弯曲过渡破坏条件下锥体结构的冰荷载分析

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1、水利学报年月第卷第期文章编号弯曲过渡破坏条件下锥体结构的冰荷载分析李锋韩雷岳前进大连理工大学工程力学系辽宁大连摘要现场观测显示作用在锥形抗冰结构上的冰破坏力变化与冰弯曲破坏的模式过渡相联系最大冰力在过渡条件下出现为了确定这一冰破坏力本文采用半圆环域的薄板模型求得弹性力学解在小挠度条件下得到了分别与两种弯曲破坏模式相对应的冰力表达式它们都是冰断裂长度平方的函数由此确定了过渡破坏条件下的冰荷载得到过渡的临界条件为锥面的水线半径与冰的环向裂纹的半径之比等于过渡冰力无量纲化的竖向分量为一常数分析得到的冰力的竖向和水平两个分量通过两组模型试验进行比较得到了验证研究表明如果冰的破坏模式落入

2、过渡区通常在静冰力分析中采用的以楔梁型破坏为基础的冰力模型可能低估冰力的幅值关键词冰荷载锥体结构破坏模式过渡中图分类号文献标识码在水工结构物海上平台的桩柱和水上桥墩等结构上常采用锥形迎冰面以降低冰荷载抗冰锥体设计是以弯曲形式破冰即迫使流动冰排产生离面变形而发生脆性断裂对于窄锥冰破坏力是主要的荷载成分连续作用的动冰力能引发结构的强振影响其功能甚至产生灾害现有的冰荷载分析模型虽然都采用弯曲破坏假定但基于不同的研究对象分别模拟某种特定的弯曲破坏模式形成了许多不同的分析模型其中包括弹性方法中考虑有限接触宽度考虑长径向裂缝考虑面内与面外荷载的联合作用和考虑大挠度效应模型的二维梁模型三维梁

3、模型中考虑相邻径向裂缝间的楔宽和楔角影响考虑面内荷载作用的三维修正和考虑断裂长度影响的模型以及采用塑性极限分析的三维板模型等但长期以来由于缺乏对具体破坏模式类型进行定义描述识别和预测的简单方法使得使用者难以掌握不同冰力预测方法适用性的差别给冰荷载公式的合理选用带来了困难不同公式的预测结果差别可高达倍另一方面某些与破坏模式密切相关的冰荷载理论基本问题长期未得到解决如关于锥结构的最大冰力峰值对应于怎样的极限破坏状态这一问题引发了工程界持续多年的争论以方法和方法为代表的大多数分析模型假定冰的最大破坏荷载在环向裂纹形成时出现这一假定已被许多模型试验所证实然而等进行的模型试验却得出了不同

4、的结论最大冰力在径向裂纹形成时出现从而对冰荷载分析模型的极限状态假定提出了不同观点解决这些问题需要对冰弯曲破坏的主要模式及其过渡现象的机理进行更全面深入的研究等曾对早期研究中冰破坏形态与冰荷载间的关系的试验规律作了综述其中也总结了破坏模式过渡现象等从力学角度将冰板在倾斜面结构上的弯曲破坏按照断裂长度的长短划分为种类型根据作者在平台的现场观察冰在圆锥体结构上的破坏在弯曲模式内存在两种基本类型可以按照不同走向裂纹出现的先后顺序和与极限破坏相对应的冰断裂形态定义为楔梁型弯曲和板型弯曲由于潮位冰速和冰厚等参数的改变导致两种模式间频繁地发生交替变化近年来针对破坏模式对冰荷载的影响开展了一

5、系列定性研究揭示了区分不同破坏模式对相关研究的重要意收稿日期基金项目国家计划资助项目作者简介李锋男天津人硕士副教授主要从事工程结构冰力学与冰工程的研究义根据现场观察的启示和进一步的分析作者曾提出单层冰排作用于锥面的最大冰力与冰弯曲破坏模式的某一过渡条件相联系的观点本文目的是建立一个静力分析模型研究揭示冰的弯曲破坏模式过渡的力学机理确定过渡发生的临界条件得到相应的冰力表达式从而对上述观点做出理论上的证明本文研究的冰力仅指破坏力不涉及与碎冰爬坡和堆积相关的冰力成分冰弯曲破坏的模式过渡根据在平台现场观察冰排在与锥体相互作用过程中的弯曲破坏存在以下两种基本模式冰排与结构的锥面接触后一系

6、列径向裂纹首先从接触边产生并向内扩展将冰分割成一系列窄而长的楔形悬臂梁图极限破坏时从悬臂梁群根部弯曲断裂形成一条环向裂缝使冰力达到最大峰值这种破坏称为楔梁型弯曲破坏冰排与锥面接触后首先产生环向裂缝形成半环状或短而宽的月牙形冰板图此时冰力达到最大峰值随后断裂下来的冰板在其自重作用下沿径向进一步断裂成宽而短的碎块可称之为板型弯曲破坏介于两种典型的弯曲模式之间存在一个过渡区过渡破坏的变形特征是冰板发生明显的双向弯曲变形径向和环向弯曲的最大曲率相近极限破坏时多条径向裂纹和条环向裂纹几乎同时出现碎裂后的冰块长宽尺寸大致相近图冰排弯曲破坏的两种基本模式从现场结构测量到的无量纲冰力与其作用周

7、期的一个典型函数关系如图所示图中每一数据点代表连续作用的某一时段冰力数据组的平均值无量纲冰力定义为?并按最大值归一化其中为测量的冰力值为冰的弯曲强度为冰厚为了进行模式比较分析对照摄像资料选择个具备典型破坏模式特征的数据组图将其相关参数列于表图冰力幅值与作用周期间的相关关系表不同破坏模式的比较数据组冰厚?冰速??平均冰力平均周期?断裂冰块长厚比主导破坏模式楔梁型破坏过渡区破坏板型破坏研究表明断裂冰块长厚比可作为反映不同破坏模式特征的一个参数其值在楔梁型破坏时最大板型破坏时最小过渡破坏居中且偏向