【摘要】：冰荷載是寒區(qū)海洋結(jié)構(gòu)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(jì)算模型。對于傳統(tǒng)的直立形式抗冰結(jié)構(gòu),海冰發(fā)生擠壓破壞,產(chǎn)生最危險(xiǎn)的冰荷載,其中極值和交變荷載的機(jī)理尚未研究清楚。本文提出在直立結(jié)構(gòu)上安裝破冰錐體的概念以降低冰力,其原理是將結(jié)構(gòu)水面位置改造成錐體形式,將海冰的擠壓破壞模式轉(zhuǎn)化為彎曲破壞,從而達(dá)到降低冰力和冰激振動的目的。自上世紀(jì)70年代開始,人們主要針對錐體結(jié)構(gòu)極值靜冰力進(jìn)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(dǎo)管架結(jié)構(gòu),大連理工大學(xué)曾開展了完備的海冰現(xiàn)場監(jiān)測,基于實(shí)測數(shù)據(jù)建立了冰力模型,并已廣泛應(yīng)用于同海域結(jié)構(gòu)的冰振響應(yīng)預(yù)測。但上述結(jié)論對于其它海域和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用存在著一定的局限性。 海冰對結(jié)構(gòu)作用的破壞過程非常復(fù)雜,無法采用經(jīng)典力學(xué)理論或數(shù)值方法進(jìn)行分析與模擬,實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)冰荷載進(jìn)行理論分析并建立了計(jì)算表達(dá)式：通過開展不同尺寸的原型結(jié)構(gòu)和室內(nèi)模型的實(shí)驗(yàn)研究,揭示了海冰荷載的周期、大小和時(shí)程變化的形成機(jī)理,建立了動冰力計(jì)算模型；提出了交變冰力的發(fā)生判據(jù)和寬、窄錐體結(jié)構(gòu)的定義,并論證了結(jié)論的適用范圍。通過冰荷載和實(shí)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測量和德國漢堡船模實(shí)驗(yàn)室(HSVA)模型實(shí)驗(yàn)研究。 原型結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測量能夠?yàn)楸奢d研究提供最真實(shí)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(shí)程曲線,通過同步測量的海冰-結(jié)構(gòu)作用過程說明動冰力形成的物理過程；為避免特定結(jié)構(gòu)測量信息和結(jié)論的局限性,針對同海域最大錐體導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了冰力測量,即通過結(jié)構(gòu)水下光纖應(yīng)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(jié)論。 為進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)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(nèi)實(shí)驗(yàn)。通過模型實(shí)驗(yàn)更加詳細(xì)地分析了與錐體作用時(shí)的海冰破壞行為(包括正、倒錐體),進(jìn)而對現(xiàn)場監(jiān)測的研究結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。 2.基于直接測量的海冰破壞模式分析,統(tǒng)計(jì)分析了海冰對錐體結(jié)構(gòu)作用力的周期和幅值,確定了動冰力的形成機(jī)制,并建立了相應(yīng)的計(jì)算模型。 海冰交變冰力形成的物理機(jī)制是冰在錐體前的持續(xù)斷裂過程：冰力周期的實(shí)質(zhì)在于相鄰海冰斷裂的時(shí)間間隔,取決于海冰斷裂長度和運(yùn)動速度；冰力幅值的本質(zhì)在于裂紋形成和擴(kuò)展時(shí)的能量釋放。二者均受到海冰破壞模式的控制。 結(jié)合海冰斷裂的形成機(jī)理分析,即海冰內(nèi)部裂紋的形成和擴(kuò)展機(jī)制,確定了原型和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中兩種主要的海冰破壞模式：楔梁型和板型彎曲破壞。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究中的參數(shù)范圍,提出海冰破壞模式的控制要素,其中對錐體結(jié)構(gòu)尺寸的影響進(jìn)行了重點(diǎn)討論,為研究結(jié)論的適用性奠定基礎(chǔ)�；诤１茐男袨榈姆治�,利用實(shí)測冰力數(shù)據(jù)建立了冰力周期和幅值的計(jì)算模型。 3.根據(jù)海冰與結(jié)構(gòu)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(jù),并給出了寬、窄錐體結(jié)構(gòu)的定義。 海冰與結(jié)構(gòu)作用的物理過程是海冰荷載時(shí)程變化的機(jī)理解釋。根據(jù)壓力盒直接測量的冰力時(shí)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(yīng)破碎冰在結(jié)構(gòu)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(jù)。若破碎冰能夠完全清除,則定義該結(jié)構(gòu)為窄錐體,此時(shí)發(fā)生交變冰力；若破碎冰不能及時(shí)清除而發(fā)生冰堆積,完整冰板不能直接作用于錐體,此時(shí)定義該結(jié)構(gòu)為寬錐體。在此基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的動冰力計(jì)算模型。該模型通過了多座原型結(jié)構(gòu)實(shí)測響應(yīng)的驗(yàn)證,可用于錐體海洋結(jié)構(gòu)的冰振預(yù)測、評價(jià)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 4.基于原型結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測量,對安裝錐體降低冰振危害的效果進(jìn)行了分析和評價(jià)。 在直立海洋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)振動響應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的直接冰力測量,證明了錐體結(jié)構(gòu)對冰力具有顯著的降低作用,并對加錐降低冰振的效果進(jìn)行了量化分析,結(jié)果表明安裝破冰錐體達(dá)到了預(yù)期的效果。 本文系統(tǒng)地開展了錐體結(jié)構(gòu)動冰力形成機(jī)理、冰荷載計(jì)算模型以及安裝錐體抗冰效果評價(jià)等方面的研究,從理論上研究了海冰與錐體結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)的破壞機(jī)理及冰力模型,對冰區(qū)錐體海洋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全評估具有很好的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：P731.15

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 王勝永;抗冰平臺結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證研究[D];大連理工大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 姜德旭;抗冰平臺加錐減振設(shè)計(jì)研究[D];大連理工大學(xué);2013年

2 李益;三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的自振特性分析[D];大連理工大學(xué);2013年

3 王鈺涵;破冰船破冰載荷及運(yùn)動預(yù)報(bào)方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

4 周曉東;錐形結(jié)構(gòu)前碎冰堆積行為的模型試驗(yàn)研究[D];天津大學(xué);2012年

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本文編號：2592748