（船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)論文）作用在板樁墻上冰力的模型試驗(yàn)與分析.pdf

摘要 工程中為了防止海冰帶來的災(zāi)害 常采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式將冰破碎 本文所 研究的結(jié)構(gòu)為板樁墻結(jié)構(gòu) 采用破冰樁將大塊海冰初步破壞 以增加板樁墻的 穩(wěn)定性 海冰的力學(xué)性質(zhì)是影響海冰與結(jié)構(gòu)物作用的內(nèi)在因素 在冰排中應(yīng)力 達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)冰力也達(dá)到極限 所以冰的強(qiáng)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(jié)構(gòu)破壞形式主要為擠壓破壞和壓屈破壞 由于板樁墻結(jié)構(gòu)與冰作用機(jī)理的復(fù)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(yàn)作為解決實(shí)際工程問題的主要手段 本文以冰試驗(yàn)作 為重點(diǎn) 對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備 試驗(yàn)原理做了詳細(xì)介紹 對模型設(shè)計(jì) 傳感器的標(biāo)定 冰池水溶液的配置 降溫制冰 冰力測試等試驗(yàn)步驟也進(jìn)行了描述 冰力模型 試驗(yàn)在天津大學(xué)冰工程實(shí)驗(yàn)室已開展多年 本文吸取了前人寶貴的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn) 并結(jié)合自己的親身實(shí)踐 對冰力模型試驗(yàn)進(jìn)行了更加系統(tǒng)的總結(jié) 期望對以后 從事冰試驗(yàn)的工作人員會(huì)有一定的幫助 由于對試驗(yàn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了嚴(yán) 格的控制 試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)是可靠的 關(guān)鍵詞 板樁墻冰力冰模型試驗(yàn) 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(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)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(jī)構(gòu)的學(xué)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(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽氧 孥虢 簽字日期 幻 年歲月弓 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解墨鲞盤堂有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 特授權(quán)墨鲞盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索 并采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明 學(xué)位論文作者簽名 專最j 匕 簽字日期 泐呂年f 月 d 日 導(dǎo)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(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展 海洋結(jié)構(gòu)物越來越多的得到廣泛的應(yīng)用 在寒冷地區(qū) 當(dāng)要建造海洋結(jié)構(gòu)物時(shí) 冰載荷往往要給予充分考慮 工程技術(shù)人員在寒冷的 有冰海區(qū)的勘探活動(dòng)極大地推動(dòng)了海冰的研究進(jìn)程 1 9 6 7 年在高緯度地區(qū)m a c k e n i e 灣發(fā)現(xiàn)天然氣 此后 又在p r u d h o e 灣鉆井 發(fā)現(xiàn)油田 加拿大高緯度極區(qū)的石油和天然氣的蘊(yùn)藏量為1 1 6 0 億桶 阿拉斯加 的石油和天然氣的蘊(yùn)藏量為1 5 0 0 億桶 沿前蘇聯(lián)北極海岸線的石油和天然氣的 蘊(yùn)藏量可達(dá)7 9 5 0 億桶 據(jù)勘測 極地資源約占全世界油氣產(chǎn)量的4 0 即使是 在庫克灣 渤海灣等中緯度有冰海區(qū)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(chǔ)量已達(dá)l 7 億噸 南堡3 5 2 油田的控制儲(chǔ)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(fā)現(xiàn)更加展現(xiàn)了渤海良好的油 氣資源前景 伴隨著冰區(qū)資源的勘探與生產(chǎn)活動(dòng)的發(fā)展 有冰海區(qū)海工建筑物 日益增多 工程實(shí)踐對海冰與結(jié)構(gòu)物作用的研究提出了迫切的需求 對于會(huì)出現(xiàn)冰凍的寒冷海域 冰力對結(jié)構(gòu)的影響往往是很嚴(yán)重的 在很多情 況下 冰荷載常常成為寒區(qū)海工建筑物的控制荷載 然而 在早期的海上建筑 物的設(shè)計(jì)制造中 由于對冰害的估計(jì)不足 很多國家都曾先后發(fā)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(tái) 由于其設(shè)計(jì)強(qiáng)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(nèi)港外聲問崎海上設(shè)置的聲問崎燈標(biāo) 于1 9 6 5 年3 月因受到強(qiáng)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(fēng)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(shù)處 使港 口作業(yè)受到很大影響 1 9 6 9 年2 3 月間渤海發(fā)生嚴(yán)重冰封 位于渤海灣的 海 一井 石油平臺(tái)支座的拉筋全部被流冰割斷 由底座互不連接的三個(gè)平臺(tái)一一 設(shè)備 鉆井和生活平臺(tái)構(gòu)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(tái)也被海冰推倒 眾多國內(nèi)外海冰引起的工程事故使設(shè)計(jì)人員逐漸意識(shí)到海冰對寒區(qū)結(jié)構(gòu)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(qū)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(jié)冰現(xiàn)象 成為北半球海洋結(jié)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(shí) 對于海冰應(yīng)予特別重視 我國的結(jié)冰海區(qū)南北雖然僅跨四個(gè)緯度 最遠(yuǎn)相距大約2 5 0 海里 但不同海 區(qū)冰情的差異很大 為了對冰情有一個(gè)基本的了解 下面就常年的冰情分區(qū)說 明 2 o 遼東灣 遼東灣是我國冰情最嚴(yán)重的海區(qū) 遼東灣于1 1 月中旬開始結(jié)冰 翌年3 月 中旬海冰消失 冰期約為四個(gè)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(qū) 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(dá)5 1 0 公里 冰 的厚度一般為3 0 4 0 厘米 最大達(dá)到6 0 厘米 冰的堆積高度一般為2 3 米 最 大可達(dá)4 米以上 蓋平角至復(fù)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(dá)到4 5 厘米 冰的堆積高度多為1 2 米 復(fù)州角及秦皇島以南海區(qū) 沿岸固定冰的寬度一般都在o 2 公里以內(nèi) 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(jié)冰 翌年三月初海冰消失 冰期約為三個(gè)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(dá)5 1 0 公里 冰的厚度多為 2 0 3 0 厘米 最大能達(dá)到4 5 厘米左右 海冰的堆積高度多為1 2 米 最大可達(dá)3 米左右 萊州灣 萊州灣于1 2 月中旬開始結(jié)冰 翌年二月底海冰消失 冰期為2 個(gè)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(nèi) 西岸和南岸的河口淺灘 附近 固定冰寬度可達(dá)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(dá)4 0 厘米左右 萊州灣的堆積現(xiàn)象較輕 堆積高度在 2 第一章緒論 一米以內(nèi) 河口和淺灘附近堆積高度可達(dá)2 3 米 黃海北部 黃海北部于1 1 月中 下旬開始結(jié)冰 翌年3 月中旬海冰消失 冰期約為四 個(gè)月 其中1 月中旬至2 月中旬一個(gè)多月的時(shí)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(shí)可達(dá)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(nèi) 冰的厚度一般為l o 一2 0 厘米 最大時(shí) 達(dá)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(wù) 大唐電廠擬建設(shè)在山東東營市 但是 對電廠發(fā)電機(jī)組的冷卻水要依靠豐富 的海水資源 由此向工程技術(shù)人員提出了如何在冬季保障供水的現(xiàn)實(shí)的研究課 題 在電廠提供的相關(guān)資料中指出 按中國海洋大學(xué) 海洋水文特征值分析報(bào) 告 本海區(qū)每年都出現(xiàn)不同程度的冰情 遇到重冰年將產(chǎn)生嚴(yán)重的海冰災(zāi)害 海域結(jié)冰期每年平均約9 6 天 冰情嚴(yán)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(shí)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(fēng)速大于8 i i l s 時(shí)基本與風(fēng)向一致 冰塊水平尺度在5 l o m 之間 最大可達(dá) 1 0 0 m 流冰的主要形狀為圓形 在工程區(qū)域的南部方向 原建有一項(xiàng)能遮擋進(jìn)水口工程的棧橋設(shè)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(qū)域的 北部方向 向南漂移的冰排則沒有攔截設(shè)施 存在出現(xiàn)較大冰排作用于工程結(jié) 構(gòu)的可能性 工程設(shè)計(jì)本身除考慮冰排阻塞進(jìn)水口的工程布設(shè)方向問題 還要 考慮冰排與工程結(jié)構(gòu)作用的冰荷載問題 本文則主要研究明溝板樁墻結(jié)構(gòu)受冰 排作用情況 板樁墻由板墻和斜樁結(jié)構(gòu)組成 因此作用在板樁墻上的冰載荷要同時(shí)考慮兩 種結(jié)構(gòu)與冰的作用 應(yīng)用公式法進(jìn)行計(jì)算時(shí) 由于各公式的局限性和板樁墻結(jié) 構(gòu)的特殊性 現(xiàn)有的冰力公式?jīng)]有一個(gè)能比較好的應(yīng)用于此結(jié)構(gòu) 為了解決此 問題 本文把重點(diǎn)放在了冰力模型試驗(yàn)上 在試驗(yàn)過程中 嚴(yán)格按照原型 通 過一定的比尺來進(jìn)行模型設(shè)計(jì) 單獨(dú)對于板墻結(jié)構(gòu)或者具有簡單截面形式的斜 樁來說 對其進(jìn)行冰力計(jì)算是比較簡單的 但是對于截面為非常規(guī)類型的斜樁 與板墻的組合結(jié)構(gòu)在以前是沒有遇見過的 本文研究的問題是具有創(chuàng)新性的 浮冰在水流和風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生漂流運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)的冰體遇到水中的結(jié)構(gòu)物阻 3 第一章緒論 攔后 要對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生作用力 即冰力 冰對結(jié)構(gòu)物作用力的大小或受驅(qū)動(dòng)力 的限制 或受冰強(qiáng)度的限制 浮冰的面積越大 受到的動(dòng)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(jié)構(gòu)物時(shí)幾乎不改變原來的速度繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng) 這時(shí)結(jié)構(gòu)物 上的冰力將受到某種強(qiáng)度的控制 小面積的流冰受到的驅(qū)動(dòng)力較小 它具有的 能量不足以使自身在結(jié)構(gòu)物的迎冰面前破碎或完全破碎 所以只能滯留在結(jié)構(gòu) 物前 或繞流而過 這時(shí)作用在結(jié)構(gòu)物上的冰力稱為流冰撞擊力 水流和空氣 作用在冰排上產(chǎn)生的連續(xù)力稱為拖曳力 1 4 本文所做工作及成果 板樁墻結(jié)構(gòu)與冰載荷的作用模型試驗(yàn)已在天津大學(xué)冰工程實(shí)驗(yàn)室順利進(jìn)行 并得到很多寶貴的數(shù)據(jù) 為本論文的撰寫提供了有力的保障 本文主要進(jìn)行了 以下工作 1 查閱冰工程相關(guān)文獻(xiàn) 了解冰工程熱點(diǎn)問題及未來發(fā)展趨勢 2 冰模擬試驗(yàn)工作 主要包括 模型設(shè)計(jì) 安裝 傳感器標(biāo)定 調(diào)整 試驗(yàn)操作 控制 數(shù)據(jù)收集 記錄等 3 處理冰模擬試驗(yàn)所得數(shù)據(jù) 4 總結(jié)試驗(yàn)研究工作 并獲得初步結(jié)論 為實(shí)際工程提供參考依據(jù) 4 2 l 海冰的結(jié)構(gòu) 第二章海冰的物理力學(xué)性質(zhì) 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(gè)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(fā)生相對位移時(shí) 需要破壞的分子結(jié)合點(diǎn)的數(shù)耳明顯少于沿其 他方向位移時(shí)的情況 這說明當(dāng)冰的晶格有序排列時(shí) 冰的變形和強(qiáng)度是各向 異性的 圖2 海冰晶體結(jié)構(gòu)圈 1 一細(xì)粒區(qū) 2 一過渡區(qū) 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(jié)構(gòu)圖 海冰的上表層是細(xì)粒區(qū) 一般由細(xì)小的粒狀冰晶 組成 其厚度取決于結(jié)冰時(shí)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(jié)構(gòu)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(nèi) 第二章海冰的物理力學(xué)性質(zhì) 2 2 海冰的鹽度 海水中溶解了大量的鹽類 在海水結(jié)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?yàn)槿苡休^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(fā)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(gè)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(shí) 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(gòu)成它的海水鹽度的l 6 到l 4 之 間 2 海冰的凍結(jié)速度 海冰的凍結(jié)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(yīng)就比較大 反之 海冰的凍結(jié)速度 越慢 形成的海冰的鹽度就越小 海冰的凍結(jié)速度取決于海水結(jié)冰時(shí)周圍空氣 的溫度和空氣降溫的速率 結(jié)冰時(shí)氣溫越低 降溫越快 則海冰的凍結(jié)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(jié)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(guī)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(shí) 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(dāng)海冰經(jīng)過夏季時(shí) 冰面融化也 會(huì)使冰中的濃鹽水流出 導(dǎo)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(nèi)海冰的質(zhì)量稱為海冰的密度 海冰的密度是海冰重要的物理性質(zhì) 6 第二章海冰的物理力學(xué)性質(zhì) 之一 它直接決定著海冰的抗壓強(qiáng)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(guān)系比較復(fù)雜 當(dāng)溫度降低時(shí) 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(dāng)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(fā)生轉(zhuǎn)折性變化 的溫度就越低 2 4 海冰的熱性質(zhì) 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(shí) 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(shí) 尤 其是在冰點(diǎn)附近 由于海水中的鹵水隨溫度的升降有相變 即降溫時(shí)鹵水中的 純水結(jié)冰析出 升溫時(shí)冰融化進(jìn)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(dǎo)系數(shù)很小 因而 海冰的熱傳導(dǎo)系數(shù)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(dǎo)系數(shù)隨著深 度的增加而增大 超過1 米的海冰的熱傳導(dǎo)系數(shù)與純水冰的熱傳導(dǎo)系數(shù)相當(dāng) 而表層海冰的熱傳導(dǎo)系數(shù)約為純水冰的1 3 左右 海冰的熱膨脹系數(shù)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?yōu)槭湛s 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?yōu)闊崦浝淇s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(shù)越來越小 2 5 海冰的力學(xué)性質(zhì) 海冰的力學(xué)性質(zhì)是影響海冰與結(jié)構(gòu)物相互作用的內(nèi)在因素 研究海冰和結(jié)構(gòu) 物的相互作用就必須先了解海冰的基本力學(xué)性質(zhì) 海冰與結(jié)構(gòu)物的相互作用形式主要有以下幾種 1 巨大冰層包圍了結(jié)構(gòu)物 在潮流與風(fēng)力的作用下 大面積冰層整體移 動(dòng) 擠壓結(jié)構(gòu)物 如果結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度足夠 冰層將穿越結(jié)構(gòu)物 并引起強(qiáng)烈振 7 第二章海冰的物理力學(xué)性質(zhì) 動(dòng) 2 自由漂流的流冰 沖擊結(jié)構(gòu)物而產(chǎn)生的沖擊力 3 整體冰層由于溫度變化引起膨脹 產(chǎn)生擠壓結(jié)構(gòu)物的膨脹力 4 與結(jié)構(gòu)物凍結(jié)在一起的冰層因受潮流和風(fēng)的影響而移動(dòng) 產(chǎn)生對結(jié)構(gòu) 物的拖曳力 由于水位下降而產(chǎn)生向下的附加重力 由于水位上升而產(chǎn)生向上 的附加浮力 5 海冰與結(jié)構(gòu)物之間的摩擦力 在上述海冰與結(jié)構(gòu)物的作用形式中 對海洋結(jié)構(gòu)物危害最大 最普遍受人們 關(guān)注的是第一種作用方式 即大面積冰層整體移動(dòng)時(shí)對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的作用力以 及因此而引起的振動(dòng) 當(dāng)運(yùn)動(dòng)的冰排受到結(jié)構(gòu)物阻攔時(shí) 對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的作用力隨冰排的運(yùn)動(dòng)而逐 漸增大 當(dāng)增至足夠大時(shí) 冰排自身破壞 它對結(jié)構(gòu)物的作用力也隨之達(dá)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(jié)構(gòu)物作用的模式 過程和作用力的大小 通常情況下 移動(dòng)的冰排在結(jié)構(gòu)物前可能產(chǎn)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(xù)破碎 2 壓屈破壞 如圖2 2 b 所示 大面積冰排與海工結(jié)構(gòu)物接觸 冰排由 于受壓而失穩(wěn) 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(dāng)冰排的剪應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí) 產(chǎn) 生與運(yùn)動(dòng)方向平行的裂縫 造成冰排破壞 這種破壞容易出現(xiàn)在薄冰中 4 彎曲破壞 如圖2 2 d 所示 當(dāng)冰排與具有一定坡度的結(jié)構(gòu)物相接觸時(shí) 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(jié)構(gòu)物相互作用的最基本的破壞形式 3 由于 冰排對結(jié)構(gòu)物的作用力在自身破壞時(shí)達(dá)到極值 即在冰排中應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限 時(shí)冰力也達(dá)到極限 所以冰的強(qiáng)度直接決定著冰力的大小 海冰的抗壓強(qiáng)度 拉伸強(qiáng)度 剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)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(xué)性質(zhì) 作用 因此 在研究海冰與結(jié)構(gòu)物的相互作用前 必須先對海冰的這些基本力 學(xué)性質(zhì)作一簡要了解 2 5 1 海冰抗壓強(qiáng)度 擠壓破壞是平整冰層和海上的直立結(jié)構(gòu)物作用時(shí)的主要破壞形式之一 因 此 海冰的單軸抗壓強(qiáng)度是冰荷載計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù) 冰是一種彈塑性材料 它的強(qiáng)度與應(yīng)變率 或應(yīng)力率 有著密切的關(guān)系 當(dāng) 加載速率很慢時(shí) 有充分的時(shí)間讓冰晶體沿邊界錯(cuò)位滑移 并且沿邊界產(chǎn)生足 夠多的微裂縫 隨著荷載的增大 這些微裂縫開始擴(kuò)展直到破壞 這時(shí)冰表現(xiàn) 為變形較大的韌性破壞 當(dāng)加載速率很快時(shí) 沒有時(shí)間讓冰晶體沿邊界充分滑 移 一旦出現(xiàn)裂縫就馬上破壞 這時(shí)冰表現(xiàn)為變形較小的脆性破壞 當(dāng)冰既可 能發(fā)生韌性破壞又可能發(fā)生脆性破壞時(shí) 此時(shí)的冰處于韌脆轉(zhuǎn)變區(qū) 圖2 3 是某 結(jié)冰海區(qū)s 型冰的仃 毒試驗(yàn)曲線 從圖中可以看到 在韌性區(qū)時(shí) 仃 隨著舍的 增加而增大 在脆性區(qū)時(shí) 仃 隨著圣的增加而急劇減小 在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí) 仃 達(dá) 到最大值 厶 a 寸 lv i l 從 j 一 一 y 一一 圖2 3 冰擠壓強(qiáng)度仃 與應(yīng)變速率圣的關(guān)系 在海冰試樣與冰溫關(guān)系的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn) 海冰的溫度越高 抗壓強(qiáng)度越小 若溫度驟然升高 抗壓強(qiáng)度一般會(huì)減小5 0 以上 鹽水體積對海冰的抗壓強(qiáng)度也有很大的影響 隨著鹽水體積的增大 海冰的 抗壓強(qiáng)度降低 因?yàn)?鹽水體積增大表明海冰中含有的鹽分增多 海冰內(nèi)的原 始微裂縫就增多 根據(jù)海冰破壞的裂縫擴(kuò)展理論 海冰破壞的可能性就增加 海冰的強(qiáng)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(qiáng)度 9 第二章海冰的物理力學(xué)性質(zhì) 2 5 2 海冰拉伸強(qiáng)度 海冰強(qiáng)度對于童 或寸 的敏感性 在抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)中很明顯 但對于拉 伸強(qiáng)度來說 學(xué)術(shù)界一直沒有統(tǒng)一的觀點(diǎn) 然而 有很多的學(xué)者發(fā)現(xiàn) 當(dāng)應(yīng)力 率處于某個(gè)范圍內(nèi)時(shí) 加載速率對拉伸強(qiáng)度有影響 不過影響不是很大 離開 這個(gè)應(yīng)力率范圍 拉伸強(qiáng)度與加載速率無關(guān) 這個(gè)應(yīng)力范圍的具體數(shù)值 各個(gè) 學(xué)者通過試驗(yàn)得到的結(jié)果相差較遠(yuǎn) 隨著鹽水體積的增加 海冰的拉伸強(qiáng)度降低 隨著冰溫的降低 海冰的拉伸 強(qiáng)度增大 加載方向?qū)鞆?qiáng)度也有很大的影響 2 5 3 海冰剪切強(qiáng)度 海冰的剪切破壞是海冰與海上結(jié)構(gòu)物相互作用時(shí)的基本破壞形式之一 海冰 剪切強(qiáng)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(huì)呈現(xiàn)不同的強(qiáng)度 試驗(yàn) 研究表明 海冰垂直于冰晶生長方向的剪切強(qiáng)度要大于平行于冰晶生長方向的 剪切強(qiáng)度 海冰的剪切強(qiáng)度與應(yīng)力率有著明顯的關(guān)系 在不同的應(yīng)力率下表現(xiàn)出不同的 剪切強(qiáng)度 大量試驗(yàn)證明 海冰的剪切強(qiáng)度隨著應(yīng)力率的增大而降低 冰溫和鹽度對海冰剪切強(qiáng)度的影響和前面討論的相似 剪切強(qiáng)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(qiáng)度 當(dāng)海上結(jié)構(gòu)物具有傾斜表面時(shí) 平整冰層將沿斜面上爬 發(fā)生彎曲破壞 此 時(shí) 冰荷載的計(jì)算將以海冰的彎曲強(qiáng)度為基礎(chǔ) 海冰的彎曲強(qiáng)度同樣也受到加載速率的影響 圖2 4 是海冰的彎曲強(qiáng)度隨加 載速率的變化情況 當(dāng)海冰處于延性破壞范圍內(nèi)時(shí) 隨著應(yīng)力率的增大 海冰 的彎曲強(qiáng)度也隨之增大 海冰試樣發(fā)生明顯的裂紋擴(kuò)展過程 應(yīng)力率繼續(xù)增大 海冰的彎曲強(qiáng)度將達(dá)到最大值 此后 隨著應(yīng)力率的增大 海冰的彎曲強(qiáng)度將 很快降低 由于這時(shí)的海冰處于脆性階段 一旦出現(xiàn)裂紋 海冰試樣將馬上破 壞 幾乎觀察不到裂紋擴(kuò)展過程 同海冰的抗壓強(qiáng)度相似 隨著鹽水體積的增大 海冰的彎曲強(qiáng)度減小 1 0 第二章海冰的物理力學(xué)性質(zhì) 黔 一 式 囂 菇 緞 麓 參 震力謦 強(qiáng)瓢紐 圖2 4 海冰彎曲強(qiáng)度與應(yīng)力率的關(guān)系 海冰的彎曲強(qiáng)度隨著冰溫的降低而增大 這是因?yàn)楹１膹澢茐膶?shí)質(zhì)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(qiáng)度隨冰溫的降低而 增大 所以海冰的彎曲強(qiáng)度也隨著冰溫的降低而增大 在海冰的彎曲試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) 向下加載時(shí)冰梁的強(qiáng)度大于向上加載時(shí)冰梁的強(qiáng) 度 產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果的原因有兩個(gè) 首先 向下加載時(shí) 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(qiáng)度較大 其次 海冰的彎曲破壞受到海冰拉伸強(qiáng)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(qiáng)度大于下表面的拉伸 強(qiáng)度 所以 向下加載時(shí)由上表面破壞測得的彎曲強(qiáng)度要大于向上加載時(shí)由下 表面破壞測得的彎曲強(qiáng)度 第三章冰模擬試驗(yàn)與發(fā)展 3 1 冰模擬試驗(yàn)概況 第三章冰模擬試驗(yàn)與發(fā)展 冰與結(jié)構(gòu)相互作用的試驗(yàn)研究起源于極地與寒冷地區(qū)的商業(yè)航行 海洋石油 開發(fā)與水利工程等各項(xiàng)事業(yè)的蓬勃發(fā)展 追求工程結(jié)構(gòu)和人員安全的實(shí)際要求 以及對冰工程的高效率的商業(yè)運(yùn)營利益的期望促使人們越來越關(guān)注冰與結(jié)構(gòu)相 互作用機(jī)理以及實(shí)際工程中的冰問題 如破冰船艏的破冰性能 海洋石油平臺(tái) 的抗冰結(jié)構(gòu)型式以及水工結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)參數(shù)等 寒冷地區(qū)發(fā)達(dá)或較發(fā)達(dá)的國家 首先開始了冰模擬試驗(yàn)的嘗試 1 9 5 5 年蘇聯(lián)在列寧格勒建起了世界上第一座低 溫冰池試驗(yàn)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(shù)座低溫冰池實(shí)驗(yàn)室 1 9 8 5 年加拿大國家科學(xué)院在紐芬蘭島i m d 海洋動(dòng)力研 究所 建立了世界上最大規(guī)模的冰池實(shí)驗(yàn)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(shè)的速度放緩 人們的注意力開 始轉(zhuǎn)向高質(zhì)量模型冰的研制和相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)提高與理論方面的發(fā)展 第二代尿 素模型冰的實(shí)現(xiàn)與推廣是這一時(shí)期主流的體現(xiàn) 目前 對于靜冰力模擬試驗(yàn)的 技術(shù)與理論已經(jīng)發(fā)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(yàn)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)冰力的試驗(yàn)研究 由于對冰與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相 互作用機(jī)制存在著由來以久的爭論 并在實(shí)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(dòng)冰力模型試驗(yàn)的相關(guān)理論和技術(shù)還 處于探索與發(fā)展的階段 天津大學(xué)已于2 0 0 2 年通過承擔(dān)國家8 6 3 項(xiàng)目為契機(jī)開 始了這方面理論與技術(shù)的研究與實(shí)踐 我國開展冰與結(jié)構(gòu)相互作用的室內(nèi)低溫模擬試驗(yàn)起源于海洋開發(fā)事業(yè)發(fā)展 的需要 1 9 6 9 年和1 9 7 6 年渤海灣發(fā)生了嚴(yán)重冰情 兩座海洋平臺(tái)被冰推倒 造 成重大的經(jīng)濟(jì)損失 對我國從1 9 6 5 年剛剛起步的海洋石油開發(fā)事業(yè)也是一次沉 重的打擊 從1 9 6 9 年天津大學(xué)開始參與海冰與海工結(jié)構(gòu)物相互作用的研究 由 于寒冷地區(qū)冰工程所處的環(huán)境惡劣 現(xiàn)場實(shí)測的工作受到了極大的限制 又由 于冰期的限制 重現(xiàn)現(xiàn)場工況也存在著不可為的現(xiàn)實(shí)困難 因此 重現(xiàn)危險(xiǎn)工 況 有目的的設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)對冰與結(jié)構(gòu)的相互作用的機(jī)理和冰力進(jìn)行系統(tǒng)的試 驗(yàn)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(xué)小 型冰池于1 9 8 7 年建成并投入實(shí)際生產(chǎn)問題的研究 為了放大試驗(yàn)比尺降低試驗(yàn) 的失真度 提高模擬試驗(yàn)的整體水平 天津大學(xué)1 9 9 5 年又建成了大型低溫冰池 實(shí)驗(yàn)室 使天津大學(xué)冰工程實(shí)驗(yàn)室成為我國唯一可進(jìn)行冰與結(jié)構(gòu)相互作用低溫 1 2 第三章冰模擬試驗(yàn)與發(fā)展 模擬試驗(yàn)的重要基地 自小型冰池建成以來至今 成功進(jìn)行并完成了數(shù)十項(xiàng)國 家自然科學(xué)基金與生產(chǎn)單位的科研項(xiàng)目 為我國冰工程的研究與發(fā)展做出了重 大的貢獻(xiàn) 到目前為止 世界上除商業(yè)性和國家機(jī)構(gòu)擁有的冰池試驗(yàn)室外 只有美國的 愛荷華 i o 啪 大學(xué) 芬蘭的赫爾辛基 h e l s i n i 大學(xué)和我國的天津大學(xué)等三所學(xué)校 擁有低溫冰池試驗(yàn)室 這也奠定了天津大學(xué)在國內(nèi)冰工程試驗(yàn)和研究領(lǐng)域的重 要地位 s 表3 一l 國際 低溫 冰池實(shí)驗(yàn)室列表 序號(hào)建成時(shí)間國家 所在地所有者冰池尺寸 11 9 5 5 蘇聯(lián) 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(shí)驗(yàn)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(qū)研究和工程實(shí)驗(yàn)室 3 7 o 9 2 2 5 71 9 8 0 加拿大 渥太華國家科學(xué)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(xué)會(huì) 運(yùn)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(shí)驗(yàn)室 n i i 2 0 o 6 0 1 8 1 01 9 8 2 美國 愛荷華大學(xué)愛荷華水力研究學(xué)會(huì) 2 0 0 5 o 1 3 l l1 9 8 2 挪威挪威水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xué)院 8 0 o 1 2 0 3 0 1 51 9 8 7 中國 天津大學(xué)天津大學(xué)冰工程實(shí)驗(yàn)室 5 4 5 2 0 1 o 1 61 9 9 5 中國 天津大學(xué)天津大學(xué)冰工程實(shí)驗(yàn)室 2 0 0 5 0 1 8 注 非冷凍冰模擬試驗(yàn)池均未列與表內(nèi) 3 2 冰模擬試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則 一切模型試驗(yàn)都要遵循一定的模型律 冰力模型試驗(yàn)也不例外 冰力模型試 驗(yàn)是一種特殊的試驗(yàn) 因?yàn)樗吮仨氉裱毫髂Ｐ驮囼?yàn)的模型律外 同時(shí) 第三章冰模擬試驗(yàn)與發(fā)展 冰作為一種材料 其材料的力學(xué)特性同樣也直接關(guān)系到試驗(yàn)的結(jié)果 這是因?yàn)?1 在海面上漂流的冰排匯集了風(fēng)和海流的能量 在這些能量驅(qū)動(dòng)下冰排 在運(yùn)動(dòng)中通過和結(jié)構(gòu)物的接觸又把能量傳遞給結(jié)構(gòu)物 因此 它具有液流模型 試驗(yàn)的一切特點(diǎn) 相應(yīng)地就必須遵循液流模型試驗(yàn)的模型律 2 冰排雖然匯集了海流和風(fēng)的能量 但往往又不能把這些匯集的能量全 部傳遞給結(jié)構(gòu)物 傳遞的多少要受冰本身強(qiáng)度的限制 所以 冰力模型試驗(yàn)同 時(shí)也是一種材料的力學(xué)特性的模型試驗(yàn) 這種材料就是冰 因而它又必須同時(shí) 再滿足材料的力學(xué)特性相似的特殊要求 基于以上原因 冰力模型試驗(yàn)必須同時(shí)遵循以下一些相似準(zhǔn)則 9 3 2 1 弗汝德數(shù)相等 遵循液流模型試驗(yàn)的幾何相似 運(yùn)動(dòng)相似 動(dòng)力相似和邊界條件相似的準(zhǔn)則 這是最一般的準(zhǔn)則 其中 在動(dòng)力相似中要滿足重力相似的要求 在動(dòng)力學(xué)中 最普遍的規(guī)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(shè)模型和原型對應(yīng)物理量的比尺為入 即在對應(yīng)點(diǎn)上力的比尺為入f 速度 的比尺為入v 時(shí)間比尺為入t 則動(dòng)力相似體系之間必然有 式 3 2 就是動(dòng)力相似的相似指標(biāo) 當(dāng)動(dòng)力相似中滿足重力相似時(shí) 首先給出重力的表達(dá)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(dá)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(shù) 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(yàn)與發(fā)展 原型中 弗汝德數(shù)應(yīng)該相等 這就是滿足重力相似的條件 在有的文獻(xiàn)中 弗 汝德數(shù)又表示為 式 3 6 和式 3 7 兩種表達(dá)式在由緩流向急流過渡的臨界狀態(tài)下 f r 的 數(shù)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(shù)相等 為保證冰這種材料的力學(xué)特性的相似 要求滿足彈性力相似的準(zhǔn)則 也就是 說 冰力模型試驗(yàn)中的動(dòng)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(yīng)變 e 一彈性模量 從而有 o 砧丸九 砧丸麓 3 9 因?yàn)闊o量綱數(shù) 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(dòng)力相似的普遍關(guān)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(dǎo)出 q 等 協(xié)1 3 c a 稱為柯西數(shù) 式 3 1 3 為動(dòng)力相似中滿足彈性力相似的關(guān)系式 該式的 意義是 在動(dòng)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(shù)相等 1 5 第三章冰模擬試驗(yàn)與發(fā)展 即 旦監(jiān) 堡笠 3 1 4 e me 式中 p po 模型和原型中對應(yīng)質(zhì)點(diǎn)的材料密度 em ep 模型和原型中對應(yīng)質(zhì)點(diǎn)的材料彈性模量 vm v 廣模型和原型中對應(yīng)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度 根據(jù)重力 慣性力和冰的彈性影響的重要性 冰力模型試驗(yàn)必須同時(shí)滿足式 3 6 3 1 3 由此導(dǎo)出冰力模型試驗(yàn)中一些主要物理量的比尺如表3 2 表3 2 冰力模型試驗(yàn)中一些主要物理量的比尺 物理量原型數(shù)模型數(shù)物理量原型數(shù)模型數(shù) 線性尺度厶l 尋l 九加速度 a 9 a fa o s 時(shí)間砟 t f t 礦5力r f i f 入3 質(zhì)量脅m i 產(chǎn)m x s強(qiáng)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(yīng)變速率p fe 噸s 特征長度 厶 l f l 入摩擦系數(shù) p 中 3 3 模型冰 3 3 1 模型冰的發(fā)展與討論 冰與結(jié)構(gòu)相互作用的室內(nèi)模型試驗(yàn)雖然已經(jīng)經(jīng)歷了近5 0 年的時(shí)間 但是到 目前為止仍然面臨如何按比例降低冰的強(qiáng)度并正確實(shí)現(xiàn)對原型冰 含鹽冰 淡 水冰 的各種物理和力學(xué)性質(zhì)的模擬 甚至可以認(rèn)為 冰模擬試驗(yàn)的歷史就是 模型冰研究與發(fā)展的歷史 模型冰的質(zhì)量直接控制了冰模擬試驗(yàn)的質(zhì)量 現(xiàn)場冰的力學(xué)性質(zhì)的測量數(shù)據(jù) 為室內(nèi)模型冰的研制提供了第一手參考依據(jù) 人們將這些原型指標(biāo)作為衡量模 型冰理想與否的標(biāo)準(zhǔn) 但是 由于冰性質(zhì)的復(fù)雜性以及模型冰制備技術(shù)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(yàn)證模型冰質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn) 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(yàn)與發(fā)展 實(shí)際上 試驗(yàn)技術(shù)人員早已從不同的工程實(shí)際角度去實(shí)踐模型冰的研制 譬 如 對于破冰船艏的冰阻力試驗(yàn) 人們更多的著眼于向下彎曲強(qiáng)度 冰蓋厚度 冰與結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)和冰片尺寸等方面 對于垂直剛性結(jié)構(gòu)的冰荷載試驗(yàn) 人們更著眼于冰蓋厚度 單軸和側(cè)限擠壓 強(qiáng)度 彈性模量以及裂縫型式等方面 對于斜面剛性結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn) 人們則把冰蓋厚度和向上彎曲強(qiáng)度放在首先 考慮的位置 當(dāng)然也考慮到了冰與結(jié)構(gòu)表面的摩擦等方面 對于冰水力學(xué)模型試驗(yàn) 人們將突出考慮的重點(diǎn)放在冰蓋厚度和比重兩個(gè)方 面 而把冰晶結(jié)構(gòu)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(fā)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(xué)性質(zhì)為線索 對幾種模型冰予以評價(jià)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(jié)而成 下述 的海冰典型數(shù)值是相對于作為基本標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)度的比值均等于l 冷冰的彈性模量e 和彎曲強(qiáng)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(jù)世界各地獲得的資料進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)主要特征為柱狀結(jié)構(gòu) c 0 1 u m n a r 就一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)試樣而言 垂直擠壓強(qiáng)度 加力方向平行于柱狀冰晶體 是水平擠壓強(qiáng)度 加力方向垂直于柱狀冰晶體 3 倍左右 無論是物理性質(zhì)或是力學(xué)性質(zhì)都明確 體現(xiàn)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(zhì)與 原型冰的相似性 其力學(xué)性質(zhì)的控制隨著制冰技術(shù)的也逐步趨向成熟 基本滿 足了各向異性的重要特性 結(jié)合冷凍模型冰的發(fā)展過程簡介如下幾種 鹽水冰 1 9 5 7 年在蘇聯(lián)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(jié)在冰蓋內(nèi)的鹽的融化達(dá)到降低冰強(qiáng)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(shù)得到了運(yùn)用與 發(fā)展 由此產(chǎn)生了小晶體的柱狀晶格結(jié)構(gòu)的冰 1 9 7 5 年德國學(xué)者s c b 啪r z 發(fā)展 了回溫降低冰強(qiáng)度的技術(shù) 并把含鹽量降低為o 6 由此制成的模型冰內(nèi)部結(jié) 1 7 第三章冰模擬試驗(yàn)與發(fā)展 構(gòu)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(zhì)量和制冰技 術(shù) 但這種模型冰對抗彎強(qiáng)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(qiáng)度的比值將處于嚴(yán)重失真和無法控制的狀態(tài) 限制了冰力模型試 驗(yàn)的應(yīng)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(xué)添加劑中發(fā)現(xiàn)以尿素作為 添加劑的模型冰 在縮尺試驗(yàn)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(shù)冰池實(shí)驗(yàn)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(dá)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(zhì)與原型冰及鹽水模型冰進(jìn)行了比較 結(jié)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(yōu)于鹽水模型冰 在物理力學(xué)性 質(zhì)的控制和制備方法方面同樣采用了噴霧引晶技術(shù)和回溫技術(shù) f g 冰 8 0 年代中期 心發(fā)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(nèi)部結(jié)構(gòu)為小晶體晶粒狀和柱狀的混合結(jié)構(gòu) 不同于完全是柱狀結(jié)構(gòu) 的原型海冰 這種冰限制了正確模擬海冰的單軸擠壓強(qiáng)度和側(cè)限擠壓強(qiáng)度與原 型海冰的相似性 限制了對冰模擬試驗(yàn)的適用范圍 芬蘭學(xué)者在a o r c 采用了 種細(xì)粒酒精冰 主要特點(diǎn)是其性質(zhì)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(gòu)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(xué)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(qiáng)度不等的三層的現(xiàn)象 但是 這種模型冰在制備時(shí) 需要在水面加強(qiáng)水平風(fēng)速 增加水溶液中的熱量 快速的蒸發(fā) 以干擾表面硬層的形成 因此 制成的冰蓋表面極易出現(xiàn)突凹不 平的現(xiàn)象 加拿大國家科學(xué)院在渥太華和紐芬蘭島的兩座冰池實(shí)驗(yàn)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(xué)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(zhì)方面與尿素冰相比有所改進(jìn) 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(chǎn)生是隨著人們期望降低冰池建設(shè)的高昂成本或進(jìn)行某項(xiàng)專題 的試驗(yàn)研究所進(jìn)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(nèi)出現(xiàn)的塑料顆粒 樹脂和水泥混合模制而成的模型冰 但是 由