李志軍，董吉武

（大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引 言

渤海海冰對結(jié)構(gòu)物作用力是海岸和近海工程力學界關(guān)心的問題之一。海上流冰對結(jié)構(gòu)物的作用一般有兩種方式，即流冰被結(jié)構(gòu)物連續(xù)破碎，對結(jié)構(gòu)物施以擠壓力；流冰在結(jié)構(gòu)物前停止或者再旋轉(zhuǎn)漂移離開結(jié)構(gòu)物，對結(jié)構(gòu)物施以撞擊力[1－2]。渤海海冰的運動速度有時＞1.0m／s[3]。若面積＞1000 m2，運動速度＞1.0m／s的流冰塊接觸到迎冰面寬度或直徑＜2m的碼頭樁時，流冰對樁施以擠壓力。在渤海開敞水域的冰情多數(shù)出現(xiàn)大面積和高流速浮冰，所以海岸開敞式碼頭和外防波堤以及海上采油平臺的冰力設(shè)計使用國際上建議的擠壓力準則[4]；而渤海小面積海灣或者港池內(nèi)的流冰運動速度和冰塊面積則小許多，利用擠壓力作為抗冰結(jié)構(gòu)物設(shè)計標準就偏于保守。渤海長興島葫蘆山灣內(nèi)規(guī)劃建設(shè)碼頭就屬于這種情況，此處雖有流冰，但防波堤建成后，流冰具有的動能下降，對結(jié)構(gòu)物的作用力減小。因此設(shè)計用混凝土高樁代替鋼樁，降低碼頭建設(shè)投資。在總結(jié)國內(nèi)外冰—結(jié)構(gòu)物作用物理模擬技術(shù)和模型冰特點的基礎(chǔ)上[5－6]，DUT－1模型冰于2003年獲得了國家發(fā)明專利授權(quán)（ZL00104621.7）。在系統(tǒng)研究該模型冰物理和力學特性之后[7－8]，發(fā)展了相關(guān)試驗技術(shù)[9]，已應用這套技術(shù)完成國家級研究型項目5項和工程應用型項目8項。其中，研究型項目包括中國博士后科學基金——非凍結(jié)合成模型冰的研制和評價、國家自然科學基金——半圓型防波堤前海冰的破碎和堆積過程、中國石油天然氣集團公司石油科技中青年創(chuàng)新基金項目——灘海井口保護的破冰防冰結(jié)構(gòu)物理模擬研究、國家自然科學基金——海冰拖曳系數(shù)參數(shù)化的實驗研究、國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體科學基金——海洋環(huán)境災害作用與結(jié)構(gòu)安全防護；工程應用項目包括天津港半圓型防波堤冰作用力的物理模擬試驗、曹妃甸礦石碼頭一期工程冰荷載模型試驗、營口港仙人島港區(qū)碼頭和防波堤（護岸）工程冰荷載模型試驗、曹妃甸原油碼頭及配套設(shè)施工程冰荷載模型試驗、冀東南堡油田300t級登陸點引橋及碼頭工程冰荷載模型試驗、STX（大連）造船重工項目碼頭冰荷載模型試驗、冀東南堡油田1～5＃人工島引橋及碼頭工程冰荷載模型試驗、30萬t級原油碼頭工程冰荷載模型試驗、唐山灣三島旅游區(qū)海灣大橋橋墩冰荷載物理模型試驗。

長興島葫蘆山灣內(nèi)防波堤建設(shè)前50年一遇流冰條件是：面積5000m2，厚度0.40m，運動速度0.8m／s，單軸壓縮強度2250kPa。該海冰條件使碼頭結(jié)構(gòu)物處于擠壓——撞擊破壞過渡區(qū)。防波堤建成后，灣內(nèi)流冰運動速度降低，即使流冰的面積和厚度保持相同，作用到碼頭結(jié)構(gòu)物上的冰力將轉(zhuǎn)變?yōu)樽矒袅?。物理模擬試驗能夠獲得冰力上限同流冰動能、壓縮強度之間的統(tǒng)計關(guān)系；以及確定單樁設(shè)計冰力、一榀碼頭排架結(jié)構(gòu)設(shè)計總冰力。所發(fā)展的方法對于河冰開凌時，水工結(jié)構(gòu)物和橋墩承受冰凌撞擊力的研究[2，10－11]和確定具有指導意義。

本文以上述工程為例，介紹物理模擬原型面積2800～7800m2，厚度0.40m，速度0.2～1.0 m／s的流冰在來冰方向與碼頭軸線夾角成15°狀態(tài)下，在樁前的破壞方式和破壞現(xiàn)象；撞擊—擠壓過渡區(qū)的臨界條件；不同流冰動能和冰單軸壓縮強度下的單樁冰力關(guān)系；同一條件下，單樁設(shè)計冰力和一榀碼頭排架結(jié)構(gòu)總冰力的試驗方法和結(jié)果。

1 流冰對碼頭排樁撞擊力試驗裝置

流冰對結(jié)構(gòu)物擠壓力物理模擬有兩種試驗方式：①利用拖車以某一恒定速度推動模型冰排作用于結(jié)構(gòu)物；②推動結(jié)構(gòu)物作用于冰排，兩者均模擬具有強大動能的流冰對結(jié)構(gòu)物的作用。撞擊力模擬不需要流冰具有強大的動能，無造流條件的實驗室用拖車帶動流冰以一定速度運動，在撞擊前依靠慣性運動實現(xiàn)動能模擬以便滿足試驗需要[10]；有造流條件的實驗室用水流帶動模型冰運動。

試驗在長50m、寬3m、深1m的波流水槽內(nèi)進行，該水槽有2臺總流量為0.65m3／s的雙向造流設(shè)備，能夠利用變頻調(diào)速方式調(diào)節(jié)流速。試驗時模型冰滿足幾何相似、重力相似、彈性相似和破壞形態(tài)相似；碼頭樁模型滿足幾何相似。使用的冰力和位移測量技術(shù)均有文獻報道[9，12]。因流冰撞擊力物理模擬試驗考慮的因素同擠壓力不同[12]，流冰塊面積、密集度、運動速度均是物理模擬試驗監(jiān)測的第一手資料。為此選擇6個單軸壓縮強度和6個運動速度，形成一個6×6的試驗組合，每組試驗重復3次。從而可以建立在物理模擬條件下的流冰對單樁和一榀碼頭排架撞擊力及其同模型冰物理和力學參數(shù)的試驗關(guān)系，形成具有普適性的不同強度、不同動能下單樁冰力上限值的計算方法。利用這些關(guān)系和原型冰的物理和力學參數(shù)，能根據(jù)流冰的面積、厚度、運動速度和壓縮強度，計算流冰塊的動能，然后確定單樁設(shè)計冰力?；乇芰藦奈锢砟M結(jié)果到原型設(shè)計冰力的相似復原難題。

1.1 模型冰密度和壓縮強度

模型冰采用DUT－1非凍結(jié)可破碎合成模型冰[13]。試驗前預制的模型冰排面積為2.0m×1.9 m，按模型比尺確定鑄模厚度1.0～1.2cm。每次試驗之前，將預制好的模型冰排連同模具一同放入水槽中，緩慢注水直至模型冰排浮起脫離模具，浸泡約1h，使其完全飽水后，測量模型冰密度和壓縮強度。

從模型冰一邊切出6～10塊長方體小冰塊，記錄冰塊的長l、寬w、厚h，得到冰塊體積V＝lwh。在天平上測量其質(zhì)量M，計算每個冰塊的密度，最后取平均密度。此外，切割出6～10塊長方形小試樣，記錄試樣的寬度和厚度，然后壓縮試樣直至其破壞，并用計算機采集作用力過程；計算各試樣的壓縮強度，取其平均值作為模型冰的壓縮強度[14]。

1.2 模型冰運動速度和面積

模型冰運動速度是由實驗室上方固定的CCD連續(xù)拍攝照片，經(jīng)過圖像處理得到。試驗開始前，在模型冰表面放置邊長為0.25m正三角形標志物作為標定。其圖像分析原理與文獻 [15]相同。選取模型冰與樁接觸前的5～10幀圖像進行圖像分析，得到運動速度，取其平均值作為模型冰撞擊結(jié)構(gòu)物前的運動速度。

從CCD圖像中檢測出模型冰塊的邊緣，進行圈選，進而獲得相應的像素面積，然后轉(zhuǎn)換成模型冰塊實際面積[16]。

1.3 碼頭樁結(jié)構(gòu)模型和測力方法

試驗以一榀碼頭排架為研究對象，它由7×4根直樁及7×2根斜樁支撐，圖1為樁腿平面布置圖。圖2為試驗模型布置示意圖。一榀碼頭排架模型中，每根樁由直徑20mm的薄壁鋼圓柱制成。前排7根樁的一端與高精度測力傳感器連接，測力傳感器的另一端固定在碼頭模型上。其它樁不安裝測力傳感器。安裝傳感器的7根樁的長度比其它35根樁略短，整個排架模型依靠35根樁腿支撐并放到水槽的地面，依靠重物將整個排架模型牢固壓住。另外，為了模擬每一榀碼頭排架之間的遮蔽作用，在測力的一榀碼頭排架模型左右兩側(cè)，各放一榀不測力的碼頭排架模型。試驗時，流冰置于結(jié)構(gòu)物模型外一定距離，啟動造流設(shè)備，水流帶動流冰塊由靜止達到勻速運動，撞擊結(jié)構(gòu)物。同一塊模型冰先模擬大面積流冰塊，然后逐漸破碎，模擬小面積冰塊。模型冰與排架樁腿撞擊試驗照片見圖3。

圖3 模型冰與排架樁腿撞擊試驗照片F(xiàn)ig.3 Photo of the impact test of the model ice and piles

2 結(jié)果分析

2.1 試驗模型冰參數(shù)和流冰對結(jié)構(gòu)物作用力

表1匯總了模型冰物理和力學參數(shù)。對全部試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到試驗流冰運動速度為0.02～0.31m／s；流冰面積為20～58505cm2；壓縮強度為30.66～85.60kPa。按照試驗模型比尺1∶40，相當原型運動速度0.13～1.96m／s，流冰面積3.2～9361m2，壓縮強度1228～3424kPa。這些原型參數(shù)覆蓋了渤海流冰運動速度和壓縮強度范圍。工程區(qū)防波堤建設(shè)前后的流冰物理和力學參數(shù)均在試驗條件范圍之內(nèi)。

試驗單樁冰力是指作用在一榀碼頭排架前排7根樁中的任意一根樁上的冰力。試驗中有時只有一根樁承受冰力；有時多根樁同時受力，或有些樁非同時受力。系列試驗共進行176次，有效數(shù)據(jù)162組。冰力與動能間的試驗關(guān)系表明流冰撞擊結(jié)構(gòu)物時存在冰力上限值（圖4），符合理論結(jié)果。

圖4 單樁上冰力同流冰動能的試驗關(guān)系fig.4 Experimental relation between ice force on a signle pile and kinetic energy of model ice blocks

表1 試驗模型冰參數(shù)匯總Table1 Parameters of the tested model ice

抗冰結(jié)構(gòu)物設(shè)計一般需要的冰物理和力學參數(shù)有極限壓縮強度、厚度、運動速度和冰塊面積。為了使試驗成果具有普適性，對作用在單樁上的冰力（F）、冰極限壓縮強度（σc，max）和冰塊動能（Q）進行復相關(guān)統(tǒng)計，獲得最佳擬合關(guān)系式（1），其對應統(tǒng)計關(guān)系曲面見圖5，該曲面覆蓋了撞擊冰力的上限值和擠壓冰力。

式（1）表明冰對結(jié)構(gòu)物的撞擊力隨動能增加、冰極限單軸壓縮強度的增加而增加，但存在一逼近值，該值是冰對結(jié)構(gòu)的擠壓作用力。從數(shù)學優(yōu)化上，式（1）最佳，但它目前還沒有發(fā)展到物理解釋的程度。建立式（1）的目的是在工程應用中，將流冰壓縮強度按照比尺、面積按照比尺的平方和運動速度按照比尺的平方根縮小，計算模型冰塊的動能；再由式（1）計算冰力上限值，最后按照同樣比尺的立方復原到原型冰力。通過這樣的步驟可以解決試驗時有時冰塊面積和運動速度不能達到比尺要求，但它的動能能夠達到試驗的要求，從而解決有些試驗條件對一定比尺的限制，拓展試驗條件的利用范圍。

試驗還發(fā)現(xiàn)：當冰塊尺寸為樁間距的2～3倍時，冰塊撞擊后通過樁間的幾率較小，多數(shù)冰塊發(fā)生偏轉(zhuǎn)運動，離開樁；當冰塊尺寸＜1倍樁間距時，受沿岸流的影響，冰塊進入樁間的幾率也不大；當冰塊尺寸再小時，無論流冰的密集度如何，流冰對結(jié)構(gòu)的撞擊力都基本為零。

圖5 單樁冰力上限值與流冰動能和壓縮強度的曲面關(guān)系Fig.5 Upper ice force vs.kinetic energy and compressive strength

2.2 工程條件下單樁和一榀碼頭排架結(jié)構(gòu)設(shè)計冰力

對于長興島葫蘆灣內(nèi)碼頭結(jié)構(gòu)物冰力設(shè)計而言，近岸流冰運動接近沿岸流，而碼頭結(jié)構(gòu)物主軸線基本平行于海岸，與流向最大夾角15°。所以流冰同時作用到一榀碼頭排架前排7根樁的幾率較小。而作用到某一樁，然后再將作用力傳遞到一榀碼頭排架其它樁的情況占主導地位；另外非同時作用到一榀碼頭排架多樁上的冰力不需要累計作為結(jié)構(gòu)整體上的冰荷載。因而將同時發(fā)生在不同樁上的最大冰力視為單樁最大冰力；將同時發(fā)生在不同樁上的冰力合成，即為一榀碼頭排架結(jié)構(gòu)總冰力。不同時發(fā)生在不同或相同樁上的冰力不能作為一個事件進行統(tǒng)計，從而避免了將不同時的作用力重復計算。

首先從不同壓縮強度流冰試驗冰力與動能的關(guān)系曲線（圖4）上確定相應動能下的單樁冰力和一榀碼頭排架結(jié)構(gòu)總冰力，然后利用這些冰力和對應的壓縮強度，建立散點圖及其上包絡(luò)線。根據(jù)設(shè)計的模型冰壓縮強度和上包絡(luò)線確定設(shè)計冰力。本文按照1∶40比尺和防波堤建成前的冰條件對應的設(shè)計動能0.37J，冰單軸極限壓縮強度為56.25kPa。據(jù)此，流冰對單樁的作用力是23.87N（圖6a），復原到原型單樁設(shè)計冰力為1527.7kN。流冰對一榀碼頭排架結(jié)構(gòu)總冰力為51.55N（圖6b），復原到原型總冰力為3299.2kN。

圖6 一榀碼頭排架單樁和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計冰力與壓縮強度的關(guān)系Fig.6 Design ice forces on a single pile and total force on piles group in an element of the structure with compressive strength

防波堤建成后，工程區(qū)的冰極限壓縮強度因受冰溫度控制，不會發(fā)生顯著變化；防波堤外大面積流冰塊進入碼頭的幾率降低，只有港內(nèi)生長的薄冰，而流冰的運動速度將顯著減慢。如果流冰的極限壓縮強度、厚度、面積不變，流冰運動速度由原來的0.8m／s降低到0.7，0.6，0.5m／s 或0.4 m／s，冰力會隨動能下降而大幅度下降，結(jié)果見表2。由此可見流冰的運動速度在冰撞擊力中起控制作用。

表2 不同流冰速度和面積的設(shè)計冰力值Table2 Design ice force for various ice speeds and sizes／kN

3 結(jié) 論

1）在流冰撞擊結(jié)構(gòu)物時，流冰運動速度是控制流冰動能的關(guān)鍵因素。當流冰的厚度和面積不變時，速度減小，就導致流冰動能和對結(jié)構(gòu)物撞擊力減小。單樁上流冰作用力上限值同冰塊動能和極限壓縮強度之間存在復相關(guān)關(guān)系。

2）尺寸相當2～3倍樁間距的冰塊撞擊單樁后很少發(fā)生破碎，而多數(shù)在樁前旋轉(zhuǎn)運動，隨流離開單樁；因流冰運動方向同碼頭軸線夾角成15°且尺寸＜1倍樁間距的冰塊，進入群樁腿之間的幾率不大；如果冰塊尺寸再小，無論流冰的密集度如何，流冰對結(jié)構(gòu)的撞擊力基本接近零。

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