斜坡结构冰载荷的有限元分析和试验研究

发布时间：2020-03-23 05:40

【摘要】： 斜坡结构已成为有冰海区海洋结构的优选结构,冰对斜坡结构作用力学机制的分析是近些年来到国际上研究的热点问题。本文通过采用非线性接触有限单元法进行数学分析与冰力模型试验相结合的方法,探索准确计算斜面冰荷载的数学分析方法。本文首先概要地介绍了海冰的物理力学性质,列举了国际上常用的斜体静冰力计算模型和规范公式,阐述了有限元基本原理和非线性接触分析,使用大型通用有限元软件ANSYS建立斜坡与冰相互作用的数学计算模型,通过数学模型计算,分析作用于斜面结构物上冰荷载的组成成分,深入地解释冰与斜面结构物作用的机制,并对摩擦系数、坡角、冰弯曲强度及冰厚如何影响作用在斜坡结构上的水平冰力进行研究。同时进行斜坡冰力模型试验,通过数学模型计算结果与模型试验数据进行对比性分析,验证本文有限元数学模拟方法的正确性,并得到关于斜坡结构冰载荷的重要结论。通过理论分析和试验研究相结合,证明此数学模型计算是一种简易、可行、经济的冰力计算方法,为海冰设计标准中冰力计算模型提供一种新途径,对工程设计冰载荷的计算有很大帮助。
【图文】：

海冰,晶体结构

片冰层刚一形成时，表面非常平整，看上去好像一块巨大的半透而，无论冰层多厚、多坚硬，海冰的这种平整状态都不能长期保到海冰热胀冷缩和冷胀热缩性质的影响，随着温度的降低，海冰膨胀，当温度降到一定程度后，海冰的体积又反而收缩。因而，会产生龟裂。这时，冰面上到处出现裂纹和缝隙，大片冰层变成浮在海面上。此后，如果气温很低，，裂纹或缝隙里的水就会迅速起来，从而形成冰面上具有焊缝般挤压冻结痕迹的大片冰层。冰的结构是一种晶体材料。自然界的冰都属于对称的六方晶系，但单个冰寸却有很大不同：它们可能呈片状、粒状或柱状，尺度可以由 1米。冰晶格的对称轴垂直于“基面”，基面为若干互相平行的平平行方向发生相对位移时，需要破坏的分子结合点的数目明显少移时的情况。这说明当冰的晶格有序排列时，冰的变形和强度是

破坏类型,结构物

关注的是第一种作用方式，即大面积冰层整体移动时对结构物产生的作用力以及因此而引起的振动。当运动的冰排受到结构物阻拦时，对结构物产生的作用力随冰排的运动而逐渐增大，当增至足够大时，冰排自身破坏，它对结构物的作用力也随之达到极值。冰力这种变化过程受控于冰排的破坏类型。所以，冰排自身破坏的类型和过程直接决定着它对结构物作用的模式、过程和作用力的大小。通常情况下，移动的冰排在结构物前可能产生的破坏类型有[11]：（l）挤压破坏，如图 2-3(a)所示，冰排在桩柱的接触面上因受挤压而逐块断续破碎；（2）压屈破坏，如图 2-3(b)所示，大面积冰排与海工结构物接触，冰排由于受压而失稳，首先在桩柱前隆起，然后破坏；（3）纵向剪切破坏，如图 2-3(c)所示，当冰排的剪应力达到强度极限时，产生与运动方向平行的裂缝，造成冰排破坏。这种破坏容易出现在薄冰中。＝；（4）弯曲破坏，如图 2-3(d)所示，当冰排与具有一定坡度的结构物相接触时，形成受弯的梁或板，最终因弯曲而破坏。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TV135;P75

【参考文献】