t 一1 非冻结可破碎模型冰和自行设计的柔性加锥模型结构，所设计的冰速变化 而其它参数固定时模拟冰激锥体振动的室内实验方案。测量了模型冰排和小冰样的弹性 模量和弯曲强度，以及相互作用过程中结构上特定点处的位移、加速度和动应变时程， 插摄了冰捧一结构动力相互作用的整个过程。利用作者在第2 章中提出的动态载荷时域识 别方法，依据结构的振动响应，识别了作用于模型结构上的动态冰载荷时程，进而得到 了相应的载荷f o u r i e r 频谱。并对反演计算的效果进行了说明和验证。从实验和计算结 果得出的结论是：冰激锥体振动是一种间歇性的随机受追振动+ 自由阻尼振动，且以低频 振动为主；d u t 一1 模型冰排在与锥体模型结构动力相互作用时，主要以弯曲折断的方式 破坏，兼有压缩、剪切型破坏，与原型观测较为符合：依据结构的动态响应所识别的动 大连理工大学博士学位论文 冰力，在量级上比较符合实际，而冰力随冰速和时间的双重变化关系不能用简单的函数 定量地描述，但冰力最大幅值有随冰速的提高而增大的趋势：动冰力具有较为丰富的频 率成分，主要集中在0 3 h z 的频带范围内：在某特定条件下，冰激锥体振动能够产生 动力放大的共振现象，但需要进一步的实验验证。 数值模拟是研究冰一结构相互作用及冰激振动的另一个有效途径。第4 章所涉及的是 非连续变形分析( d d a ) 方法在模拟海v l ( - 结构相互作用领域的初步应用。首先简单介绍 了二维d d a 方法的基本理论，然后将高速运动的冰排理想化为弹脆f 生材料，并应用d d a 二维程序将冰排和结构都离散成块体系统，结合两个算例探讨了d d a 方法的适用性。结 果中不仅直观地给出了冰一结构相互作用时冰排的破坏过程，而且给出了柔性结构上代表 观测点的位移及速度响应时程，接触面上结构的局部水平应力曲线，以及结合作者提出 的动载时域识别技术利用响应反演得到了作用于结构上的等效总动冰载荷。根据模拟结 果，认为d d a 方法为研究海冰与结构的动力相互作用和冰激振动问题提供了一条可行的 新思路。 关键词：海冰；结构；相互作用：冰激振动；载荷识别；时域：频域；室内实验：d u t 一1 模型冰；柔性锥体：非连续变形分析( d d a ) ：破坏过程 a b s tt a c t d y l 3 1 t l 血cm t e r a e t i o mo fs e ai c ew i mo f f s h o r es l l i i c r l r e s ，i c e - m d u c e dv i b r a t i o m 甜1 di c e l o a d sj d 即施c 鲥咀a r cs t i l lt h eh o ta n dk e yp m b l e m s 血斌e n g i n e e r m 培h o w e v d u e t 0 骶 c o i n p l e ) ( 时o fs 盟沁m 蜘c s ，a 谢d c 坶a c c e p t e dp h y s i c a lm o d e la e s e r i b i n gt h em e c l a m a i s r n o f d y n a m i c i c e s t r u c t u r em t e r a c f i o m 趴di c e _ m d u c e dv i b r a t i o mh a sn o t y e t b e e nw e ud e v e l o p e d e s p e c i a l l ym e m e 血o d sf b ri d t i f y i n ga y n a m i ci c el o a d sa r en o ts os a t i s f a c t o r y t h e r e f o 陀t h e m a i n w 0 r k o f t h i s m e s i s i s t o d e a l w i m t h e f o h o w i n g t o p i c s ：( 1 ) m e t h o d s f o r i d 蛐4 n g d y m r m e i c e1 0 a d s d u r i n gt h e 口r o c e 豁o f i c e - f i e x i b l es t r u c t u r e sm t e r a c f i o m ；( 2 ) s i m m a 垃o no fi a 暑- i i = d u c e d v i b r a t i o mo ff l e x i b l ec o m c a lg t r u e i l l r e s b yl a b o r a t o r yt e s 坞：( 3 ) n u m c r i c a ls 如瑚l a d o no f i c e - s t n l c t u r ei n t e r c o mb vd d a m e t h o d a c c o r d i n 珥y t h ec o n t e n 拓o f t h i st h e s i si n c l u d et h r e e p a r e 雒f o u o w s t h e r ea r et w ow a y st 0 g e t 血ed y n a m i c i c el o a d si ni c e e n g i n e c r i n g , i e d i r e d m e a s u r e m e n t 盟dm d i r e c ti d e n t i f i e a t i o i lb 弛o ft h e mh a v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s c 1 1 a ：p t e r2m a i n l y 证e a ：c sw i 吐ld i f f e r e n tm e t h o d s f o rd y m m i ci c el o a di d 目嫩c 舐o n f i r s t , s e v e r a l 龇o fm e t h o d sm 丘c q u 踟越l dl i m ed o r n a i nf o r i d 蹦t i f y i n gd y l l a n l i c i c el o a d sa i e m t r o d l l c e d ，飘】r n r i 塌r i 2 矧a n dc o m p a r e o t h e n 也e e m p h a s i s i sc o n c e 】叫硅盹e do nh p m v i n go f m e p r e s e n tm e t h o d s i 1 1d r n ed o m a i n t h e s em e t h o d sh a v et h ea d v a r 瞧g et h a tt h 即c a n p i n d el i m e h i s t o r y o ft l el l n k n o w r ld y n a m i cf b r c e d i r e e f l y ，w i l hn o n e e dp e r f o r m i n gf a s tf o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n ( f f t ) a 1 1 dt l l e r e f o r ea r ew e l c 蚴盯b ye n g i n e e r sc o m p a r e dw 洫也o s em e t h o d s i i lf r e q u e n 斜d o m a i n h o w e v t h em e t h o d si nt h ed m ed o m a i na l s oh a v ed i s a d v 翘t a g e st h a tm e p r o c e s s e so fc a l e 蜥o ma l m u c ht o oh e 8 wa n dc 。m p f i e a t e d , a sw e ua sm n os t r o n g a 砸- n o i s ea b i l i t 玑s ob a s e do nm o r er e a s o n a b l ea s s u m p t i o nt h a t 也eu r l k n o w r le x t e r n a lf o r c e s v a r yl i n e a r l y 由蒯h 山e d i s c r e t et i m em t e r v a l ，a n 缸n 翻v e dm e t h o df b fd y n a m i cl o a d i d 饥t i f i c a t i o nf o rp r o c t o r i a lc l a m p i n gs y s t e mi sp r e s e n t e db va u t t t l o r s as e to fc o n d s c r e c u r s i v ef o r m u l a ef o rd e t e r m i n i n g 也ev a 】咀篦o f 1 e s e b i c e si sd m v e d , o n l ya n yk i n do f s t r u c t u r a lr e s 【n s e ：d i s p l a c e r n 啦v d o c i t y , a c c e l e r a t i o no rs t r a i nn e e d e df o rt h em p l p r a c t i c a l e x a m p l e ss h o wi i l d e t a i lt h a tc 0 蜘p i 同w i 血o t h e rf o r m 妇西v 觚mr e c e n th t e r a t u r e ，t h e 印p r o a c h 西v e i lb yt h ea u t h o r si ss a m p l e ，e f f e c t i v e ，、v j ms t r o i 】g 删n o i s ca b n 毋a n d c a nb e a p p f i e d t oi d e n t i f ya l lk i n d so f d y n a m i cl o a d si nt h e e 1 1 9 i n e e r i n g p e r f o m a i n gl a b o r a t o r yt e s t si s 啦e f f e c t i v ew a y t oe x p l o r et h em e c h a n i s mo f i c e - m d u c e d v i b r a t i o mo f c o n c a ls t r u c t u r e s s oc h a p t e r3m t r o d u c e dal 址) 0 r a i o r yt e s tp r o g r a md e s i 删b y 甘l ea 1 2 t h o 巧r ) r t h es i m d a l i o no f i c e - m d u c e d 、，i b r a t i o mo f a f l e a b l ec o m c a ls t r u c t u r e m w h i c h d u t - 1m o ( 1 c li c cs h c e ta 口ed r i v e nb v 山en l l l 啦- f h f 蜘o ni r a i l e ra id i f f e r e n tv e l 咖, t h ee l a s t i e m 训u sa n df l e x u m ls u 黜, t ho f 础li c es h o 既a n di c es a m p l e sa r em e a s u r e dm r e s p o n s e so f t h em o & l s m l c l x 】佗，i n c l u d i n ga e e e l e r a t i o m ，d i s p l a c 廿】嘲借a n ds t r a i n sa r em e t s l l r e da n ds o m e t y p i c a lp h o n sr e c o r d i n gt h ei c ef a i l u r ep r o e e s sa r ep r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h em e t h o do f d y r i a m i c1 0 a di d 叫t i f i c a t i o nd e v e l o p e db yt h ea u t h o i si i lc h a p t e r2 ，t i m eh i s t o f i e sa 1 1 df o u r i 廿 s p e c t l - 1 1 r n so f t h eg l o b a li c el o a d s 强e l t e do nt h ec o m c a ls t r u c t u r e 础la r e 露v e n f m mt h e m e a s l 1 _ r e da n dc a l c u l a t e d 北m h s o m ec o m l u s i o ma r ed r a w n , i e ，n 硷i c e - i n d u c e dv i b r a t i o no f a f l e x i b l ec o n i c a ls t r u c t u r ei sak i n do f i e m i t t e n t 丘b e ( i a n l t ，e dv i b r 出o n 加af o r e e dv i b r a t i o n , d o m i n a t e db ym o d e so fl o w 姻呦c i 鼯：1 1 l e p r e d o m i n a n tf a i l u r em o d eo fd u r _ 1i c cs h e e t b e f o r et h ec o n i c a ls m a c t u r ei sb e n d i n gf a i l u r e ，m i x e dw i t ho t h e rm o d e ss u c ha sc r u s h i n ga n d s h e a r i n gf a i l u r e w h i c ha m i l l u s t r a t e db y t y p i c a lp h o t o st a k e no n t h es p o t ；t h em a g n i t u d eo f t h e i d e n t i f i e di c el o a d sc o i n c i d e sw i t ht h a to ft h em e a s u r e di c ef o r c ei nb o h a is e ah o w e v e r , v a r i a t i o no f i c e1 0 a d sw i t hl i m ea n d v e l o c i t y , w h i l eo t h e rp a r a m e t e r s a r es e t , c a n n o tb e e x p r e s s e d b y a s i m p l ef u n c t i o n ；t h e t r e n do f m a x m m mi c el o a d i n c r e a s i n g w i t ht h ei c ev e l o c i t yi so b t a i n e d t h r o u g ht h er e s u l t sc a 】c u i a t e d = f r o mt h ef o u r i e rs p e c t r u mo ft h ei d e n t i f l e di c e1 0 a d s t h e a b u n d a n tf r e q u e n c yc o n t e n t sa r ed i s t n b u t e dw i t h i nt h er a n g eo f0 - 3 h z ：a tc e r t a i nc o n d i t i o n s ， p h e n o m e n o no f 玎置幻f l a n c ei s o b s e r v e do n c 挖i nt h e 托珊h o w e v e r , f 1 2 毗h e l e x p e r i m e n t sa r e r l e e d e dt op r o v et h a t n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa n o t h e re f f e c t i v ew a yt os t u d yi c e s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n sa n d i c e - i n d u e e dv i b r a t i o n s c t m p t e r4t r e a t se l e m e n t a r ya p p l i c a t i o no fd d am e t h o dt os i m u l a 在n g i c e s l a u c t u r ei n t e r a c t i o n s f i r s tt h eb a s i ct h e o r yo fd d ai si n t r o d u c e d n l ei c es h e e tm o v i n ga t m 吐s p e e d i si d e a l i z e da se l a s t i c b r i t t l em a t e r i a l b o t ht h ei c es h e e ta n ds 心t l c t u r ea l ec o n s i d e r e d a sa s s e m b l a g e so f b t o c k ym a s s e s a n da p p l i c a b i l i t yo f d d aa sat o o lt os i m u l a t i n gi c e - s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n si sd i s c u s s e d 曲m l l 曲t w on u m e r i c a le x a m p l e s n l ew h o l ep r o c e s so fc o u i s i o n b e t w e e nt h ei c es h e e ta n ds l l l l c t u r ei ss h o w n v i s u a l l y w i t has e r i e so f p i c t u r e s t t m eh i s t o r i e so f d i s o l a c e m 钮t so f t h er e p r e s e n t a t i v em e a s u r e d d o 由ta r eg i v e n , a sw e l la st h eh o r i z o n t a ls t r e s so f a d 0 i 1 1 ti nt h ec o n t a c tz o n eo nt h ef l e x i b l es l r u c t u r e f i n a l l yt h er e s u l t a n to v e r a l li c ef o r c ee x e r t e d o nt h ef l e x i b l es t r u c t u r ei so b t a m e dt h r o u g ht h em e t h o do fl o a di d e n t i f i c a t i o np r o p o s e di n c h a p t e r2 n u m e r i c a le x a m p l e ss h o w t h a tt h ep r o p o s e da p p m a c 血i sas u i t a b l en e ww a yt o r e s e a r c ht h ei c e s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n sa n di c e - i n d u c e dv i b m t i o n s k e yw o r d s ：s e ai c e ；s t n l d m ：i n t e r a c t i o n ；i c e - i n d u c e dv i b r a t i o n ；l o a di d e n t i f i c a t i o n ；t i m e d o m a i n ；f i - c q u e n c yd o m a i n ；l a b o r a t o r yt e s t s ；d u t - 1 m o d e li c e ；d i s c o n t i n u o u s d e f o r m a t i o na n a l y s i s d a ) ；f a i l m - ep r o c e s s i v 。 1 绪论 1 绪论 摘要：本章首先介绍了海冰给海洋工程界带来的危害：其次介绍了各国研究者鼠绕海冰问题开展的一 系列研究内容，着重介绍了海冰结构的动力相互作用和冰激振动问题：然后，引出了本文的选题背景 和研究意义，并对本文所要研究的三个方面的发展及所存在的问题作了详细介绍；最后，叙述丁本文 的主要研究内容以及它们之间的相互联系。 关键词：海冰；结构：相互作用；冰激振动；载荷识别；模型实验：数值模拟方法；有限元法( f e m ) ； 边界元法( b e m ) ；离散元法( d e m ) ：非连续变形分析( d d a ) 1 1 1 海冰的危害 1 1 工程背景和研究意义 随着人类经济活动的迅猛发展和人口的快速增长以及陆地资源的日趋枯竭，人类的 生存和发展将越来越多地依赖于海洋，2 1 世纪将是人类全面认识、开发利用和保护海洋 的新世纪o “。据估计，约占海洋总顽积1 0 的海域都不同程度地受到海冰的影响0 3 。人类 在这些海域内的各项活动，包括海上运输、港口和桥梁建设、海水养殖、海上娱乐和旅 游，尤其海洋油气资源的开发和利用，都不可避免地遇到海冰问题“。1 。海冰现已成为困 扰当今寒区海洋工程界的首要因素m 。 从世界范围看，美国的c o o k 湾、加拿大的b e a u f o r t 海、俄罗斯的k a r a 海和日本的 o k h o t s k 海，以及其他国家的结冰海域，特别是两极地区，都蕴藏有极其丰富的油气资源 ”。”1 。在我国，沿渤海海岸分布者辽河、大港和胜利油田，而在渤海湾、辽东湾和菜州 湾相继已勘探出多个浅海大油田，特别是渤海最大整装油田蓬莱1 9 3 的发现，将渤海推 上了作为中国2 l 世纪重要原油生产基地的席位。然而，渤海和北黄海因处于北半球结冰 海域的南边缘，是我国纬度最高的海区，每年冬季因强劲丽稳定的蒙古冷高压的侵袭都 会产生不同程度的结冰现象，尤以渤海北部辽东湾为重，渤海湾和莱州湾次之。因此， 世界范围内结冰海域油气资源的大规模有效开发，必须面对和解决海冰灾害带来的各种 问题“。l2 ”8 ”。 忽视海冰的潜在威胁和危害，人们为此付出的代价是巨大的，很多文献都有记载和 描述”1 i + 2 + - ：+ 7 , j i la 其危害形式大致为：封锁港口、航道；堵塞舰船海底门；使锚泊舰船走 锚；挤压损坏舰船：破坏海洋工程建筑和各种海上设施；使渔民休渔；船舶积冰。 在国外，典型的海冰灾害主要有“”“：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，服役仅仅1 年便于1 9 6 4 年冬季在剧烈冰振下倒塌；1 9 6 0 年1 3 本雅内港的 声向崎灯标于1 9 6 5 年被冰推倒：1 9 7 3 年芬兰在波兹尼亚湾建造的钢质灯塔在当年冬季便 在流冰下倒掉；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，在1 9 8 6 年4 月的海冰 激振下，岛心因液化而下沉近1 m 。 在我国，2 0 世纪以来，渤海冰害有2 0 余起，其中有5 次严重冰害，以1 9 6 9 年的大 冰封最为严重”4 ”。”“。在1 9 6 9 年渤海大冰封期间，整个渤海被坚冰覆盖，渤海湾西部 近岸海区到处可见高度为卜2 m 的堆积冰，最高可达4 m 。平整厚冰区在厚冰堆积区的外面， 冰厚均匀，一般为2 0 3 0 c m ，最厚达6 0 c m 。“海二井”的钻井平台在海冰巨大推力的作用 下倒塌，这座平台是由3 座4 腿桩基导管架平台组成，桩径为0 8 5 m ，入泥深度为2 8 m ， 当时冰力作用下上甲板的位移达7 0 c m ，灯线摆动1 8 0 度。4 。1 9 7 7 年，“海四井”的烽火 台被海冰推倒。即使在一般冰情年份，局部海区也会出现严重冰情，如2 0 0 0 年1 月2 8 日夜间，j z 2 0 - 2 中南平台在平整冰的作用下发生剧烈的稳态振动，并造成8 号井排空管 线疲劳断裂，导致管内压强为2 0 0 k g c m ：的天然气大量泄露，平台关断而停产“。 此外，海冰作用下结构物的剧烈振动还严重影响海洋平台冬季的生产作业和工作人 员的安全舒适感“7 ”1 。 图1 1 为1 9 6 9 年渤海大冰封期间，我国海冰工程研究者现场拍摄的反映海冰与海上 结构相互作用的几幅照片0 1 。 ( a ) 导管架受冰作用后部分构件开裂 ( a ) p a r to fs t r u c t u r e sisf r a c t u r e db yi c e ( b ) 带缆走道被冰折弯 ( b ) t h ew a l k w a yf o rm o o r i n gi sb e n d e db yi c e l 鳍论 ( c ) 烽火台被冰推倒现场 ( c ) af l a r es t r u c t u r ei sp u s h e do v e rb yi c e 图1 11 9 6 9 年大冰与海上结构的相互作用 f i 9 1 1i n t e r a c t i o n so fs e v e r ei c ew i t ho f f s h o r es t r u c t u r e si n1 9 6 9 1 1 2 海冰问题的研究内容 惨痛的教训，迫使人们将海冰作为重要的研究对象。自5 0 年代末，世界上许多国家， 典型代表为加拿大、美国、芬兰、德国、日本、前苏联、英国等，不惜投入巨大的人力 和物力，围绕海冰开展了许多深入而系统的研究，取得了大量成果。”“。2 ”。其中所涉及 的内容非常广泛，包括：( 1 ) 冰的成核、生长与消融、微观结构、颗粒尺度、形态、运 动与漂移；( 2 ) 冰情调查与预报( 3 ) 冰的成分与物理、化学性质；( 4 ) 冰的力学特性如 弹性模量、抗压强度( 单轴、多轴和非轴向) 、抗弯强度、剪切强度、断裂韧度等；( 5 ) 冰的本构关系、屈服准则及流变规律：( 6 ) 冰的挤压、弯曲、屈曲、剪切等各种破坏形 式及冰的断裂过程；( 7 ) 各种类型的冰如平整冰、多层冰、流冰块、冰脊等对海工建筑 物的冲击和作用，以及海冰与波浪等环境要素的相互作用：( 8 ) 海洋结构的冰激振动及 结构的冰振失效；( 9 ) 海工结构物的抗冰设计；( 1 0 ) 海冰如何作为建筑材料加以利用， 如建造井场、作业平台、海上娱乐设施等等。研究手段包括现场观测和原型测试、室内 模拟实验、理论分析、数值模拟等等。然而，有许多研究内容和成果，特别是各大石油 公司支持和资助的工作，因属保密范围而不对外公开“。 我国对海冰的认识和研究始于1 9 6 9 年那次冰毁事故之后，几乎所有的工作都是围绕 渤海特别是辽东湾的海冰展开的，经过我国海冰科研工作者的不懈努力，已经取得了一 批优秀的科研成果，主要分为如下几方面“”。“：( 1 ) 渤海湾的冰情调查和预报；( 2 ) 海冰的物理力学性能；( 3 ) 冰力及其识别：( 4 ) 冰与结构的动力相互作用和冰激结构振 动；( 5 ) 结构的冰激破坏分析与抗冰设计。 在以上关于海冰的众多研究领域当中，研究得最多也是最为重要的当属海冰与结构 物的相互作用及冰激振动问题浯”“43 。”1 。 大连理工大学博士学位论文 1 _ 1 3 海冰对结构的作用及冰激结构振动 海冰对结构的作用是一个非常复杂的过程，受到多种因素的制约“_ 3 i ”“。海冰作 用力的大小，与冰本身的固有特性、冰一结构相互作用的形式、冰的破碎方式、冰厚、冰 速、结构的几何形状和尺寸、结构材料与表面粗糙度、结构的刚度、质量、阻尼等动态 特性以及复杂的环境条件( 如波、浪、流、风等) 都有关系。另外，研究冰与柔性结构 物的动力相互作用，还需要了解冰的各种强度与加载速率的变化关系。 海冰对结构的作用实际上是多种多样的”8 ”。“3 。根据对我国渤海海域的现场观 测，它们对滩海建筑物的作用主要有以下几种： ( 1 ) 渗入混凝土海工建筑物表面附近毛细管孔道的海水，成冰时产生膨胀压力，导致 混凝土内部呈现应力状态。随着气温的剧烈变化，海冰的冻融交变过程频繁发生，使得 混凝土表皮脱落，产生所谓的冻融损坏作用； ( 2 ) 整体冰盖层由于温度巨变引起膨胀所产生的对结构的膨胀挤压作用； ( 3 ) 在风和流的驱动下，大面积流冰( 称为冰排或冰场) 整体移动，对阻碍冰层相对 运动的结构物产生很大的作用力，如果结构物强度不够，必然会被海冰毁坏，否则冰层 发生连续破碎，并使结构产生一种特殊的结构振动现象( 习惯上称为冰激振动或冰振) 。 对于柔性较大的结构，如海上导管架平台，冰振现象尤为显著。冰激振动造成的低周疲 劳对海工结构物是一种严重威胁。如前述的美国两座采油平台，芬兰的灯塔和我国的两 座导管架式平台，都是在强烈的冰振之后倒塌的。这是海冰对结构物危害最大的主要作 用方式； ( 4 ) 自由漂流的浮冰对结构产生的直接冲击以及当流冰从建筑物侧面滑过时，对建筑 物产生切割、磨损作用； ( 5 ) 结构周围的海冰因气温下降而与结构结成一体，当水位涨落时对结构产生垂直上 拔或下拉作用。 工程上普遍关心的是冰的第二种作用方式。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，当增至其极限强度时，冰排发生破坏，同 时对结构的作用也达到最大。冰力的这种变化过程和作用模式，以及冰力作用的动态特 性，直接受控于冰排的破坏类型。通常情况下，移动的冰排在结构物前产生的破坏类型 有： ( 1 ) 挤压破坏，如图1 2 ( 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 ) 压屈破碎，如图1 2 ( 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1 2 ( 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1 2 ( d ) 所示，冰排沿斜面结构上爬后，形成受弯的梁或板，最终 i 绪论 因弯曲而破坏： 舻舻e 辛 图l2 冰摔的几种破坏类型 f i 9 1 2s e v e r a lf a il u r et y p e so fi c es h e e t ( 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，在接触面上冰排的磨损； 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1 。 在寒冷海域，如何设计抵御冰荷载的结构物，成为工程设计者的头等也是头痛的大 事。因为这种冰荷载的破坏作用之大，在许多国家的寒冷海区海上结构物的设计中相对 于波浪、海流、地震等其它动力因素来说，已不得不把它作为结构物安全和投资的重要 控制因素之一来认真考虑。1 。另外，因海冰的动力作用而引发的冰激振动问题，不仅发生 在柔性结构物上，即便是大型重力式结构也无法避免。对于设计者来说，结构物的动态 特性仍是首先应该考虑的因素，即以冰荷载为主体控制荷载的作用下，结构呈刚性还是 呈柔性。对于刚性结构，冰荷载可以不考虑结构变形的影响，冰一结构相互作用的研究方 法就会大大简化，这时的冰力近似当作拟静态，尽管典型的冰力历时曲线呈不规则的锯 齿状，属随机载荷，但设计时仍视冰力为一项确定值；对于柔性结构物而言，冰一结构的 动力相互作用时的耦合效应，则是结构设计中个不容忽视的重要因素。但是，设计上 如何考虑海冰对柔性结构的动力作用，目前尚无统一可靠的方法与标准。动态冰荷载的 合理确定与否，对= i 丘；卑及海上建筑物的尺寸及造价均有很大的影响。冰荷载估计不足或 对冰激振动问题重视不够，必然会遭受冰毁之事故，这已有前车之鉴；海冰荷载估计过 高，结构设计必然豪华昂贵，造成资源的巨大浪费。因此，海冰对海上建筑物的作用以 及冰激振动问题目前已成为工程中十分重视与亟待解决的课题，也是目前研究的热点问 题4 ”。 基于以上背景，本文利用室内模型实验、数值分析和模拟等研究手段开展了以下三 个方面的研究：( 1 ) 冰激柔性锥体振动的室内实验模拟；( 2 ) 海冰一柔性结构动力相互作用 时冰载荷的识别与确定方法；( 3 ) 基于非连续变形分析( d d a ) 方法的冰一结构动力相互作 用的数值模拟。下面就围绕冰激结构振动、冰载荷的识别与确定、冰一结构动力相互作用 的数值模拟方法三个方面的研究发展与现状进行综述，以便为本论文研究论题的确立提 供确凿、可靠的依据。 大连理工大学博士学位论文 1 2 冰激结构振动研究的发展与现状 自上世纪6 0 年代，随着海上结构物在结冰海域的建立，人们就已经开始了冰激结构 振动的研究。时至今日，冰振研究已经成为工程海冰学中一个非常活跃的分支，因所考 虑主导因素的不同而出现了许多的学术流派和观点，冰激结构振动的机理尚未取得统一 的认识，许多问题仍然存在着争议“”。”“1 。目前，关于冰激振动的研究，在内容上分为 冰激直立结构( 柱体) 振动和冰激锥体振动两个方面。因海洋结构物大多是直立桩( 柱) 腿结构，因此关于冰激柱体结构振动的研究，开展得最旱也最多，但争议也最大：对冰 激锥体振动的研究，开展得较晚也较少。下面将对冰振研究的发展，以及随之出现的各 种不同理论和观点进行综述和总结。 1 2 1 冰激柱体振动 ( 1 ) 强迫振动理论“ 认为冰力同波浪力一样，具有本身内在的周期性或频谱特性。尽管结构的反作用提 供了海冰破碎的条件，冰力的振荡过程最终只决定于海冰本身的特性和环境因素，而同 结构条件无关。这种观点最先由美国的p e y t o n 提出，他于1 9 6 8 年前后对阿拉斯加库克 湾的海冰引起的平台结构振动进行了观测。根据观测结果得出库克湾的海冰具有与结构 型式无关约每秒1 次的破碎频率”1 。作为这一观点的延续和发展，加拿大的n e i l 和m i c h e i 基于原型观测和模型实验资料提出，在冰一结构动力相互作用过程中冰排总是破碎成 0 2 o 5 倍冰厚的碎块。因此，冰力具有周期丁= z v 。，为一次破碎长度，v 。为相 应的冰速。在某一特定的海冰和环境条件下，的出现将服从于某一统计规律，结合冰 速的变化，便决定冰力的某特定的频谱。强迫振动理论用动力平衡方程可表示为“ 榭+ 靠+ h = f ( t 、 ( 1 1 ) 支持强追振动理论的还有： s u n d a r a r a j a n 等基于强迫振动理论提出了随机振动模型，把冰力看作各态历经的平 稳随机过程，通过f o u r i e r 分析可以得到它的近似谱密度。求解动力方程，可以得到结构 动位移的谱密度及均方值； r e d d y 等根据冰力谱的概念采用谱分析的方法对海冰引起单自由度结构振动进行了 分析； m o n t g o m e r y 等在加拿大a l b e r t a 一座桥梁的桥墩上放置了若干个加速度传感器，并 将桥墩简化成一单自由度系统，进而通过所测得的加速度响应依据强迫振动理论估算了 1 躇论 作用于桥墩上的动冰力1 ； e n g e l b r e k s t o n 对b a l t i c 海上的一座灯塔在漂移冰排作用下发生共振的响应过程进 行了测量，并且用强迫振动理论分析了测量的结果吼3 ： 史庆增等呲”1 ，初良成等“，智浩等”1 ，刘建成等1 依据冰激强迫振动理论，由 结构的响应对渤海海洋平台所受的冰荷载进行了反演和识别； 段梦兰等用强迫振动理论计算了辽东湾常见冰情挤压冰作用下j z - 2 0 一2 采油平台和 测冰平台的自振特性、位移、速度和加速度响应以及平台的应力响应”1 ； 欧进萍等采用实测冰压力时程，对渤海辽东湾北部的7 2 2 0 2 m u 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。1 ； 段梦兰等从时域和频域两个方面考察了海洋石油固定平台的冰激位移响应，分析了 冰的特性、冰力方向和平台结构型式三者与冰激位移响应的关系，认为冰的破碎频率和 平台固有频率是决定结构振动程度的两个主要因素： 曲月霞和王永学也基于强迫振动理论，假定冰厚为具有对数正态分布的随机变量， 并考虑了冰的刚度、破碎长度及清除应力随冰厚的变化，建立了海冰与近海结构物动力 相互作用的随机数学模型4 “： s o d m 认为平台的振动是一种强迫振动，冰的破碎频率与平台的固有频率凑巧达成一 致是导致稳态振动的主要原因，冰力的波动是由于冰与结构的接触面积不同而引起的 【m ，i = j 冰激强迫振动理论的缺陷是忽略了结构振动对冰力产生的反馈影响，并且不能解释 在室内实验和现场观测所发现的“频率锁定”现象“。所谓“频率锁定”，是指由海冰 的作用引起的结构振动可以持续很长时间，并且冰力频率和结构的自振频率相同，相位 也与结构振动一致。伴随着冰激强迫振动理论的提出和发展，又有很多学者提出了关于 冰激振动的冰一结构动力相互作用理论“。 ( 2 ) 冰一结构动力相互作用理论“o 认为动冰力不仅取决于冰本身，还受到结构振动位移、速度的影响，即认为动冰力 不是完全独立于结构之外的纯环境外力。关于这一理论又可分为 ( d m a t l o c k 理论 m a t l o c k “j 认为冰力不是单纯地受环境条件的影响，还受时间和结构位移的双重影 响。图1 3 为该理论的示意，图中右半部的单自由度弹簧一阻尼一质量系统代表结构，而 冰排则用一个以按冰速v n 前进，底座为刚性的滑车代替。滑车上设置一系列等间距的( 距 离等于冰排一次破碎长度a 1 ) 悬臂梁，粱的材料为弹脆性，其破坏时冰的最大变形为 占，因此当冰的变形为6 时，该系统所受的力为 f ( t ，x ) = l ( 1 - 2 ) 大连理工大学博士