船舶和海上技术 固定结构冰载荷模型试验 征求意见稿

2GB/TXXXXX—XXXX船舶和海上技术固定结构冰载荷模型试验本文件规定了固定结构冰载荷模型试验中的试验模拟方法、数据分析方法，以及对试验设施和数据记录的要求。本文件适用于中国寒区海域固定式海洋工程结构的冰载荷模型试验，提供了一套具有充分可靠性和可行性的试验方法与标准化操作流程。注：固定结构冰载荷模型试验的目的是针对既定海冰/结构条件，测量结构遭遇海冰作用时承受的载荷，并依此评估结构安全性与抗冰性能上的优劣。中国寒区海域固定式海洋工程结构包含多种类型：单桩结构，常见于油气开采简易平台或海上风机；多桩结构，常见于导管架平台、海上风机或码头；沉箱结构，用于油气开采平台。不论进行上述哪种结构类型的冰载荷试验，试验结果中均应2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T3102.1空间和时间的量和单位GB/T3102.3力学的量和单位GB/T4208外壳防护等级（IP代码）ISO19906石油和天然气工业—北极海上结构（Petroleumandnaturalgasindustries—Arcticoffshorestructures）ITTC-推荐程序和指南7.5-02-04-03复杂冰环境试验模拟指南（GuidelinesforModellingofComplexIceEnvironments）ITTC-推荐程序和指南7.5-02-04-02.5冰水池试验中船舶阻力的不确定性分析（ExperimentalUncertaintyAnalysisforShipResistanceinIceTankTesting）3术语和定义3.1边界效应boundaryeffect由于物体或系统的边界存在，造成的与边界相关的现象或变化。3.2环向裂纹circumferentialcrack裂纹的延伸方向呈现环形或圆周形，通常是在某个中心或特定点周围扩展的裂纹。GB/TXXXXX—XXXX33.3冰攻角iceattackangle结构北向与来冰方向的夹角。3.4碎冰堵塞效应icejammingeffect碎冰堵塞于桩柱之间的空隙或滞留在结构前，发生堆积/冻结后造成的结构迎冰面积增大及冰载荷的增加。3.5冰载荷iceload冰对结构物施加的力或压力，通常发生在冰与结构物发生接触、碰撞或压迫时。3.6冰模型试验icemodeltest在受控条件下对一个结构或部件进行的缩尺物理试验。3.7冰强度icestrength冰在外力作用下抵抗破坏的能力，通常用于描述冰的抗拉、抗压、抗弯和抗剪能力。3.8模型冰modelice物理和力学性质缩尺后、用于冰模型试验的冰。注：模型冰通常在特殊的实验室中由人工制备而成，3.9非同时破坏效应non-simultaneousfailureeffect冰排在各桩柱或局部子区域前的破坏进程不同步，导致每个桩柱或子区域上所遭受的冰载荷具有相位差，结构的总冰载荷相较于各桩柱或子区域的冰载荷极值之和有一定程度的折减。3.10径向裂纹radicalcrack裂纹的延伸方向呈现径向，从某个中心或特定点向外辐射或扩展的裂纹。3.11碎冰堆rubblepile一种具有不规则形状和范围的海冰形态特征，由碎冰块堆积形成，通常会冻结在一起。注：常见于多桩结构与宽体结构，可造成结3.12相似律scalinglaw用于分析和描述不同尺度或不同条件下物理系统之间相似性的一组数学或物理规律。3.13掩蔽效应shelteringeffectGB/TXXXXX—XXXX4在迎冰方向上的前排桩柱在冰排上开辟出水道以后，后排桩柱全部或部分落入水道或位于水道附近而造成的冰载荷下降。4试验相关物理量试验相关物理量见表1。表1试验相关物理量EfiNfmaxNFjNFmaxNFtNgm/s2hmi——Lcmn Sc—β—η—λ—模型尺寸与实物尺寸之间的比例关系，表征模型ν ρwkg/m35试验原理5.1试验方式固定结构冰载荷模型试验宜采用以恒定速度拖曳结构模型在冰水池中航行的方式进行。在该方式无法满足时，可采用恒定速度推动模型冰穿越定位在冰水池中结构模型的方式开展试验，但应对模型冰边界条件、是否存在裂纹贯穿冰排边缘及推冰板处的冰破坏情况做出说明。5.2测试原理5.2.1总则GB/TXXXXX—XXXX55.2.1.1试验中结构模型的冰载荷应由力传感器直接测得。应选择合适的安装方法以减少力传感器对模型整体刚度及其与冰作用过程的影响。5.2.1.2试验中应对冰与结构相互作用过程中的冰载荷时间历程进行准确测量与完整记录，同时应配置必要的影像记录手段对冰的破坏过程进行连续性观测。5.2.2细则5.2.2.1冰载荷具体测量方式应根据具体试验目标或业主方需求进行设定。5.2.2.2对于单桩结构，通常情况下，试验中宜使用单个力传感器对模型的总冰载荷进行测量。5.2.2.3对于多桩结构，宜考查冰载荷的掩蔽效应与非同时破坏效应。试验中宜使用多个力传感器，对各桩柱冰载荷进行独立测量与同步采集。5.2.2.4对于结构与冰作用过程中冰排出现环向裂纹或数个径向裂纹的情况，宜考虑冰载荷的非同时破坏效应。在无特殊要求时，宜按图1所示分段式模型的方式对冰载荷进行测量，并应满足以下要求：a)分段大小的设定应满足模型试验对冰载荷空间分布精细度的考查要求。b)各分段之间的缝隙不宜超过3mm，且应避免碎冰堵塞缝隙造成的测量干扰。c)应保证各分段模型冰载荷的独立测量与同步采集。图1分段式模型冰载荷测试原理示意（以大直径锥体模型为例）5.2.2.5试验中的碎冰堆积超过一倍冰厚时，应开展碎冰堆积的观测。试验中对碎冰堆积的观测应在水上、水下同步开展。6试验配置与试验工况6.1试验配置6.1.1试验设施6.1.1.1固定结构冰载荷模型试验应在冰水池中进行。冰水池应具备良好的测试环境温度控制与维持能力，以避免试验测试环境受外界环境温度的影响。冰水池应为结构与冰水的相互作用提供物理模拟条件，并为具备满足相似性要求的模型冰制备提供可控的低温环境。6.1.1.2冰水池试验拖车系统应具备稳定的低速行进能力，以对现实海冰与结构作用场景中极端冰载荷通常对应的低速海冰漂移条件形成模拟。试验拖车具备的最低拖曳模型行驶速度不应高于2mm/s，稳定性偏差不应高于0.5mm/s。GB/TXXXXX—XXXX66.1.2模型冰6.1.2.1模型冰应采用室内冰水池内制备的水溶液低温冻结模型冰，以保证力学性质与天然海冰最大程度的相似。模型冰的制备方法可按照ISO19906中的附加信息和指南执行。6.1.2.2模型冰的试验厚度不应小于10mm，模型冰的弹性模量与抗弯强度之比应不小于2000，模型冰的晶体织构特征应和原型冰保持相似。6.1.3结构模型6.1.3.1固定结构模型几何缩尺比的确定应综合考虑试验设施工作段的尺寸及满足模型冰相似要求的前提下可接受的缩尺比。为保证试验测试预报结果的可靠性，试验几何缩尺比例不宜小于1:40。6.1.3.2试验模型的设计应严格遵循与目标结构的几何相似原则。对于可能影响冰破坏模式以及碎冰物理过程的几何构型，均应进行准确的缩尺模拟。6.1.3.3模型主尺度制造误差应小于±0.5%，表面硬度及粗糙度应与原型结构保持一致，在水中、低温环境中及与冰作用过程中不渗水、不变形、不磨蚀。结构模型应保持刚性连接，模型的整体固有频率宜保持在50Hz以上。6.1.4相似准则6.1.4.1在惯性力、重力和弹性力作用占据主导地位的作用场景中，应采用傅汝德相似准则和柯西相似准则构建相似体系，各物理参数的相似比尺关系在表2中列出。表2傅汝德-柯西相似体系中主要物理量的比尺λλλ1/2λλ1/2λλ3力λ3λ4λ6.1.4.2对于不满足惯性力、重力和弹性力作用主导假定的其它作用场景，应开展试验预报结果与原型尺度观测结果的对比标定试验，以确定针对具体试验场景的合理相似准则。6.2测试条件与工况6.2.1总则模型试验应根据现实工程场景，在冰水池内合理再现冰与结构的相互作用场景。固定结构冰载荷取决于作用过程中冰的破坏模式、碎冰的流动、碎冰的堵塞堆积等多种物理过程，冰载荷模型试验应满足对这些物理过程的合理再现。决定冰载荷的具体物理过程取决于结构型式、尺寸和冰条件，在无特殊要求时，模型试验工况应与业主方讨论确定。6.2.2海冰形态条件工况6.2.2.1海上或近岸固定结构可能遭遇的海冰形态条件包括平整冰、重叠冰、冰脊和碎冰流等，试验中应对所模拟的冰条件进行制备和模拟，并采用特征参数测量与图像、影像记录的方式在试验结果文件中予以澄清。GB/TXXXXX—XXXX76.2.2.2复杂冰环境的试验模拟流程可按照ITTC-推荐程序和指南7.5-02-04-03执行。6.2.3海冰作用条件工况6.2.3.1影响冰载荷的作用条件包括冰速、冰攻角和水位等，试验中应根据具体的工程场景，设置多种作用条件的组合条件，以确定极端载荷所对应的海冰作用条件。6.2.3.2试验中应细致设置冰速条件变化梯度，以保证对冰载荷随速度变化情况的详细记录。对于直立单桩结构的最低试验冰速不应高于10mm/s，对于锥形单桩结构的最低试验冰速不应高于50mm/s，最高试验冰速应根据所模拟的现实海况条件确定。6.2.3.3试验中应根据结构几何对称特性、结构坐向、工程场址主/次冰向等，设置冰攻角条件，以保证对冰载荷随冰攻角变化情况的详细记录。6.2.4边界效应为避免边界效应，从模型作用位置到池壁的距离应保持在三倍特征长度以上。特征长度（Lc）按公式（1）计算：（1）式中，E——冰的弹性模量，单位为帕（Pa）；h——冰厚，单位为米（mν——冰的泊松比；ρw——水的质量密度，单位为千克每立方米（kg/m3g——重力加速度，单位为米每二次方秒（m/s2）。6.3校准试验中测试设备宜根据制造商的校准参考或应变式测力系统标定方法进行校准。7测量仪器设备7.1力传感器7.1.1总则力传感器的配置应按照本文件5.2.2中的规定执行。7.1.2规格7.1.2.1力传感器的量程应满足模型试验的要求。具体量程应能够根据实验室经验或通过试探性试验确定。7.1.2.2力传感器自身的测量误差应不大于1%。7.1.3防护等级GB/TXXXXX—XXXX8力传感器的防护等级应满足模型试验的要求。力传感器的耐低温指标不宜高于−20°C。对于水上应用，力传感器的防护等级应不低于GB/T4208中规定的IPX6级；对于水下应用，力传感器的防护等级应不低于GB/T4208—2017中规定的IPX7级。7.2数据采集系统7.2.1总则宜使用模拟-数字转换器（A/D）执行数据采集。A/D转换器宜考虑以下因素。7.2.2采样频率采样频率宜满足奈奎斯特-香农采样定理，即宜至少为测试需求中最高频率的2倍。采样频率不宜小于100Hz。7.2.3通道数量通道数对应于力传感器的数量，并留有一定的裕量。应对被测所有通道同时采样。7.2.4数据保存宜配备数据采集软件，可对测试数据进行可视化展示和数字化保存。7.3摄像机试验中应使用摄像机记录模型周围的冰破坏模式与碎冰运动。摄像机的画幅、分辨率及帧率应满足模型试验的要求。摄像机的防护等级按照本文件7.1.3执行。8试验步骤8.1冰条件模拟根据拟模拟的冰形态条件，在冰水池中制备达到目标参数值的模型冰条件。8.2模型安装调试试验前应对测试所需要的力传感器进行标定，并完成试验模型与传感器的安装。试验前宜进行数据采集系统的调试，以确保测试系统的正常工作状态。8.3模型冰性质测试试验前应对模型冰所要达到的相关性质，如冰厚、弯曲强度、压缩强度、弹性模量等，进行动态监测，直至相关目标参数满足目标条件要求时方可进行试验。宜在冰水池横向与纵向至少3个不同位置测试模型冰的参数。模型冰的性质测试方法可按照ISO19906中的附加信息和指南执行。8.4试验测试8.4.1测试工况应按照本文件6.2节中规定的试验工况逐一开展试验测试。8.4.2测试行程GB/TXXXXX—XXXX9试验中的测试行程应覆盖至少5次周期性冰破坏事件，并应使结构周围的碎冰堆积（如有）得到充分发展。8.4.3现象观测8.4.3.1应重点观察结构模型与冰接触各位置处的冰排破坏模式及相应的碎冰形态。具体的现象观测宜通过实时的影像拍摄手段，实现对冰体中裂纹扩展和碎冰形态进行详尽的记录，并根据需求进行后续分析。8.4.3.2碎冰堆积（如有）的深度和轮廓应予以测量和记录，测量过程应避免干扰碎冰堆积的发展和状态。宜按图2所展示的方式记录碎冰堆积的发展进程。图2碎冰堆积发展进程示意8.4.4数据采集与保存数据采集与保存应按照本文件7.2进行设置。宜在测试前将数据采集系统归零，并保存相应的数据采集基准或平衡文件。每组测试开始前和终止后宜保留5至10秒的空采段。9数据后处理与实尺度预报9.1总则宜对有效测试时间内冰力时程的峰值进行提取，并计算冰力峰值的平均值、标准差、1/3大值平均值、1/10大值平均值、95%上分位数和最大值等统计特征值。在无特殊要求时，试验中的极端冰载荷宜以最大值代表。9.2掩蔽效应如有，宜根据试验数据评估不同试验工况下的掩蔽效应。冰载荷的掩蔽效宜按照公式（2）进行量化：式中，Sc——前排桩柱对后排桩柱上冰载荷的掩蔽系数；fmax——后排桩柱所受冰载荷的极值，单位为牛（N）；Fmax——没有前排桩柱时（即无掩蔽的条件下），后排桩柱冰载荷的极值，单位为牛（N）。9.3非同时破坏效应如有，宜根据试验数据评估不同试验工况下的非同时破坏效应。非同时破坏效应宜按照公式（3）进行量化：（3）式中：β——非同时破坏系数；i——桩柱或子区域编号；n——桩柱或子区域总数量；fi——桩柱或子区域i所受的冰载荷极值，单位为牛（N）；Ft——结构的总冰载荷极值，单位为牛（N）。9.4碎冰堵塞效应如有，宜根据试验数据评估不同试验工况下的碎冰堵塞效应。碎冰堵塞效应宜按照公式（4）进行量化：（4）式中：η——碎冰堵塞效应引发的冰载荷放大系数；Fj——碎冰堵塞或堆积后，结构的总冰载荷极值，单位为牛（N）；Ft——未发生碎冰堵塞时，结构的总冰载荷极值，单位为牛（N）。9.5实尺度预报按照本文件6.1.4节中的规定执行。在具备相近条件实测案例的情况