海洋平台结构的冰力作用模型

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1、海洋平台结构的冰力作用模型摘要：海洋平台是开发海底油气资源的基础结构，也是生产作业与生活基地。其设计周期和设计质量直接影响到海洋油气资源开发的成本和效率。因此，采用先进的优化设计技术是提高设计质量、缩短设计周期、保证设计安全可靠的重要手段，研究海洋平台结构优化设计技术及开发相应的软件，具有重要的工程意义。海洋平台受到风、浪、流、海冰等复杂海洋环境的作用，其结构静、动态响应非常复杂。关键词：海洋平台；冰力作用；模型中图分类号：TU311.3文献标识码：A文章编号：1导言本文分析了在工程中得到普遍应用的冰力作用模型，提出了冰力模型的一•

2、般形式，给出了挤压破坏、屈曲破坏和弯曲破坏冰力系数函数CT(t),分析了考虑强迫和自激耦联振动的白激振动产牛的条件和Cl(t)与冰阻尼的耦合效应，Cl(t)与冰阻尼的耦合效应将改变纯自激振动产生的条件。研究结果表明冰加曲破坏和弯曲破坏动冰力可以作为强迫振动冰力，冰挤压破坏动冰力则需要考虑CI(t)与冰阻尼的耦合效应。2冰力作用模型2.1静冰力作用模型2.1.1Korzhavin-Afanasev公式Korzhavin-Afanasev公式是目前匸程屮应用最广泛的公式，它表达为：Fs=Imkdh^c式中：T、ni和k分别为嵌入系数、形

3、状系数和接触系数，均为无量纲系数；d、h和。c分别为冰与结构的接触宽度、冰厚和冰的单轴抗压强度。嵌入系数I是考虑冰的实际受力状态的抗压强度修正系数，Afanasev提出：m为考虑结构与冰接触而形状的系数：fl接触面为平面m=[0.9接触面为圆柱体k为考虑冰与结构接他程度的系数，20.02〜0.45,冰速较人或冰较脆时取小值，反之取大值。该公式是一个被普遍认可的半经验半理论的挤压冰力公式，其最人的优点是各系数都冇明确的物理含义。2.1.2Schawz公式该公式是通过对桥墩冰力的现场测量提岀的：Fs=3.57d"/i、式中各参数意义同

4、前。d和h的单位是cm,。c的单位是kgcm2,Fs单位为kg。这是另一个被广泛应用的冰力公式，该公式是第一个由原型试验数据回归所得的经验公式，其缺点是公式形式不符合量纲规则。2.1.3用于渤海的修正Schawz公式渤海右油公司与德国汉堡船舶模空试验水池公司合作研究冰对渤海导管架平台作用力时曾提出修正的适用于渤海的Schawz公式：Fs=0.5/5"6该公式采用了Schawz公式的形式，但d、h、oc和Fs的量纲与式(4)中不同,d和h的单位为cm,oc单位为MPa,Fs单位为kN。2.1.4统一公式可以看出，，第一和第四个公式可以

5、写成如下的统一形式：Fs=式中：adhocKorzhavin—Afanasev公式Schawz公式TTAI1从上式可以发现，K-A公式和Schawz公式具有以下两个特点：2.I.4.I冰力都与接触宽度的0.5次方成正比，符合实验结果和普遍观点；2.1.4.2K-A公式冰力与冰厚1.5次方成正比,Schawz公式冰力与冰厚1.1次方成正比，比较接近冰力与冰厚一•次方成正比这一普遍认同的结论。2.2动冰力作用模型现场观测表明，冰力作用在结构上的人部分时间都能产生振动，冰力的动荷载特征十分明显。考虑冰与结构的动力相互作用，国内外的研究者己

6、经开展了人量的工作。动冰力作用模型町以分为以下：2.2.1冰压力及桩腿总冰力记录时程对辽东湾进行多次现场原型冰力测量，取得人量的冰力时程数据，分析这些实测数据的吋域和频域特征，对结构受动冰力作用的研究有着重要的意义。需要指岀的是，实测数据中含冇冰与结构耦联振动的成分，因此，特定结构上的实测数据是否可以应用到其它结构值得探讨。2.2.2强迫振动的动冰力作用模型2.2.2.1环境因索与冰特性决定的动冰力模型这种理论认为冰的动荷载具有木身固有的周期性和频谱特性，冰力的变化最终貝决定于海冰本身的特性和环境因素。这种理论的代表人物冇Peyto

7、n和NeilL2.2.2.2Matlock模型Matlock根据在库克湾的现场观测结果，提出了冰排与结构和互作用的计算模型。这种模型考虑了结构与冰的耦合作用。然而研究表明，Matlock模型的计算结果同按强迫振动理论计算的结果没有明显差别，因此，我们把Matlock模型归结为强迫振动模型。2.2.3随机过程模型与风、海浪一-样，冰对结构的作用也具有很强的随机性。口前动冰力模型都是确定性模型，不能反映冰力的随机过程性，因而不能完全刻価实际的动冰力过程。实际工程中结构的随机振动分析需要随机动冰力模型。因此与脉动风速谱和海浪谱一•样，建立

8、冰荷载的随机过程模型无论在理论上还是应用上都貝•有重要意义。2.2.4耦联振动模型2.2.4.1Maattanen自激振动模型口激振动模型最早由Blenkarn提出，其根据是冰强度在加载速率超过某一值后会随加载速率增加而降低。芬兰学者