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基于实验数据分析的直立结构挤压冰荷载研究

郭峰玮  
【摘要】: 本文首先分析了直立结构挤压冰荷载的物理本质,阐明了直立结构的挤压冰力是一个固体破坏力学和结构力学/动力学的耦合问题。鉴于目前固体破坏力学不能准确描述冰的挤压破碎过程,理论和数值方法的应用非常困难。因此确定了研究直立结构挤压冰荷载的合理技术路线,即首先利用原型实验和模型实验获得冰力、结构的响应等相关实测数据,通过分析实测数据并结合一定的理论假设,建立挤压冰荷载的力学模型和计算方法,进而利用实测数据对模型进行检验和修正。 对冰力学的研究、抗冰结构的发展作了简单总结。随后对挤压静冰力和动冰力的研究进展进行了综述,明确了目前直立结构挤压冰荷载需要继续研究的几个问题,即冰在压缩状态下的力学行为、极值挤压静冰力的计算、交变冰力的形成机理和力学模型、以及动冰力模型实验的方法等,这些也是本文主要探讨的问题。 由于冰材料的力学行为存在显著的尺寸效应,因此原型实验的实测数据被认为是研究冰荷载的最可靠依据。本文首先简单概括了国内外已经开展的、具有代表性的原型结构实测冰荷载成果,随后详细介绍了在渤海辽东湾的采油平台上建立的监测体系,论述了该原型实验获得的信息对冰荷载研究的有力支持。 根据原型结构实测数据的分析,本文把直立结构的挤压冰荷载分为三种不同的模式:准静态冰力、稳态交变冰力以及随机交变冰力。根据三种冰力模式发生在不同冰速范围内这一现象,本文提出了一套完整的物理机理解释,认为三种冰力模式对应着冰在不同加载速率下的力学行为,即低速率下的韧性、中等速率下的韧脆转变以及高速率下的脆性破坏特征,并深入分析了三种冰力模式分别包含的关键力学问题。 模型实验是冰荷载研究的另一个重要手段。本文简单总结了国内外已经开展的各种尺度的冰荷载模型实验,分析了其中的相似性问题。根据原型实验的分析结果,认为冰与结构的相对速度是挤压冰荷载相似性的主要控制因素,并给出了直立结构挤压动冰力模型实验的设计原则,基于此设计了一个小尺度的动冰力模型实验系统,并完成了多次实验,成功模拟了直立结构的静冰力、动冰力以及带齿条的自升式平台桩腿冰力。 在实测数据分析的基础上,本文对直立结构挤压静冰力的力学模型和计算方法进行了详细论述。现有静冰力公式的主要差异在于对同时/非同时破坏的认识不同,根据原型和模型实验的数据分析,本文证明了对于柔性窄结构的挤压静冰力计算,同时破坏和韧性破坏模型更为合理,所以柔性窄结构的挤压静冰力应该显著高于传统低值冰力公式的计算结果。 直立结构的挤压动冰力分为稳态动冰力和随机动冰力两种模式。实测数据分析表明,冰激结构稳态振动属于自激振动,本文结合冰在压缩应变速率进入韧脆转变区时的力学行为,给出了冰致直立结构自激振动的物理机制,证明了冰内微裂纹的生成和扩展是结构运动控制动冰力的关键因素。提出了进一步的研究思路,用以建立自激振动的发生判据和计算方法。基于已有的随机动冰力研究工作,本文分析了影响随机冰力频率成分的主要因素,提出了利用断裂力学的概念描述冰的脆性破碎尺寸,进一步描述随机冰力频率成分的思路。


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