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海冰物理力学特性在海上测风塔基础设计中的应用

时间:2023-08-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:渤海和黄海北部平整冰的盐度通常为3.0~12.0,集中分布于4.0~7.0,河口浅滩附近海冰的盐度集中于1.0~4.0。海冰的力学特性参数包括海冰的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、弹性模量和摩擦系数等。海冰的抗压强度是最重要的海冰力学特性参数,其大小与众多变量有关。当海冰在风和潮流的携带下,随着潮流的变化,冰层对建筑物的挤压力也在变化。

海冰物理力学特性在海上测风塔基础设计中的应用

由于海冰的力学强度比海上结构物的材料强度要小得多,因而海冰作用在结构物上的冰压力主要取决于海冰自身强度。海冰强度除了与其温度、含盐度和结晶构造有关外,还与冰的加载速度等相关[7]

1.海冰的物理特性参数

海冰的物理特性参数包括海冰密度、温度、盐度和比重等。

海冰密度指单位体积海冰的质量,主要取决于海冰的温度、盐度和冰内气泡的含量。渤海和黄海北部平整冰的密度通常为750~950kg/m3,集中分布在840~900kg/m3。堆积冰的密度减少5%~15%。海冰密度在垂直方向上的变化不明显。

海冰的温度指冰内部的温度。渤海和黄海北部平整冰的表层温度通常为-2~-9℃,多集中于-3~-5℃。有时表层冰温可用海上日平均气温代替。表层20cm以下的海冰温度基本不变,为-1.6~-1.8℃。冰层的温度主要受气温、冰厚和冰的热传导系数等因素控制,工程中常采用等效冰温来确定这些因素的综合影响。

海冰的盐度指海冰融化成海水所含的盐度,其高低取决于形成海冰的海水盐度、结冰速度和海冰在海中生存的时间等。渤海和黄海北部平整冰的盐度通常为3.0~12.0,集中分布于4.0~7.0,河口浅滩附近海冰的盐度集中于1.0~4.0。

冰的比重比较稳定,典型值在0.88~0.92之间。

2.海冰的力学特性参数

当进行海冰对结构物作用力计算时,对于具有垂直外表面的结构物冰压力计算,需要掌握冰的抗压强度参数,而一些有锥形外缘的结构物,则需要了解海冰的抗弯强度参数。海冰的力学特性参数包括海冰的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、弹性模量和摩擦系数等。

海冰的抗压强度是最重要的海冰力学特性参数,其大小与众多变量有关。海冰抗压强度与海冰的密度相关,海冰密度增大时其冰质愈坚硬,抗压强度愈大。抗压强度还与海冰温度有关,当冰的温度降低时,冰质坚硬,冰的抗压强度就相应增大。随着冰温下降,海冰内盐水滴中的一部分水离析出来而冻化,盐水滴尺寸变小,冰的强度和弹性刚度提高。冰温的变化对冰极限抗压强度的影响比较明显,大体上从0℃开始每下降10℃,冰的极限抗压强度增加一倍。抗压强度还与海冰的盐度有关,海水中含盐量越高,强度和弹性刚度参数越低。冰的盐度愈大,其抗压强度越低。

海冰的抗压强度还与加载速度有关系。所谓加载速度是指冰层对建筑物产生挤压作用的速度,在自然条件下作用于建筑物上行进的冰速范围较大。实验表明,当加荷速率增快时,抗压极限强度明显降低。加荷速率快、慢不同,抗压强度可相差2~3倍。当海冰在风和潮流的携带下,随着潮流的变化,冰层对建筑物的挤压力也在变化。(www.xing528.com)

海冰抗压强度沿着冰厚在竖向分布上并不均匀,冰体上部的强度大于冰体下部的强度,工程中采用冰体强度垂直分布的平均值。除此之外,建筑物形状对抗压强度也有影响,建筑物(墩柱)形状的不同,可使冰块接触应力状态发生变化,从而直接影响着极限抗压强度,尤其是尖角形建筑物,会降低冰极限抗压强度。

与海冰的抗压强度不同,海冰的抗拉强度与加载速率、冰的孔隙度和海冰温度等没有很强的依赖关系。对于淡水冰抗拉强度可达2MPa,对于海水冰抗拉强度可达1MPa。对于柱状冰,其抗拉强度与其加载方向有关,沿柱状方向的强度是沿垂直于该方向强度的4倍。

海冰的抗弯强度是在弯矩作用下,海冰因受拉而破坏的强度。海冰受弯时将引起中和轴的偏移,海冰的弹性性能取决于中和轴沿冰厚的位置,因此当采用冰的弯曲试验来推算海冰的抗拉强度时应慎重。一般情况下,海冰的弯曲强度约为抗压强度的0.23~0.40倍。在缺乏实测资料时,平整冰的弯曲强度可近似计算为[13]

式中 σf——平整冰的弯曲强度;

Vb——平整冰盐水体积;

St——平整冰盐度;

T1——平整冰温度,且适用范围为-22.9~-0.5℃。

当冰的变形过程不是纯弹性时,冰的弹性模量取决于其加载速率,通常使用有效弹性模量来描述冰的这一特性。在准静力速度下,海冰有效弹性模量在3~5GPa之间,当加载速率很慢时,有效弹性模量可低至1GPa。除非在设计中考虑冰的弯曲和屈曲,否则冰的弹性模量对海洋结构物的设计影响不大。

冰的泊松比在声速时为0.25,在准静力工程荷载时为0.3,在长期蠕变荷载作用下约为0.5。很多作用对海冰的泊松比并不敏感,对于准静力弯曲和屈曲,泊松比约为0.3[11]

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