渤海固定結構物冰力特點及計算方法

王夢穎，穆 頃，張曉頻，張 霖，李 明

(中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司 工程設計研發(fā)中心，天津 300452)

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渤海固定結構物冰力特點及計算方法

王夢穎，穆 頃，張曉頻，張 霖，李 明

(中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司 工程設計研發(fā)中心，天津 300452)

針對冰力計算目前國內海洋工程界一直采用API RP 2N標準，而其大多針對美國特定海域，與渤海實際冰力存在差距且操作性較差的問題，根據(jù)渤海海冰特點及作用形式，從冰力產生的影響因素入手，對常見的海冰擠壓破壞，對比分析不同冰力計算方法，總結出適用于渤海冰力計算的方法。

固定結構物；渤海海冰；擠壓破壞；冰力計算

渤海是我國緯度最高的海區(qū)之一，其東面開口，北、西、南三面被陸地包圍，由于冬季的北風、寒流、降溫及大雪等影響，渤海海域常有大面積結冰的現(xiàn)象，在冰情嚴重時期，出現(xiàn)過海上石油鉆井平臺曾被冰推倒的例子[1]。同時研究表明，冰力對渤海區(qū)域海洋結構的作用，如對平臺產生的傾覆力，可能會超越風浪流的組合荷載，成為冬季渤海海域平臺結構的控制性荷載[2]。

冰力計算國內海洋工程界普遍采用API RP 2N標準，然而其主要針對美國海域，其推薦的冰力計算方法與渤海實際冰力值存在較大差距。為此，分析渤海海冰的主要特點及海冰與結構物相互作用的形式，從不同角度介紹冰力計算的方法。針對常用的海冰擠壓冰力，介紹國內外常見的計算方法，并以渤海固定結構物為例，對各種方法計算出的冰力值進行比較，得出適用于我國渤海海域工程實踐的冰力計算方法。

1 渤海海冰特點及作用形式

渤海海冰的特點是壽命比較短，一般在4個月左右，屬于1年冰。直觀上根據(jù)渤海海冰的尺度特征將海冰分為大面積冰原和流冰，大面積冰原是指海岸向外延伸數(shù)米至數(shù)千米，流冰是指自由漂浮在海上，能隨風、海流漂移。

根據(jù)冰荷載與固定結構物相互作用特點，冰荷載的主要作用形式有：

1)在海流和風作用下，大面積冰原整體移動，緩慢擠壓結構物。若結構物強度能夠承受這種推力，則冰原被結構割裂而繼續(xù)向前移動。

2)自由漂流的流冰對結構的沖擊，多為發(fā)生在流冰期間的冰塊對結構物的碰撞作用[3]。

海冰對結構物的作用過程，因海冰的動能及其強度不同而異。對于流動的大面積冰原，當與結構物接觸時，首先產生局部變形，然后作用力逐漸增大直至大面積冰原在直立結構物前停留下來，結構物部分或全部的切入大面積冰原。對于面積較小的流冰，若其本身動能足夠大，則能使直立結構物切入，若動能不足，則會停滯在結構物前。對于流冰，前者出現(xiàn)的冰力較大，后者可以忽略。

2 冰力計算方法

多年來國內外很多學者為了確定結構物冰力進行了大量的理論計算、數(shù)值模擬、模型試驗等，然而由于天然海冰受地域環(huán)境因素(海水鹽度、溫度、風速及流速等)影響[4]，且海冰力學行為復雜，力學參數(shù)離散性較大，很難將冰力用統(tǒng)一的公式計算，且應用不同的理論或公式計算出的冰力相差較大。

冰力的大小受到環(huán)境驅動、冰體的動量及冰體破壞等因素的影響[5]。從冰力產生的影響因素入手，不同的冰力計算方法有：受環(huán)境驅動限制的冰力、受冰力動量限制的冰力和受冰體破壞限制的冰力。

2.1 受環(huán)境驅動限制的冰力

由于作用在海洋工程結構物上的冰力不可能比環(huán)境驅動力大，環(huán)境驅動因素包括風和流，對于一塊面積為A的冰塊，他們產生的驅動力為

F=0.5CwρwAV2

(1)

式中：Cw——風或流的拖曳力系數(shù)；

ρw——空氣或水的密度；

V——風或流的速度，m/s。

2.2 受冰體動量限制的冰力

海冰在風與流作用下撞擊結構物，當冰塊具有的動能較大，能夠切入結構物，冰塊被結構物割裂而繼續(xù)向前移動，則該情況下冰力按冰體破壞方法考慮。如果冰塊具的動能較小，僅能切入結構物的一部分，此時可以從物體撞擊和動能理論出發(fā)，假定冰塊的動能主要消耗在冰緣破壞所做的功上面，根據(jù)能量守恒可以確定結構物上作用的最大冰力。

以三角形端部結構物為例，當長、寬、厚分別為L、B、h的冰塊以v速度撞擊結構物(見圖1)，海冰的擠壓強度σc=2.5σc，海冰與結構物的擠壓面寬度為bj時，作用于結構物上的冰壓力為

(2)

式中：m——形狀系數(shù)。

圖1 冰塊對三角形端部結構的擠壓示意

冰塊被結構物切入的深度為x，則

bj=2xtanα

冰塊被結構物切入深度為x時所需消耗的功為

(3)

冰塊具有的動能為

(4)

式中:γ——冰塊的重度。

令T功=T動，得出結構物切入冰塊的深度x為

(5)

將x代入上兩式，得出冰壓力

(6)

2.3 受冰體破壞限制的冰力

當冰體作用在結構物上時，冰體會出現(xiàn)幾種不同的破壞模式。從實驗室和現(xiàn)場觀測到有4種基本的破壞模式：擠壓、彎曲、屈曲和劈裂，設計時應該考慮所有可能出現(xiàn)的破壞模式并取其中的最小值作為作用在結構物上的冰力。

一般來說，當海冰與垂直結構物相互作用時，結構物部分或全部切入冰塊，海冰發(fā)生擠壓破壞；當結構物的構件具有傾斜面時，海冰與斜面接觸時，會產生彎曲破壞；當海冰與結構物的接觸面的寬度與海冰厚度比值接近100的量級時，海冰可能會發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞[6]；當海冰發(fā)生擠壓破壞時，在接觸區(qū)形成一條裂紋，冰在開裂后會產生劈裂破壞，它對結構所產生的力比擠壓破壞低。因此,應用冰體破壞方法計算冰力時，應首先判斷海冰與結構物相互作用時可能出現(xiàn)的破壞形式，然后計算相應的冰力，取其小者作為設計荷載。

針對目前渤海海域最常見的導管架平臺，多數(shù)導管架結構構件(抗冰設計結構如抗冰錐除外)屬于垂直結構物(與水平面交角大于75°)，排除彎曲破壞；結構物的接觸面的寬度與海冰厚度比值遠小于100的量級，亦不容易發(fā)生屈曲破壞；而劈裂破壞發(fā)生在擠壓破壞之后且產生的冰力比擠壓破壞低，因此工程實際中常根據(jù)冰的擠壓破壞形式確定相應的冰力。

3 基于擠壓破壞的冰力計算方法

直立結構物上的冰力一直是學界關心的熱點問題，很多學者對海冰的擠壓力提出了計算公式，這些計算方法多是基于早期現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)回歸得到的經驗公式，由于試驗數(shù)據(jù)受到所研究特定海域限制，不同冰力計算公式之前計算結果相差很大。

3.1 Masterson曲線

API RP 2N規(guī)范中，關于冰的擠壓破壞提到了實測冰壓力方法。該方法是Masterson在進行大量現(xiàn)場試驗的基礎上，并匯總Metge、Blanchet等人現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，提出的均值以上2倍標準偏差(M+2SD)和3倍標準偏差(M+3SD)的曲線，見圖2，圖中橫軸為海冰擠壓結構物面積，縱軸為冰壓力。

圖2 實測的冰壓力

對于2倍標準偏差：

當0.1≤A≤29時，

(7)

當A>29時，p=1.5。

式中：A——海冰擠壓結構物的面積,m2。

3.2 德國Schwarz公式

API RP 2N規(guī)范提供的另一種擠壓冰力計算方法是修正的Korzhavin公式方法如下。

F=lfcσcD

(8)

式中：l——嵌入系數(shù)；

fc——接觸系數(shù)。

但是在實際應用中，l和fc系數(shù)的取值難以確定。目前在渤海地區(qū)應用比較廣泛的是與Korzhavin公式類似的Schwarz公式。1976年Schwarz根據(jù)在河流橋墩60 cm直立柱上的現(xiàn)場測試及在美國IOWA的模型試驗[7]，提出冰力計算公式如下。

(9)

式中：D、H——結構物寬度,海冰厚度，cm；

σc——海冰擠壓強度，kN/cm2(標準單位為MPa)。

Schwarz公式的應用是有范圍限制的，一般認為是結構物的單根桿件直徑不超過2.5 m。

3.3 渤海冰力計算特定公式

1986—1991年，渤海石油公司在遼東灣JZ20-2-1和JZ20-2-3兩座平臺上進行了大量現(xiàn)場測試及室內模型試驗，并與德國Mecon公司合作研究，根據(jù)現(xiàn)場測試及模型試驗結果，Schwarz在原公式基礎上得出適用于渤海的冰力計算特定公式[6]，公式分為單層冰和重疊冰計算方法。

單層平整冰：

(10)

重疊冰(層狀冰)：

(11)

3.4 日本Hamayaka公式[8]

F=CD0.5Hσc

(12)

式中：C——結構物斷面系數(shù)，圓形截面取5.0，矩形截面取6.8。

針對上述不同的冰力計算方法，以渤海某區(qū)域一百年一遇的海冰(單層冰的冰厚為35 cm，抗壓強度為2.04 MPa；重疊冰的冰厚為52.5 cm，抗壓強度為1.63 MPa)，分別計算直徑為2 300 mm的樁腿和直徑為610 mm的隔水套管上的冰力，計算結果見表1。

表1 不同計算方法的冰力值比較 kN

對于上述計算結果，可以明顯看出實測冰力法Masterson曲線計算出的冰力值近乎其他方法的十倍，數(shù)值明顯偏大，不適用于我國渤海海域的冰力計算；德國Schwarz公式與日本Hamayaka公式計算結果相差不大；而利用渤海特定公式計算出的重疊冰冰力值與德國Schwarz公式和日本Hamayaka公式結果吻合，但是單層冰計算的結果偏大。

對于渤海的擠壓冰力計算，目前工程實踐中慣用的做法是將冰力計算的公式標定成如下形式。

F=mIfcσcDH

(13)

式中：m——形狀系數(shù)，圓形為0.9，矩形為1.0；

當結構物寬度D>2.5 m時，Ifc=0.4。

該方法是在德國Schwarz公式基礎上得出的，并給出了當結構物寬度大于2.5 m時冰力的計算方法。

4 結論

海洋固定結構物冰力計算是海洋工程結構設計中的重要環(huán)節(jié)，從冰力產生的影響因素入手系統(tǒng)介紹冰力計算的方法。對于常見的基于冰體破壞的擠壓冰力計算，采用API RP 2N規(guī)范推薦的Masterson曲線實測冰力計算方法，與我國渤海實際情況存在差異；而采用API RP 2N規(guī)范推薦的修正的Korzhavin公式，操作起來有一定難度。通過對國內外常見的擠壓冰力計算方法及渤海冰力計算特定公式進行對比分析，總結目前工程實踐中適用于我國渤海海域的冰力計算方法，為渤海固定結構物冰力計算提供參考。

但是，基于目前的理論水平，冰力計算中仍然存在一些有待解決的問題，如渤海特定公式計算出的單層冰冰力值較目前常規(guī)做法偏大，且近些年來有研究者提出“擠壓同時破壞”[7,9]理論，該理論認為擠壓同時破壞發(fā)生時的冰力大于被現(xiàn)在普遍接受的擠壓非同時破壞的冰力值,同時該理論認為在本文中提到的擠壓破壞冰力算法是基于擠壓非同時破壞理論的。故在冰力計算的問題上，仍需加大現(xiàn)場觀測、模型試驗和理論分析的力度，對現(xiàn)有做法不斷完善。

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[2] 金書成.冰荷載對導管架海洋平臺的作用研究[J].中國海洋平臺,2010,25(5):15-19.

[3] 姜萌.近海工程結構物：導管架平臺[M].大連：大連理工大學出版社，2009.

[4] 李玉珊.渤海固定結構冰力計算中的問題[J].中國海上油氣(工程)，1999,11(1):21-23.

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[9] 王譯鶴.直立柔性窄結構上的海冰擠壓同時破壞[J].哈爾濱工程大學學報，2014,35(8):982-986.

Study on Ice Force Characteristics and Calculation Methods for Fixed Structure of Bohai Sea

WANG Meng-yin, MU Qing, ZHANG Xiao-pin, ZHANG Lin, LI Ming

(Research & Design Center, CNOOC EnerTech Equipment Technology Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

At present the calculation of ice force has been using API RP 2N in domestic marine engineering field, but the rules is appropriate for the specified sea area of USA and has poor operability. According to the characteristics of Bohai sea ice and the form of action, the ice force calculation method was analyzed from impact factors of the ice force. For the common crushing damage, it summarized the method applicable to the Bohai ice force calculation by comparing different calculation methods.

fixed structure; Bohai sea ice; ice crushing; ice force calculation

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.034

2016-05-04

王夢穎(1985—)，女，碩士，工程師

TE951

A

1671-7953(2016)05-0135-04

修回日期：2016-05-26

研究方向:海洋工程結構設計

E-mail:wangmy12@cnooc.com.cn