摘要 工程中為了防止海冰帶來的災害 常采用相應的結構形式將冰破碎 本文所 研究的結構為板樁墻結構 采用破冰樁將大塊海冰初步破壞 以增加板樁墻的 穩定性 海冰的力學性質是影響海冰與結構物作用的內在因素 在冰排中應力 達到強度極限時冰力也達到極限 所以冰的強度直接決定著冰力的大小 板樁 墻與冰的作用可以分為兩部分 斜樁與冰的作用及板墻與冰的作用 對于斜樁 更多的考慮彎曲破壞 而對于板墻結構破壞形式主要為擠壓破壞和壓屈破壞 由于板樁墻結構與冰作用機理的復雜性 己不便于用公式求解冰荷載 故本課 題的研究將冰力模型試驗作為解決實際工程問題的主要手段 本文以冰試驗作 為重點 對實驗室設備 試驗原理做了詳細介紹 對模型設計 傳感器的標定 冰池水溶液的配置 降溫制冰 冰力測試等試驗步驟也進行了描述 冰力模型 試驗在天津大學冰工程實驗室已開展多年 本文吸取了前人寶貴的知識和經驗 并結合自己的親身實踐 對冰力模型試驗進行了更加系統的總結 期望對以后 從事冰試驗的工作人員會有一定的幫助 由于對試驗的每一個環節都進行了嚴 格的控制 試驗所得數據是可靠的 關鍵詞 板樁墻冰力冰模型試驗 a b s t r a c t i n a p r o j e c t w e o f t 饑u s e r e l e v 鋤ts 仇l 咖t o b r e a l u p i c e i i l o r d e r t o p r 刪t h e o c e a i li c ed i s a s t 既t h es t m c t u r em a tt h i sp 印e rs t u d i e si sas 脫tp i l ew a l ls 仉l c t u r e t h ep i l ec a n b r e a k l l p l el a r g ei c eb l o c k i n t os 瑚1 lp i e c e s i nt h i sw a y w ec a n e r l l l a n c et h es ta b i l i z a t i o no ft h es h e e tp i l ew a l ls 饑l c t i l r e t h em e d l a i l i c sp r o p e n yo f t l l eo c e a ni c ei st h ei n h e r e n tf a c t o rt h a ta e c t st l l ei n t e r 芒l c t i a l nb e c 飄 c e nt l l eo c e a ni c e 鋤dt h es 咖c t u l e w t 鹼nt h es t r e s so ft h ei c eb l o c kr e a c h e st h ei m e n s i t yl i m i t t 1 1 ei c e f o r c ea l s or e a d 圮s l el i l t l i tp o i n t s ot h ei n t e i l s i t yo fi c ed e t e n i l i n e st h ei c ef o r c e d 主r e c t l yt h ei n 衙a c t i o nb 咖e e nm es h e e tp i l ew a l ls t m c t u r ea i l dt h ei c el o a dc a nb e d i v i d e di n t o 附op a r t s 1 1 1 e 觚ti st h ei m e r a c t i o nb e 觚e e nt h ep i l ea n dm ei c e m e o m e ri sm ei m e r a c t i o nb e t w e e nt h es 1 1 tw a l la r l dt h ei c e t h ep r e s e n ti c ef 1 0 r c e f 鋤l c a i ln o tb eu s e dt 0t l l i ss t m c t u r cp r e c i s e l yb e c a u s eo ft h e 印e c i a l t i e so ft h e s h e e tp i l ew a l ls m l c t u r e t 1 1 i sp a p e ru s 骼i c et e s tm e t h o dt os 0 1 v et h ep r o b l 鋤o ft l l e p r o j e c t a n dt h ei c e m o d e lt e s ti st h em a i ns e c t i o no f t l l i sp a p 既t 1 1 i sp a p e rn o to i l l y i n 仃o d u c 錨t h e1 a b o r a t 0 1 ye q u i p m e m 鋤dt l l et e s tp r i i l c i p l ed e t a i l e d l xb u ta l s o d e s 硪b e st h et e s tp r o c e s s 叭c h 弱m o d e ld e s i 薩m g s e n s o rr a o r d i i l w a t e rl i q u o r c o n c o c t i n g i c em a k i n g i c ef o r c et e s 缸ga n ds o0 1 1 t h ei c ef 1 0 r c em o d e lt e s t1 1 a sb e e l l d o n ei nt h et i a 巧i nu n i v e r s i t yi c e 即西n e 舐n gl a b o r a t o r ys i i l c em a n yy e a r sa g o i c o m b i i l et h ef o m l e r s e x p 耐e n c ea 1 1 dl d l o w l e d g ew i t hw h a ti1 1 a v el e a m e d t h e ni 槲t et h ei c et e s ti m e 伊a l l yit l l i n kt h i sm a y b eh e l p 如l t om el a t t e rp e o p l e i i h ow o r ki n m i sf i e l d d u 血gt h et e s tw ec o n t r o l 既嘲ys e c t i o nv 盯ys t r i c t l xs ot h er 囂u l to fm e t e s ti sc r e d i b l e k e yw o r d s s h e e t p i l e a l l i c ef o r c e i c em o d e lt e s t 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特別加以標注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經發表 或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得墨鲞盤堂或其他教育機構的學位或證 書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意 學位論文作者簽氧 孥虢 簽字日期 幻 年歲月弓 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解墨鲞盤堂有關保留 使用學位論文的規定 特授權墨鲞盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢 索 并采用影印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學校 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 保密的學位論文在解密后適用本授權說明 學位論文作者簽名 專最j 匕 簽字日期 泐呂年f 月 d 日 導師簽名 簽字日期 洳d 呂年 月7 日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 海冰冰荷載研究的意義 隨著經濟的迅猛發展 海洋結構物越來越多的得到廣泛的應用 在寒冷地區 當要建造海洋結構物時 冰載荷往往要給予充分考慮 工程技術人員在寒冷的 有冰海區的勘探活動極大地推動了海冰的研究進程 1 9 6 7 年在高緯度地區m a c k e n i e 灣發現天然氣 此后 又在p r u d h o e 灣鉆井 發現油田 加拿大高緯度極區的石油和天然氣的蘊藏量為1 1 6 0 億桶 阿拉斯加 的石油和天然氣的蘊藏量為1 5 0 0 億桶 沿前蘇聯北極海岸線的石油和天然氣的 蘊藏量可達7 9 5 0 億桶 據勘測 極地資源約占全世界油氣產量的4 0 即使是 在庫克灣 渤海灣等中緯度有冰海區中 礦物 油 氣等資源也非常豐富 我 國秦皇島3 2 6 油田總探明儲量已達l 7 億噸 南堡3 5 2 油田的控制儲量也在 億噸以上 渤海最大的整裝油田蓬萊1 9 3 油田的發現更加展現了渤海良好的油 氣資源前景 伴隨著冰區資源的勘探與生產活動的發展 有冰海區海工建筑物 日益增多 工程實踐對海冰與結構物作用的研究提出了迫切的需求 對于會出現冰凍的寒冷海域 冰力對結構的影響往往是很嚴重的 在很多情 況下 冰荷載常常成為寒區海工建筑物的控制荷載 然而 在早期的海上建筑 物的設計制造中 由于對冰害的估計不足 很多國家都曾先后發生過海工建筑 物在海冰作用下被摧毀的工程事故 例如 1 9 6 2 年和1 9 6 3 年在阿拉斯加庫克灣 先后建造的兩座海上鉆井平臺 由于其設計強度未考慮冬季冰的作用力 均于 1 9 6 4 年冬季被海冰摧毀 1 9 6 0 年日本于雅內港外聲問崎海上設置的聲問崎燈標 于1 9 6 5 年3 月因受到強大的流冰群襲擊而倒塌 1 9 6 8 年2 月 萊州灣的海冰在 西南風的作用下爬上海岸和碼頭 致使龍口港碼頭的圍墻被冰推倒數處 使港 口作業受到很大影響 1 9 6 9 年2 3 月間渤海發生嚴重冰封 位于渤海灣的 海 一井 石油平臺支座的拉筋全部被流冰割斷 由底座互不連接的三個平臺一一 設備 鉆井和生活平臺構成的 海二井 被海冰推倒于海中 1 9 7 7 年渤海灣 海 四井 的烽火臺也被海冰推倒 眾多國內外海冰引起的工程事故使設計人員逐漸意識到海冰對寒區結構物 的巨大危害 自此人們在工程界和科技界全面展開了對海冰的研究 第一章緒論 1 2 我國海域冰清概況 我國雖地處熱帶 亞熱帶和溫帶 但我國的渤海和黃海北部 因地理位置處 于高緯度區域 冬季受西伯利亞南下冷空氣的直接影響 每年都有不同程度的 結冰現象 成為北半球海洋結冰的南邊界 因此 在我國渤海以及黃海北部建 造海上石油工程建筑物時 對于海冰應予特別重視 我國的結冰海區南北雖然僅跨四個緯度 最遠相距大約2 5 0 海里 但不同海 區冰情的差異很大 為了對冰情有一個基本的了解 下面就常年的冰情分區說 明 2 o 遼東灣 遼東灣是我國冰情最嚴重的海區 遼東灣于1 1 月中旬開始結冰 翌年3 月 中旬海冰消失 冰期約為四個月 冰期中1 月中旬至三月初期為盛冰期 遼東 灣北部冰情最重 冰期長 冰量多 冰厚1 5 1 0 0 厘米 中部次之 以浮冰居 多 冰厚在5 2 5 厘米之間 南部冰情最輕 冰厚在1 0 厘米以下 在盛冰期間 遼東灣北部的蓋平角至葫蘆島以北海區 沿岸固定冰的寬度為 1 5 公里 其中遼東灣頂端的河口和淺灘附近 固定冰的寬度可達5 1 0 公里 冰 的厚度一般為3 0 4 0 厘米 最大達到6 0 厘米 冰的堆積高度一般為2 3 米 最 大可達4 米以上 蓋平角至復州角以及葫蘆島至秦皇島一帶 沿岸冰寬度在o 1 2 公里之間 冰的厚度多為2 0 3 0 厘米 最大達到4 5 厘米 冰的堆積高度多為1 2 米 復州角及秦皇島以南海區 沿岸固定冰的寬度一般都在o 2 公里以內 冰的 厚度多為5 2 0 厘米 堆積高度為1 米左右 渤海灣 渤海灣于1 2 月上句開始結冰 翌年三月初海冰消失 冰期約為三個月 其 中一月下旬至2 月中旬為盛冰期 在盛冰期間 沿岸固定冰的寬度一般為0 1 o 5 公里 冰的厚度多為1 5 2 5 厘米 北部淺灘和南部河口附近 固定冰的寬度可達5 1 0 公里 冰的厚度多為 2 0 3 0 厘米 最大能達到4 5 厘米左右 海冰的堆積高度多為1 2 米 最大可達3 米左右 萊州灣 萊州灣于1 2 月中旬開始結冰 翌年二月底海冰消失 冰期為2 個半月左右 其中1 月下旬至二月上旬為盛冰期 在盛冰期間 沿岸固定冰的寬度多在0 5 公里以內 西岸和南岸的河口淺灘 附近 固定冰寬度可達2 5 公里 而東岸刁龍咀以北基本無固定冰 冰的厚度一 般為1 0 2 5 厘米 最大可達4 0 厘米左右 萊州灣的堆積現象較輕 堆積高度在 2 第一章緒論 一米以內 河口和淺灘附近堆積高度可達2 3 米 黃海北部 黃海北部于1 1 月中 下旬開始結冰 翌年3 月中旬海冰消失 冰期約為四 個月 其中1 月中旬至2 月中旬一個多月的時間為盛冰期 在盛冰期間 鴨綠江口至大洋河口一帶 沿岸固定冰的寬度為2 5 公里 厚 度為2 0 3 0 厘米 最厚時可達5 0 厘米左右 大洋河口至城山頭一帶 沿岸固定 冰的寬度從2 公里逐漸減至0 1 公里以內 冰的厚度一般為l o 一2 0 厘米 最大時 達3 5 厘米左右 堆積高度多在1 米以下 1 3 本文的研究背景及任務 大唐電廠擬建設在山東東營市 但是 對電廠發電機組的冷卻水要依靠豐富 的海水資源 由此向工程技術人員提出了如何在冬季保障供水的現實的研究課 題 在電廠提供的相關資料中指出 按中國海洋大學 海洋水文特征值分析報 告 本海區每年都出現不同程度的冰情 遇到重冰年將產生嚴重的海冰災害 海域結冰期每年平均約9 6 天 冰情嚴重期為1 2 月下旬至次年2 月中旬 盛冰 期約2 0 3 0 天 固定冰寬度2 5 k m 冰厚一般2 0 4 0 c m 5 0 年一遇平整冰厚 6 1 c m 實測流冰最大漂流速度o 6 3 州s 流冰方向在正常情況下與海流方向一致 風速大于8 i i l s 時基本與風向一致 冰塊水平尺度在5 l o m 之間 最大可達 1 0 0 m 流冰的主要形狀為圓形 在工程區域的南部方向 原建有一項能遮擋進水口工程的棧橋設施 其樁間 距為5 0 m 可將北流的冰排阻截為5 0 m 最大尺寸的流冰 但是 在工程區域的 北部方向 向南漂移的冰排則沒有攔截設施 存在出現較大冰排作用于工程結 構的可能性 工程設計本身除考慮冰排阻塞進水口的工程布設方向問題 還要 考慮冰排與工程結構作用的冰荷載問題 本文則主要研究明溝板樁墻結構受冰 排作用情況 板樁墻由板墻和斜樁結構組成 因此作用在板樁墻上的冰載荷要同時考慮兩 種結構與冰的作用 應用公式法進行計算時 由于各公式的局限性和板樁墻結 構的特殊性 現有的冰力公式沒有一個能比較好的應用于此結構 為了解決此 問題 本文把重點放在了冰力模型試驗上 在試驗過程中 嚴格按照原型 通 過一定的比尺來進行模型設計 單獨對于板墻結構或者具有簡單截面形式的斜 樁來說 對其進行冰力計算是比較簡單的 但是對于截面為非常規類型的斜樁 與板墻的組合結構在以前是沒有遇見過的 本文研究的問題是具有創新性的 浮冰在水流和風的驅動下會產生漂流運動 運動的冰體遇到水中的結構物阻 3 第一章緒論 攔后 要對結構物產生作用力 即冰力 冰對結構物作用力的大小或受驅動力 的限制 或受冰強度的限制 浮冰的面積越大 受到的動力也越大 通常 把面積足夠大的浮冰體稱為冰排 面積相對較小的浮冰體稱為流冰 大面積冰排在遭遇結構物時幾乎不改變原來的速度繼續向前運動 這時結構物 上的冰力將受到某種強度的控制 小面積的流冰受到的驅動力較小 它具有的 能量不足以使自身在結構物的迎冰面前破碎或完全破碎 所以只能滯留在結構 物前 或繞流而過 這時作用在結構物上的冰力稱為流冰撞擊力 水流和空氣 作用在冰排上產生的連續力稱為拖曳力 1 4 本文所做工作及成果 板樁墻結構與冰載荷的作用模型試驗已在天津大學冰工程實驗室順利進行 并得到很多寶貴的數據 為本論文的撰寫提供了有力的保障 本文主要進行了 以下工作 1 查閱冰工程相關文獻 了解冰工程熱點問題及未來發展趨勢 2 冰模擬試驗工作 主要包括 模型設計 安裝 傳感器標定 調整 試驗操作 控制 數據收集 記錄等 3 處理冰模擬試驗所得數據 4 總結試驗研究工作 并獲得初步結論 為實際工程提供參考依據 4 2 l 海冰的結構 第二章海冰的物理力學性質 冰是一種晶體材料 自然界的冰都屬于對稱的六方晶系 但單個淋晶體的外 形和尺寸卻有很大不同 它們可能呈片狀 粒狀或柱狀 尺度可以由l m m 左右 至幾厘米 冰晶格的對稱軸垂宜于 基面 基面為若干互相平行的平面 冰沿 與摹面平行方向發生相對位移時 需要破壞的分子結合點的數耳明顯少于沿其 他方向位移時的情況 這說明當冰的晶格有序排列時 冰的變形和強度是各向 異性的 圖2 海冰晶體結構圈 1 一細粒區 2 一過渡區 3 一柱狀 3 軸沿水平面無一定方向 3 b c 軸沿水平面有一定方向 圖2 1 為海冰晶體結構圖 海冰的上表層是細粒區 一般由細小的粒狀冰晶 組成 其厚度取決于結冰時的海況條件 可從幾毫米到2 0 毫米左右 表層以下 為過渡層 其冰晶體開始有沿生長方向變長的趨勢 過渡層以下為冰排的基本 結構層 常稱為柱狀冰層 這里的冰晶體明顯地沿生長方向即垂直方向變長 冰的晶格對稱軸 稱為c 軸 位于與水面平行的平面內 第二章海冰的物理力學性質 2 2 海冰的鹽度 海水中溶解了大量的鹽類 在海水結冰的過程中 其中的水分子變成冰分子 而溶解的鹽分則不斷的被排析到海水里 這些海水因為溶有較多的鹽分而被稱 為濃鹽水 濃鹽水的比重比海水大 因而不斷下沉 但是 在海冰從冰晶發展 到具有一定厚度冰層的過程中 總有一部分濃鹽水來不及流出而被包圍在冰晶 的空隙里 這就形成了鹽泡 因此 海冰不同于淡水冰 海冰是固體冰晶 鹽 泡和少量氣泡的混合物 海冰融化后所得的海水的鹽度 稱為海冰的鹽度 海冰的鹽度是海冰的一種 重要特性 它的大小主要取決于三個因素 1 形成海冰的海水的鹽度 一般說來 海水的鹽度越高 它所形成的海冰 的鹽度也越高 反之 海水的鹽度越低 它所形成的海冰的鹽度也越低 由于 海冰形成時 總有部分鹽水被排析出去 所以 海冰的鹽度都比形成它的海水 的鹽度低 通常 新形成的海冰的鹽度 多在構成它的海水鹽度的l 6 到l 4 之 間 2 海冰的凍結速度 海冰的凍結速度越快 冰層厚度的增長也越快 較多 的鹽分來不及析出 形成的海冰的鹽度相應就比較大 反之 海冰的凍結速度 越慢 形成的海冰的鹽度就越小 海冰的凍結速度取決于海水結冰時周圍空氣 的溫度和空氣降溫的速率 結冰時氣溫越低 降溫越快 則海冰的凍結就越快 因此 在海冰的表層 由于海水直接與冷空氣接觸 凍結速度較快 并且冰晶 間的空隙較大 晶體的軸向混亂 鹽分析出的就比較少 而隨著冰厚的增加 海冰的生長變得緩慢 并且冰針具有比較規則的垂直定向排列 鹽分析出的就 比較多 可見 鹽度在冰層中的分布是由上向下逐漸降低的 3 冰齡 一般情況下 冰齡越長 海冰的鹽度越小 這是由于鹽泡中濃鹽 水的比重比冰的比重大 所以在重力作用下 濃鹽水不斷的向下沉降 同時 鹽泡中的濃鹽水總是有向溫度高的方向遷移的趨勢 而冰層下部的溫度比上部 高 這也使得濃鹽水不斷的向下沉降 此外 當海冰經過夏季時 冰面融化也 會使冰中的濃鹽水流出 導致鹽度降低 因此 隨著海冰冰齡的增加 析出的 濃鹽水就越多 海冰的鹽度就越小 2 3 海冰的密度 單位體積內海冰的質量稱為海冰的密度 海冰的密度是海冰重要的物理性質 6 第二章海冰的物理力學性質 之一 它直接決定著海冰的抗壓強度 海冰的密度取決于海冰的溫度 鹽度和氣泡的含量 海冰的鹽度越大 密度 也越大 海冰所含氣泡越多 密度就越小 海冰的密度與溫度的關系比較復雜 當溫度降低時 高鹽度海冰的密度總是減小 而對于低鹽度海冰來說 隨著溫 度的降低 海冰的密度先是不斷減小 當溫度降到某一值后 隨著溫度的降低 海冰的密度反而不斷增大 并且 海冰的鹽度越大 海冰密度發生轉折性變化 的溫度就越低 2 4 海冰的熱性質 海冰的比熱容受鹽度和溫度的影響較大 一般的 它隨著鹽度的增大而增大 隨著溫度的降低而有所降低 在低溫時 由于海冰中含有的鹵水較少 因此比 熱容隨溫度和鹽度的變化都不太大 接近于純水冰的比熱容 但在高溫時 尤 其是在冰點附近 由于海水中的鹵水隨溫度的升降有相變 即降溫時鹵水中的 純水結冰析出 升溫時冰融化進入鹵水之中 從而使其比熱容有大幅度的減小 或增大 海冰中含有氣泡 而空氣的熱傳導系數很小 因而 海冰的熱傳導系數比純 水冰小 由于海冰上層的空隙比下層的空隙多 所以海冰的熱傳導系數隨著深 度的增加而增大 超過1 米的海冰的熱傳導系數與純水冰的熱傳導系數相當 而表層海冰的熱傳導系數約為純水冰的1 3 左右 海冰的熱膨脹系數隨著溫度和鹽度而變化 對于低鹽度的海冰 它隨著溫度 的降低開始是膨脹 繼之則變為收縮 即隨著溫度的降低 低鹽度的海冰先是 冷脹熱縮 而后又變成熱脹冷縮了 并且 海冰由冷脹熱縮變為熱脹冷縮的溫 度臨界值隨海冰鹽度的增加而逐漸降低 對于高鹽度的海冰 它隨溫度的降低 始終是膨脹的 但膨脹系數越來越小 2 5 海冰的力學性質 海冰的力學性質是影響海冰與結構物相互作用的內在因素 研究海冰和結構 物的相互作用就必須先了解海冰的基本力學性質 海冰與結構物的相互作用形式主要有以下幾種 1 巨大冰層包圍了結構物 在潮流與風力的作用下 大面積冰層整體移 動 擠壓結構物 如果結構物的強度足夠 冰層將穿越結構物 并引起強烈振 7 第二章海冰的物理力學性質 動 2 自由漂流的流冰 沖擊結構物而產生的沖擊力 3 整體冰層由于溫度變化引起膨脹 產生擠壓結構物的膨脹力 4 與結構物凍結在一起的冰層因受潮流和風的影響而移動 產生對結構 物的拖曳力 由于水位下降而產生向下的附加重力 由于水位上升而產生向上 的附加浮力 5 海冰與結構物之間的摩擦力 在上述海冰與結構物的作用形式中 對海洋結構物危害最大 最普遍受人們 關注的是第一種作用方式 即大面積冰層整體移動時對結構物產生的作用力以 及因此而引起的振動 當運動的冰排受到結構物阻攔時 對結構物產生的作用力隨冰排的運動而逐 漸增大 當增至足夠大時 冰排自身破壞 它對結構物的作用力也隨之達到極 值 冰力這種變化過程受控于冰排的破壞類型 所以 冰排自身破壞的類型和 過程直接決定著它對結構物作用的模式 過程和作用力的大小 通常情況下 移動的冰排在結構物前可能產生的破壞類型有 1 擠壓破壞 如圖2 2 a 所示 冰排在樁柱的接觸面上因受擠壓而逐塊斷 續破碎 2 壓屈破壞 如圖2 2 b 所示 大面積冰排與海工結構物接觸 冰排由 于受壓而失穩 首先在樁柱前隆起 然后破壞 3 縱向剪切破壞 如圖2 2 c 所示 當冰排的剪應力達到強度極限時 產 生與運動方向平行的裂縫 造成冰排破壞 這種破壞容易出現在薄冰中 4 彎曲破壞 如圖2 2 d 所示 當冰排與具有一定坡度的結構物相接觸時 形成受彎的梁或板 最終因彎曲而破壞 臚爐 e b c 圖2 2 冰排的幾種破壞類型 以上四種破壞形式是冰排與結構物相互作用的最基本的破壞形式 3 由于 冰排對結構物的作用力在自身破壞時達到極值 即在冰排中應力達到強度極限 時冰力也達到極限 所以冰的強度直接決定著冰力的大小 海冰的抗壓強度 拉伸強度 剪切強度和彎曲強度對冰排的這四種基本破壞形式起著主要的控制 8 第二章海冰的物理力學性質 作用 因此 在研究海冰與結構物的相互作用前 必須先對海冰的這些基本力 學性質作一簡要了解 2 5 1 海冰抗壓強度 擠壓破壞是平整冰層和海上的直立結構物作用時的主要破壞形式之一 因 此 海冰的單軸抗壓強度是冰荷載計算中的一個重要參數 冰是一種彈塑性材料 它的強度與應變率 或應力率 有著密切的關系 當 加載速率很慢時 有充分的時間讓冰晶體沿邊界錯位滑移 并且沿邊界產生足 夠多的微裂縫 隨著荷載的增大 這些微裂縫開始擴展直到破壞 這時冰表現 為變形較大的韌性破壞 當加載速率很快時 沒有時間讓冰晶體沿邊界充分滑 移 一旦出現裂縫就馬上破壞 這時冰表現為變形較小的脆性破壞 當冰既可 能發生韌性破壞又可能發生脆性破壞時 此時的冰處于韌脆轉變區 圖2 3 是某 結冰海區s 型冰的仃 毒試驗曲線 從圖中可以看到 在韌性區時 仃 隨著舍的 增加而增大 在脆性區時 仃 隨著圣的增加而急劇減小 在韌脆轉變區時 仃 達 到最大值 厶 a 寸 lv i l 從 j 一 一 y 一一 圖2 3 冰擠壓強度仃 與應變速率圣的關系 在海冰試樣與冰溫關系的試驗研究中發現 海冰的溫度越高 抗壓強度越小 若溫度驟然升高 抗壓強度一般會減小5 0 以上 鹽水體積對海冰的抗壓強度也有很大的影響 隨著鹽水體積的增大 海冰的 抗壓強度降低 因為 鹽水體積增大表明海冰中含有的鹽分增多 海冰內的原 始微裂縫就增多 根據海冰破壞的裂縫擴展理論 海冰破壞的可能性就增加 海冰的強度就隨之降低 此外 鹽水體積的增大 使得海冰的有效承載面積減 小 這也降低了海冰的強度 9 第二章海冰的物理力學性質 2 5 2 海冰拉伸強度 海冰強度對于童 或寸 的敏感性 在抗壓強度的試驗中很明顯 但對于拉 伸強度來說 學術界一直沒有統一的觀點 然而 有很多的學者發現 當應力 率處于某個范圍內時 加載速率對拉伸強度有影響 不過影響不是很大 離開 這個應力率范圍 拉伸強度與加載速率無關 這個應力范圍的具體數值 各個 學者通過試驗得到的結果相差較遠 隨著鹽水體積的增加 海冰的拉伸強度降低 隨著冰溫的降低 海冰的拉伸 強度增大 加載方向對拉伸強度也有很大的影響 2 5 3 海冰剪切強度 海冰的剪切破壞是海冰與海上結構物相互作用時的基本破壞形式之一 海冰 剪切強度是海冰的基本材料特性 海冰的晶體是各向異性的 在不同的方向上加載 會呈現不同的強度 試驗 研究表明 海冰垂直于冰晶生長方向的剪切強度要大于平行于冰晶生長方向的 剪切強度 海冰的剪切強度與應力率有著明顯的關系 在不同的應力率下表現出不同的 剪切強度 大量試驗證明 海冰的剪切強度隨著應力率的增大而降低 冰溫和鹽度對海冰剪切強度的影響和前面討論的相似 剪切強度隨著冰溫的 降低而增大 隨著鹽度的增大而降低 2 5 4 海冰彎曲強度 當海上結構物具有傾斜表面時 平整冰層將沿斜面上爬 發生彎曲破壞 此 時 冰荷載的計算將以海冰的彎曲強度為基礎 海冰的彎曲強度同樣也受到加載速率的影響 圖2 4 是海冰的彎曲強度隨加 載速率的變化情況 當海冰處于延性破壞范圍內時 隨著應力率的增大 海冰 的彎曲強度也隨之增大 海冰試樣發生明顯的裂紋擴展過程 應力率繼續增大 海冰的彎曲強度將達到最大值 此后 隨著應力率的增大 海冰的彎曲強度將 很快降低 由于這時的海冰處于脆性階段 一旦出現裂紋 海冰試樣將馬上破 壞 幾乎觀察不到裂紋擴展過程 同海冰的抗壓強度相似 隨著鹽水體積的增大 海冰的彎曲強度減小 1 0 第二章海冰的物理力學性質 黔 一 式 囂 菇 緞 麓 參 震力謦 強瓢紐 圖2 4 海冰彎曲強度與應力率的關系 海冰的彎曲強度隨著冰溫的降低而增大 這是因為海冰的彎曲破壞實質上是 梁的下邊緣 或上邊緣 纖維的拉伸破壞 而海冰的拉伸強度隨冰溫的降低而 增大 所以海冰的彎曲強度也隨著冰溫的降低而增大 在海冰的彎曲試驗中發現 向下加載時冰梁的強度大于向上加載時冰梁的強 度 產生這個結果的原因有兩個 首先 向下加載時 冰梁除了受到外荷載的 作用外 還受到海水向上的浮力作用 這將部分地抵消外荷載的作用 因而使 測得的彎曲強度較大 其次 海冰的彎曲破壞受到海冰拉伸強度的控制 由于 海冰上表面的冰溫低于下表面的冰溫 即上表面的拉伸強度大于下表面的拉伸 強度 所以 向下加載時由上表面破壞測得的彎曲強度要大于向上加載時由下 表面破壞測得的彎曲強度 第三章冰模擬試驗與發展 3 1 冰模擬試驗概況 第三章冰模擬試驗與發展 冰與結構相互作用的試驗研究起源于極地與寒冷地區的商業航行 海洋石油 開發與水利工程等各項事業的蓬勃發展 追求工程結構和人員安全的實際要求 以及對冰工程的高效率的商業運營利益的期望促使人們越來越關注冰與結構相 互作用機理以及實際工程中的冰問題 如破冰船艏的破冰性能 海洋石油平臺 的抗冰結構型式以及水工結構物的設計參數等 寒冷地區發達或較發達的國家 首先開始了冰模擬試驗的嘗試 1 9 5 5 年蘇聯在列寧格勒建起了世界上第一座低 溫冰池試驗室 其后在德國 芬蘭 挪威 日本 加拿大和美國先后建造了十 數座低溫冰池實驗室 1 9 8 5 年加拿大國家科學院在紐芬蘭島i m d 海洋動力研 究所 建立了世界上最大規模的冰池實驗室 該冰池長8 0 米 寬1 2 米 深3 米 見表3 1 自8 0 年代中期以后 新冰池建設的速度放緩 人們的注意力開 始轉向高質量模型冰的研制和相關實驗技術提高與理論方面的發展 第二代尿 素模型冰的實現與推廣是這一時期主流的體現 目前 對于靜冰力模擬試驗的 技術與理論已經發展為較為健全和成熟的體系 自9 0 年代中期開始 人們開始 嘗試用冰模擬試驗的方法進行結構動冰力的試驗研究 由于對冰與結構動力相 互作用機制存在著由來以久的爭論 并在實踐中遇到的問題如模型相似律問題 至今還沒有得到令人滿意的解決 因此 動冰力模型試驗的相關理論和技術還 處于探索與發展的階段 天津大學已于2 0 0 2 年通過承擔國家8 6 3 項目為契機開 始了這方面理論與技術的研究與實踐 我國開展冰與結構相互作用的室內低溫模擬試驗起源于海洋開發事業發展 的需要 1 9 6 9 年和1 9 7 6 年渤海灣發生了嚴重冰情 兩座海洋平臺被冰推倒 造 成重大的經濟損失 對我國從1 9 6 5 年剛剛起步的海洋石油開發事業也是一次沉 重的打擊 從1 9 6 9 年天津大學開始參與海冰與海工結構物相互作用的研究 由 于寒冷地區冰工程所處的環境惡劣 現場實測的工作受到了極大的限制 又由 于冰期的限制 重現現場工況也存在著不可為的現實困難 因此 重現危險工 況 有目的的設計試驗參數對冰與結構的相互作用的機理和冰力進行系統的試 驗研究成為我國冰工程的迫切需要和必須的手段 在這種背景下 天津大學小 型冰池于1 9 8 7 年建成并投入實際生產問題的研究 為了放大試驗比尺降低試驗 的失真度 提高模擬試驗的整體水平 天津大學1 9 9 5 年又建成了大型低溫冰池 實驗室 使天津大學冰工程實驗室成為我國唯一可進行冰與結構相互作用低溫 1 2 第三章冰模擬試驗與發展 模擬試驗的重要基地 自小型冰池建成以來至今 成功進行并完成了數十項國 家自然科學基金與生產單位的科研項目 為我國冰工程的研究與發展做出了重 大的貢獻 到目前為止 世界上除商業性和國家機構擁有的冰池試驗室外 只有美國的 愛荷華 i o 啪 大學 芬蘭的赫爾辛基 h e l s i n i 大學和我國的天津大學等三所學校 擁有低溫冰池試驗室 這也奠定了天津大學在國內冰工程試驗和研究領域的重 要地位 s 表3 一l 國際 低溫 冰池實驗室列表 序號建成時間國家 所在地所有者冰池尺寸 11 9 5 5 蘇聯 列寧格勒北極和南極研究所 1 3 5 l 9 1 7 21 9 6 9 芬蘭 赫爾辛基w a r t s i l a 船舶建造局3 7 4 8 1 2 31 9 7 l 德國 漢堡漢堡船舶模擬實驗水池 3 0 6 1 2 4t 9 7 4 美國 哥倫比亞市a r c t e c 有限公司 3 0 x 3 7 1 5 51 9 7 7 加拿大 安大略省加拿大 l r c t e c 公司 3 0 4 9 1 5 61 9 7 9 美國 漢諾威寒冷地區研究和工程實驗室 3 7 o 9 2 2 5 71 9 8 0 加拿大 渥太華國家科學研究院 2 1 o 7 0 1 2 81 9 8 1 日本 東京日本船舶研究學會 運輸部 3 5 o 6 o 1 8 9 1 9 8 1日本 t s u 市t s u 研究實驗室 n i i 2 0 o 6 0 1 8 1 01 9 8 2 美國 愛荷華大學愛荷華水力研究學會 2 0 0 5 o 1 3 l l1 9 8 2 挪威挪威水動力實驗室 2 5 0 2 5 1 0 1 2 1 9 8 3芬蘭 赫爾辛基w a r t s i l a 北極研究中心7 7 3 6 5 2 3 1 31 9 8 4 德國 漢堡漢堡船舶模擬實驗水池 7 8 o x1 0 o 2 5 1 41 9 8 5 加拿大 紐芬蘭島國家科學院 8 0 o 1 2 0 3 0 1 51 9 8 7 中國 天津大學天津大學冰工程實驗室 5 4 5 2 0 1 o 1 61 9 9 5 中國 天津大學天津大學冰工程實驗室 2 0 0 5 0 1 8 注 非冷凍冰模擬試驗池均未列與表內 3 2 冰模擬試驗的相似準則 一切模型試驗都要遵循一定的模型律 冰力模型試驗也不例外 冰力模型試 驗是一種特殊的試驗 因為它除了必須遵循液流模型試驗的模型律外 同時 第三章冰模擬試驗與發展 冰作為一種材料 其材料的力學特性同樣也直接關系到試驗的結果 這是因為 1 在海面上漂流的冰排匯集了風和海流的能量 在這些能量驅動下冰排 在運動中通過和結構物的接觸又把能量傳遞給結構物 因此 它具有液流模型 試驗的一切特點 相應地就必須遵循液流模型試驗的模型律 2 冰排雖然匯集了海流和風的能量 但往往又不能把這些匯集的能量全 部傳遞給結構物 傳遞的多少要受冰本身強度的限制 所以 冰力模型試驗同 時也是一種材料的力學特性的模型試驗 這種材料就是冰 因而它又必須同時 再滿足材料的力學特性相似的特殊要求 基于以上原因 冰力模型試驗必須同時遵循以下一些相似準則 9 3 2 1 弗汝德數相等 遵循液流模型試驗的幾何相似 運動相似 動力相似和邊界條件相似的準則 這是最一般的準則 其中 在動力相似中要滿足重力相似的要求 在動力學中 最普遍的規律是牛頓第二定律 即 訛 m 坐 3 1 砧 砧知 乃 九刀以2 3 2 設模型和原型對應物理量的比尺為入 即在對應點上力的比尺為入f 速度 的比尺為入v 時間比尺為入t 則動力相似體系之間必然有 式 3 2 就是動力相似的相似指標 當動力相似中滿足重力相似時 首先給出重力的表達式 f 餾 3 3 繼而有 砧 知九 礁以 3 4 式 3 4 為重力相似的表達式 比較式 3 4 和式 3 2 得 堡 l 3 5 九g 由式 3 5 得 2 專 6 上式中的f r 為弗汝德數 式 3 6 表示在重力相似的各體系中 即模型和 1 4 第三章冰模擬試驗與發展 原型中 弗汝德數應該相等 這就是滿足重力相似的條件 在有的文獻中 弗 汝德數又表示為 式 3 6 和式 3 7 兩種表達式在由緩流向急流過渡的臨界狀態下 f r 的 數值相同 都等于1 o 言 3 7 由于式 3 6 的物理意義明確 其分母 為重力波的傳播速度 所以采用式 3 6 來表示重力相似的條件 3 2 2 柯西數相等 為保證冰這種材料的力學特性的相似 要求滿足彈性力相似的準則 也就是 說 冰力模型試驗中的動力相似除包括重力相似外 還包括彈性力相似 為此 首先建立彈性力方程 仃 蘭 髓 3 8 c r 一 上 l j 芍 彳 式中 e 應變 e 一彈性模量 從而有 o 砧丸九 砧丸麓 3 9 因為無量綱數 的模型比入 1 所以式 3 9 可化簡為 砧 砧麓 3 1 0 比較彈性力相似公式 3 1 0 和動力相似的普遍關系式 3 2 可得 丸 允 正 3 1 1 即 垡 l 3 1 2 a 由式 3 1 2 可導出 q 等 協1 3 c a 稱為柯西數 式 3 1 3 為動力相似中滿足彈性力相似的關系式 該式的 意義是 在動力相似中要滿足彈性力相似 就要使模型和原型中的柯西數相等 1 5 第三章冰模擬試驗與發展 即 旦監 堡笠 3 1 4 e me 式中 p po 模型和原型中對應質點的材料密度 em ep 模型和原型中對應質點的材料彈性模量 vm v 廣模型和原型中對應質點的運動速度 根據重力 慣性力和冰的彈性影響的重要性 冰力模型試驗必須同時滿足式 3 6 3 1 3 由此導出冰力模型試驗中一些主要物理量的比尺如表3 2 表3 2 冰力模型試驗中一些主要物理量的比尺 物理量原型數模型數物理量原型數模型數 線性尺度厶l 尋l 九加速度 a 9 a fa o s 時間砟 t f t 礦5力r f i f 入3 質量脅m i 產m x s強度西o f 6 p 密度 pppfp x 4 5 彈性模量 e p踣e x 速度詐v fv p 入 s應變速率p fe 噸s 特征長度 厶 l f l 入摩擦系數 p 中 3 3 模型冰 3 3 1 模型冰的發展與討論 冰與結構相互作用的室內模型試驗雖然已經經歷了近5 0 年的時間 但是到 目前為止仍然面臨如何按比例降低冰的強度并正確實現對原型冰 含鹽冰 淡 水冰 的各種物理和力學性質的模擬 甚至可以認為 冰模擬試驗的歷史就是 模型冰研究與發展的歷史 模型冰的質量直接控制了冰模擬試驗的質量 現場冰的力學性質的測量數據 為室內模型冰的研制提供了第一手參考依據 人們將這些原型指標作為衡量模 型冰理想與否的標準 但是 由于冰性質的復雜性以及模型冰制備技術的局限 性 要做到模型冰與原型冰完全相似幾乎是不可能的 驗證模型冰質量的標準 只能是以模型冰與原型冰相似方面的多少和相似的程度如何 1 6 第三章冰模擬試驗與發展 實際上 試驗技術人員早已從不同的工程實際角度去實踐模型冰的研制 譬 如 對于破冰船艏的冰阻力試驗 人們更多的著眼于向下彎曲強度 冰蓋厚度 冰與結構的摩擦系數和冰片尺寸等方面 對于垂直剛性結構的冰荷載試驗 人們更著眼于冰蓋厚度 單軸和側限擠壓 強度 彈性模量以及裂縫型式等方面 對于斜面剛性結構的模型試驗 人們則把冰蓋厚度和向上彎曲強度放在首先 考慮的位置 當然也考慮到了冰與結構表面的摩擦等方面 對于冰水力學模型試驗 人們將突出考慮的重點放在冰蓋厚度和比重兩個方 面 而把冰晶結構問題置于非常次要的地位 綜合上述的原因 模型冰的種類不拘一格的發展起來 到目前為止 模型冰 基本被分類為冷凍冰和非冷凍冰兩大類 下面以原型冰的物理力學性質為線索 對幾種模型冰予以評價比較 m 1 2 1 原型冰 海冰 海冰基本是由平均含鹽量為3 5 的海水在天然低溫條件下凍結而成 下述 的海冰典型數值是相對于作為基本標準的 2 1 含鹽量為0 0 1 6 的冷冰 c o l d i c e 和一3 含鹽量為o 0 7 8 的暖冰 w 抽ni c e 而言 冷冰的彎曲強度值仃 0 8 m p a 暖冰則為仃 0 5 m p a 無論是冷冰或是暖冰 他們的向上和向下彎曲強度的比值均等于l 冷冰的彈性模量e 和彎曲強度仃 的 比值為4 6 0 0 e 口 3 7 0 0 o 8 4 6 0 0 暖冰的比值為3 4 0 0 e 仃 1 7 0 0 0 5 3 4 0 0 t i m c o 根據世界各地獲得的資料進一步統計得出e 仃 的比值范圍為 2 0 0 0 到8 0 0 0 之間 海冰的內部結構主要特征為柱狀結構 c 0 1 u m n a r 就一個 標準試樣而言 垂直擠壓強度 加力方向平行于柱狀冰晶體 是水平擠壓強度 加力方向垂直于柱狀冰晶體 3 倍左右 無論是物理性質或是力學性質都明確 體現了各向異性的特征 2 冷凍模型冰 冷凍模型冰由于制冰過程相似于原型冰的形成條件 首先滿足了物理性質與 原型冰的相似性 其力學性質的控制隨著制冰技術的也逐步趨向成熟 基本滿 足了各向異性的重要特性 結合冷凍模型冰的發展過程簡介如下幾種 鹽水冰 1 9 5 7 年在蘇聯列寧格勒的冰池中首次使用 水溶液含鹽量為 2 3 通過凍結在冰蓋內的鹽的融化達到降低冰強度的目的 但是 這種冰的 彈性模量太低并顯示了不合理的彈性變形 這期間噴霧引晶技術得到了運用與 發展 由此產生了小晶體的柱狀晶格結構的冰 1 9 7 5 年德國學者s c b 啪r z 發展 了回溫降低冰強度的技術 并把含鹽量降低為o 6 由此制成的模型冰內部結 1 7 第三章冰模擬試驗與發展 構仍相似于原型冰 且有較高的e of 比值 從而改善了模型冰的質量和制冰技 術 但這種模型冰對抗彎強度的模擬僅限于1 0 1 5 的模型比范圍 否則 彈性 模量與彎曲強度的比值將處于嚴重失真和無法控制的狀態 限制了冰力模型試 驗的應用范圍 尿素冰 u r e ai c e 1 9 7 9 年t i m c o 從多種化學添加劑中發現以尿素作為 添加劑的模型冰 在縮尺試驗中其物理量可以滿足模型比尺的要求 目前正被 各國大多數冰池實驗室采用 稱為第二代模型冰 這種模型冰的模擬范圍最高 可達1 4 0 而且仍能保持很好的e of 比值 還對盯 仃 和呸和 破壞 包跡 等諸方面的性質與原型冰及鹽水模型冰進行了比較 結果證明 尿素作 為添加劑的模型冰更大程度的與原型冰相似并優于鹽水模型冰 在物理力學性 質的控制和制備方法方面同樣采用了噴霧引晶技術和回溫技術 f g 冰 8 0 年代中期 心發明了一種新型的冷凍冰 即f g 冰 f i i l e g r a m 這種冰仍使用了鹽作為添加劑 并將噴霧用于冰蓋生長的全過程 這種冰的內部結構為小晶體晶粒狀和柱狀的混合結構 不同于完全是柱狀結構 的原型海冰 這種冰限制了正確模擬海冰的單軸擠壓強度和側限擠壓強度與原 型海冰的相似性 限制了對冰模擬試驗的適用范圍 芬蘭學者在a o r c 采用了 種細粒酒精冰 主要特點是其性質接近各向同性 用于研究破冰船作用下冰 的彎曲破壞 但由于和海冰晶體構造不同 不能反映海冰的各向異性 對研究 冰在樁柱前的破壞不適合 e g a d s 冰 后來 加拿大學者t h c o 又提出了添加乙醇 脂肪族洗滌 劑和白糖的第三代摻合模型冰 e g a d s 冰 它可以改善第二代模型冰中裂 縫少于天然冰的缺陷 也不同程度地改善了模型冰分為強度不等的三層的現象 但是 這種模型冰在制備時 需要在水面加強水平風速 增加水溶液中的熱量 快速的蒸發 以干擾表面硬層的形成 因此 制成的冰蓋表面極易出現突凹不 平的現象 加拿大國家科學院在渥太華和紐芬蘭島的兩座冰池實驗室使用了 e g a d s 冰 筆者曾在紐芬蘭島加拿大國家科學院的大型冰池具體考察了 e g a d s 冰 該冰池制作的e g a d s 冰的表面雖然平整但仍存在分層的問題 但在某些模型冰性質方面與尿素冰相比有所改進 由于成本和尚存在的問題此 種模型冰至今沒有得到很好的推廣 3 非冷凍模型冰 非冷凍冰的產生是隨著人們期望降低冰池建設的高昂成本或進行某項專題 的試驗研究所進行的嘗試 到目前為止 曾有用石蠟 木塊 泡沫塑料板以及 目前國內出現的塑料顆粒 樹脂和水泥混合模制而成的模型冰 但是 由