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海冰与近海结构物作用的物理模拟研究

曲月霞  
【摘要】: 环渤海的海冰灾害、海冰环境和海冰荷载是这一海域工程建设最主要的控 制因素。因此,合理地确定海冰对海洋结构物的作用力问题也越来越引起人们 的关注。由于问题的复杂性,目前还没有找到公认的描述冰与海洋结构物相互 作用机制的数学物理模型。原型观测被认为是最为直观有效的第一手材料,但 由于耗资大,现场条件复杂,环境恶劣,使直接观测难度极大。因此,本论文 的主要工作是应用物理模拟实验对冰与结构物相互作用进行系统的研究并对建 立冰激振动的随机数学模型进行了探讨。 本文的第二章主要介绍大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室于 1999年研制出的DUT-1非冻结合成模型冰的制作工艺,所建立的一套基本完 善的模型冰性能测试及与结构物相互作用的试验设备系统,模型冰备项物理力 学性质指标和测量方法,并利用直桩结构物的静冰力试验对模型冰物理模拟试 验技术的可行性进行了检验。 第三章是关于模型冰排对正倒锥体结构物静力作用的物理模拟试验研究。 试验中利用CCD及录象设备观察记录了冰排的破碎现象,与现场观测结果基 本一致。采集的冰力时程曲线经分析处理,得到的结果与Croasdale和Ralston 的理论结果对比,吻合较好。通过快速傅立叶变换方法对所测得的冰力时程曲 线实现由时域向频域的转换,得到冰力频谱,并对冰力特征值与相应谱的零阶 矩进行回归分析,找到其对应关系。文中对冰排速度、锥体角度、水线直径及 冰排弯曲破坏方式等对冰力及频谱因子的影响进行了讨论:在低冰速及摩擦系 数较高的情况下,冰速的变化对冰力没有显著的影响,但可以增加冰排破坏的 特征频率。随着锥体角度的增加,冰力及其特征频率也随之增加。而水线直径 的增加,在导致冰力增加的同时,引起了冰力特征频率的降低。随着冰排破坏 模式由上弯转为下弯,冰力降低,而其特征频率却呈上升趋势。 文中第四章,利用DUT-1模型冰进行了半圆型防波堤构件静冰力物理模 大连理工大学博士论文 一 拟实验。实验中进行2种不同冰厚度和5种不同水线切线角的组合。为了验证 试验结果的可靠性,先进行了斜面墙对比实验。斜面冰力实验结果与相应的理 论分析结果吻合较好。将实测的半圆型防波堤的冰力分析处理得到冰力的极大 值、平均值和有效值,与谱的零阶矩回归分析找到了相应关系。基于国内外研 究成果和对试验资料的分析,建立了半圆堤上冰作用力的经验计算模式,由最 小二乘法确定各项系数。利用实测各项冰排物理及力学指标进行验证,计算所 得结果与实测结果吻合较好,回归系数达0.9,充分证明了该公式的合理性。 利用拟合公式,代入天津港北大防波堤原型冰条件进行计算,给出了不同水位 对应的水平冰作用力,为交通部半圆型防波堤设计与施工规程的制定提供了参 考依据。 在锥体静力试验的基础上,进行了冰排与锥体动力相互作用的试验(见第 五章)。选用适当的模型尺寸和金属材料,将结构频率控制在冰排破坏可以达 到的范围内,以期能够产生动力放大或共振现象。通过安装在模型结构上的传 感器,对结构物的加速度、位移和应变等进行了测量,并对结构物位移响应进 行谱分析,得到结构振动的特征频率。通过测得的位移和加速度动力响应,经 动力平衡方程得到作用于结构物上的动冰力并对其特征进行了分析。 第六章对冰与结构动力相互作用的主要随机变量之一的冰厚采用了对数正 态分布假定。在已有的确定性数学模型的基础上,初步建立了冰排与结构动力 相互作用的随机模型。应用SAP大型有限元计算软件简化JZ20.2平台,建立 有限元计算模型,使其基振频率与实际结构一致。在不同冰速和冰厚条件下对 渤海JZ20—2平台动力响应进行了计算。由于冰对近海结构物的作用是一个十 分复杂的随机过程,涉及到多个随机因素的共同影响,因此在建立冰激振动的 随机模型方面仍有很多的问题有待于深入研究。


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