海冰的物理力学特征与海冰的作用力.pdfVIP

《海洋工程环境学》 《海洋工程环境学》 第六章 海冰 第六章 海冰 6.1 海冰的概述 6.2 海冰的物理力学特征与海冰的作用力 §6.2海冰的物理力学特征 与海冰的作用力 本节内容： §6.2.1、海冰的物理力学特征 §6.2.2、海冰静冰力作用 §6.2.3、海冰动冰力作用 §6.2.1、海冰的物理力学特征 特性包括：海冰的晶体结构、厚度、含盐度、抗压强度、抗弯 强度，此外海冰的弹性模量E和泊松比也是海冰的重要力学参 数。 特性的形成具有明显的区域性与时间性特点，与所含盐度密切相 关。比如含有盐水泡的海冰就不如纯水冰密结与质硬，其抗压强 度比纯水冰低，约为纯水冰的3 ／4大小，而多年冰的盐分经过排 析后降低了盐度，使其强度和刚度又比单年冰高。 海冰的晶体结构呈现各向异性的特性，结构形式 随海冰类型不同而不同。浮冰以粒状冰晶为主， 几何尺度细小；固定冰主要是柱体结构，冰晶在 垂直方向增长较多。 海冰的强度极限是海冰研究的重点，因为要设计成海冰先 破坏形式：挤压破坏、剪切破坏、弯曲破坏、压曲破坏、 物理力学特性有 结构形式与构件布置有关。 1、抗压强度 海冰垂直作用在结构物上时，海冰所受挤压力的作用 强度最大，相应的海冰破坏称为海冰挤压破坏。 影响因素：海冰的类型、温度、盐度、密度、加载速率、加 载方向 （1）海冰的抗压强度随温度降低而得到增强。 （2 ）抗压强度随盐水泡的相对体积VB增大而降低 （3 ）加载（速）率对海冰抗压强度的影响很大。 （4 ）随水平或垂直方向的加载方向不同，海冰抗压强度存 在明显的各向异性。 （1）海冰的抗压强度随温度降低而得到增强。 （2 ）抗压强度随盐水泡的相对体积VB增大而降低 另有经验公式给出海冰抗压强度与盐水体积的关系为： （3 ）加载（速）率对海冰抗压强度的影响很大。 在低加载率时，海冰抗压强度随加 载率的增大而增大，这时的海冰呈 现韧性破坏（属于延性阶段）；当 加载率增加到一定值和强度达到最 大值后，就开始随加载率的增大而 减小，呈现脆性破坏（处于脆性阶 段）。这说明海冰具有韧脆转变特 性，运动速度变化使得海冰对海洋 结构物的挤压作用力随之发生变化 。 2、抗弯强度 特点：抗弯强度较小，一般为其压缩强度的三分之一左右， 所以海冰最容易在受到弯曲应力时遭到破坏。 海冰弯曲破坏：海冰作用在结构物的倾斜面上而沿斜面上爬 时受弯曲而破坏。 应用：海冰弯曲破坏时对结构物的作用载荷也最小，因而在 平台设计中有将与海冰接触的桩腿部分设计成锥体结构形式 ，这样可有效地减小海冰作用，达到保护结构的目的。 影响因素：温度、盐度是影响海冰抗弯强度的主要因素，还 有加载率、加载方向等 表现为随温度降低而增强，随盐水体积的增大而减弱 由Vaudrey (1975)建议的海冰抗弯强度计算公式为： 式中：盐水体积 S为海水盐度；t为海冰温度(℃) DYkin( 1971)在海冰计算中使用的抗弯强度计算公式为： 3、其他 海冰屈曲破坏 ：指海冰由于稳定性的丧失而被破坏的现象 ，当厚度较小、结构不均匀的薄冰在与直立结构物相互挤压 作用时，该现象发生。 此外，海冰还有其他破坏形式，如剪切破坏、劈裂破坏、剥 落破坏、蠕变破坏等。不同的破坏形式产生的冰力载荷大小 也不同。 海冰的弹性模量E是海水温度、盐度等的函数，随温度降低 而增大，随盐水体积的增大而减小，其压缩弹性模量在 0.8~2.6 GPa之间，弯曲弹性模量在0.2~0.8GPa之间。 §6.2.2、海冰静冰力作用 海冰对结构物的作用力： 水平挤压力，撞击力，垂向附着力，重力，膨胀力，摩 擦力 ，扭转。 实际上，冰力表现为随机荷载，随时间呈不规则变化。在工程 应用中有时为了简化，就将冰力当作一个确定值，近似为静力 作用 。 1、海冰水平挤压力 海冰水平挤压力是海冰对海洋工程结构物的主要作用形式 相互作用：海冰对直立结构物的垂直作用，海冰受到结构物的反 作用力超过海冰的极限抗压强度，使海冰发生挤压形式破坏 影响：由于海冰具有最大的抗压强度，这使得由海冰水平挤压力 产生的强度最大，