柔性直立结构挤压冰荷载的冰速效应及形成机理分析

With the reduction of ice cover in the Arctic under the trend of global warming, the development of polar marine resources increases obviously. The flexible vertical structure, such as lighthouse, offshore platform, wind turbine foundation, is commonly used for ocean engineering in the cold region. The characteristics and mechanism of the crushing load for the flexible vertical structure under different ice velocity need to be understood comprehensively to assist ice-resistant design, ice breaking capacity and operation security. Therefore, this project will determine the conditions of the simultaneous crushing failure, the physical mechanism of ice induced self excitation, and the brittle crushing fracture mechanism behavior, based on the prototype test to obtain the real data of ice force, structural response and other related information according to the damage feature of ice cover during the interaction between sea ice and flexible vertical structure. Finally, the project will establish the prediction model for crushing ice load considering the ice velocity effect, and through the field monitoring and the model test to verify the rationality. The performance of this study will provide solid theory foundation for ice-resistant design and construction in the polar and sub-polar regions.

随着北极海冰在全球气候变暖趋势下的迅速消融，极地海洋资源的开发不断增强。灯塔、海洋油气平台、风电基础等柔性直立式结构是寒区海洋工程常用的结构形式。为解决该类结构的抗冰设计、抗冰能力分析和冰区安全保障等工程问题，需要对柔性直立结构在不同冰速下的挤压冰荷载特性及机理进行深入研究。为此，本项目针对海冰与柔性直立结构作用时的破坏特征，在冰荷载与结构响应同步实测的基础上，采用流固耦合破坏力学理论，明确海冰挤压同时破坏的发生条件，冰致自激振动的物理机制，海冰脆性挤压破坏的力学行为；建立不同冰速下海冰荷载计算模型，并结合现场监测与室内模型试验加以验证。本项目通过对柔性直立结构挤压冰荷载特性及机理的研究，建立冰力模型，为极区与亚极区海洋工程结构的设计、建造提供有力的科学依据。

柔性直立结构是结冰海域最常用的结构形式之一，典型代表结构有导管架石油平台、海上风力发电塔、灯塔等。目前人们在冰区海冰工程结构基本设计中处于不断探索阶段，关键的核心问题是如何准确计算海冰破碎产生的荷载。在不同的宽厚比和加载速率组合下，海冰挤压破坏形成荷载的过程非常复杂，一直是工程与学术界关注的热点问题。本项目围绕海冰与柔性直立结构相互作用的动力耦合问题，开展海冰挤压破坏力学模型、现场原型监测、室内模型试验等方面的研究，揭示柔性直立结构冰荷载的基本特性及机理，从而建立不同冰速下海冰荷载的预测模型。. 本项目围绕慢冰速塑性破坏区、稳态振动下韧脆转变区、快冰速脆性挤压破坏区三方面取得研究成果。针对慢冰速下海冰与柔性直立结构作用时的破坏规律，明确挤压同时破坏的发生条件，证明冰板挤压破坏时非同时破碎理论提出的“低值冰力”公式不适窄体直立结构，并验证挤压同时破碎的发生条件，结合慢冰速下极值冰力室内模型试验，建立挤压静冰荷载模型。针对冰板的应变速率进入韧脆转变区的特点，采用裂纹损伤理论，明确振动周期内冰板的受力变化特征，通过应力、应变速率、裂纹密度等物理量建立冰致柔性直立结构自激振动的量化物理机理模型，并利用现场实测数据进行验证；采用冰厚、冰速、结构直径、刚度、频率等参数揭示冰致结构自激振动的发生条件，结合室内模型试验，建立冰致自激振动发生的一般性工程判据、自激动冰力的时域函数和单自由度系统的冰致自激振动方程。针对随机动冰力幅值和频率的分布特点和影响因素，采用断裂力学理论，明确海冰脆性挤压破坏时的特征宽度；基于快冰速下冰荷载及结构振动响应的现场实测数据，统计分析随机冰力的平均值、标准差、波动频率以及冰力谱函数中的相关参数，建立具有一般性的随机动冰力模型，并通过实测数据进行验证。. 本项目在直接测量的冰力数据和冰力学研究的基础上，开展基于破坏力学理论的挤压冰荷载模型研究。本项目的研究成果为极地与我国冰区海洋工程结构的设计建造技术发展提供坚实的理论基础。