【摘要】：冰荷載是寒區(qū)海洋結構的控制荷載。由于海冰的破壞和斷裂理論尚未成熟,使得冰荷載研究發(fā)展緩慢,迄今未能建立合理的理論和計算模型。對于傳統(tǒng)的直立形式抗冰結構,海冰發(fā)生擠壓破壞,產生最危險的冰荷載,其中極值和交變荷載的機理尚未研究清楚。本文提出在直立結構上安裝破冰錐體的概念以降低冰力,其原理是將結構水面位置改造成錐體形式,將海冰的擠壓破壞模式轉化為彎曲破壞,從而達到降低冰力和冰激振動的目的。自上世紀70年代開始,人們主要針對錐體結構極值靜冰力進行研究,而動冰力的研究開展較少。針對動力問題顯著的渤海冰區(qū)錐體導管架結構,大連理工大學曾開展了完備的海冰現(xiàn)場監(jiān)測,基于實測數據建立了冰力模型,并已廣泛應用于同海域結構的冰振響應預測。但上述結論對于其它海域和結構的應用存在著一定的局限性。 海冰對結構作用的破壞過程非常復雜,無法采用經典力學理論或數值方法進行分析與模擬,實驗方法成為研究冰荷載的主要手段。本文通過對直接測量冰力和海冰破壞行為的分析,對錐體結構冰荷載進行理論分析并建立了計算表達式：通過開展不同尺寸的原型結構和室內模型的實驗研究,揭示了海冰荷載的周期、大小和時程變化的形成機理,建立了動冰力計算模型；提出了交變冰力的發(fā)生判據和寬、窄錐體結構的定義,并論證了結論的適用范圍。通過冰荷載和實測結構響應的對比分析,論證了安裝破冰錐體降低平臺冰振的效果。本文的主要研究工作如下： 1.針對渤海冰區(qū)兩座原型結構的現(xiàn)場測量和德國漢堡船模實驗室(HSVA)模型實驗研究。 原型結構現(xiàn)場測量能夠為冰荷載研究提供最真實的信息,主要包括冰力和海冰破壞行為：利用JZ20-2MUQ平臺上的壓力盒冰力測量系統(tǒng)能夠直接獲取冰力時程曲線,通過同步測量的海冰-結構作用過程說明動冰力形成的物理過程；為避免特定結構測量信息和結論的局限性,針對同海域最大錐體導管架結構進行了冰力測量,即通過結構水下光纖應變測量整體冰力。通過現(xiàn)場測量得到了海冰破壞的基本規(guī)律和冰荷載的基本結論。 為進一步分析結構形式(尺寸)對海冰破壞和冰荷載的影響,開展了錐體模型的室內實驗。通過模型實驗更加詳細地分析了與錐體作用時的海冰破壞行為(包括正、倒錐體),進而對現(xiàn)場監(jiān)測的研究結論進行驗證。 2.基于直接測量的海冰破壞模式分析,統(tǒng)計分析了海冰對錐體結構作用力的周期和幅值,確定了動冰力的形成機制,并建立了相應的計算模型。 海冰交變冰力形成的物理機制是冰在錐體前的持續(xù)斷裂過程：冰力周期的實質在于相鄰海冰斷裂的時間間隔,取決于海冰斷裂長度和運動速度；冰力幅值的本質在于裂紋形成和擴展時的能量釋放。二者均受到海冰破壞模式的控制。 結合海冰斷裂的形成機理分析,即海冰內部裂紋的形成和擴展機制,確定了原型和室內實驗中兩種主要的海冰破壞模式：楔梁型和板型彎曲破壞。根據實驗研究中的參數范圍,提出海冰破壞模式的控制要素,其中對錐體結構尺寸的影響進行了重點討論,為研究結論的適用性奠定基礎。基于海冰破壞行為的分析,利用實測冰力數據建立了冰力周期和幅值的計算模型。 3.根據海冰與結構作用的物理過程確定了交變冰力的基本形式和發(fā)生判據,并給出了寬、窄錐體結構的定義。 海冰與結構作用的物理過程是海冰荷載時程變化的機理解釋。根據壓力盒直接測量的冰力時程和同步獲取的冰-錐作用過程,提出了交變冰力的基本形式：三角脈沖(加載、卸載)和完全卸載組成的周期性荷載。完全卸載對應破碎冰在結構前的完全清除,能夠保證未破碎冰直接作用于錐體,也是海冰持續(xù)彎曲破壞和交變冰力的發(fā)生條件和判據。若破碎冰能夠完全清除,則定義該結構為窄錐體,此時發(fā)生交變冰力；若破碎冰不能及時清除而發(fā)生冰堆積,完整冰板不能直接作用于錐體,此時定義該結構為寬錐體。在此基礎上確定了交變冰力的基本形式及其適用范圍,并建立了窄錐結構的動冰力計算模型。該模型通過了多座原型結構實測響應的驗證,可用于錐體海洋結構的冰振預測、評價和結構設計。 4.基于原型結構的現(xiàn)場測量,對安裝錐體降低冰振危害的效果進行了分析和評價。 在直立海洋結構上安裝錐體的主要目的是降低冰力和冰振。通過對冰力和結構振動響應的對比分析,說明了加錐減振的可行性和優(yōu)勢。安裝錐體后可以從根本上消除直立結構由于海冰擠壓破壞而可能引發(fā)的頻率鎖定冰力和恒幅穩(wěn)態(tài)振動現(xiàn)象；通過原型結構的直接冰力測量,證明了錐體結構對冰力具有顯著的降低作用,并對加錐降低冰振的效果進行了量化分析,結果表明安裝破冰錐體達到了預期的效果。 本文系統(tǒng)地開展了錐體結構動冰力形成機理、冰荷載計算模型以及安裝錐體抗冰效果評價等方面的研究,從理論上研究了海冰與錐體結構相互作用時的破壞機理及冰力模型,對冰區(qū)錐體海洋結構的優(yōu)化設計和安全評估具有很好的應用價值。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：P731.15

【引證文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 王勝永;抗冰平臺結構的性能設計分析與驗證研究[D];大連理工大學;2013年

相關碩士學位論文 前4條

1 姜德旭;抗冰平臺加錐減振設計研究[D];大連理工大學;2013年

2 李益;三樁基礎海上風力發(fā)電結構的自振特性分析[D];大連理工大學;2013年

3 王鈺涵;破冰船破冰載荷及運動預報方法研究[D];哈爾濱工程大學;2013年

4 周曉東;錐形結構前碎冰堆積行為的模型試驗研究[D];天津大學;2012年

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本文編號：2592748