东营港某桩基引桥工程防冰设计

结合目前国内冰荷载研究现状,主要介绍了东营港某桩基工程的冰荷载类型、冰荷载计算方法及防冰设计方案,从施工难易程度、施工工期、投资造价等方面考虑,着重分析比较了预制挡冰裙和基桩外包钢皮这两种防冰措施的特点,并总结了海港工程防冰设计应注意的主要事项,供同类工程设计时参考、借鉴。     

冰激自升式钻井平台的动力响应分析

由于冰荷载研究的限制,冰区自升式钻井平台尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。为了合理地开展自升式平台结构的抗冰概念设计与安全评价研究,冰荷载下自升式钻井平台的动力响应分析是十分必要的。该文首先分析该类柔性结构在动冰荷载下的动力特性;其次,结合开展的自升式平台冰荷载模型实验研究,明确带齿条桩腿的自升式平台冰荷载作用形式;最后,对渤海某自升式钻井平台在典型冰况下进行冰振动力响应分析。文中的研究对冰区自升式钻井平台抗冰设计及冰振安全评估提供了合理的参考。     

冰区海洋平台结构整体抗力及极值响应的概率统计特性

冰荷载是冰区海洋平台设计的控制荷载,极值冰力直接危害着平台结构整体的安全。文章以渤海辽东湾导管架海洋平台为例,考虑了海洋平台结构抗冰设计的各种不确定性;基于Pushover方法,得到了海洋平台结构的简化力学模型,分析了极值冰荷载下海洋平台结构整体抗力以及极值响应;并且采用K-S检验法,对结构整体抗力及极值冰力响应的概率统计特性进行了分析。结果表明,简化的海洋平台分析模型合理,并且结构抗力参数服从正态分布;而极值冰力下,结构顶点最大位移服从对数正态分布。以上结论可为研究冰区海洋平台整体安全可靠性分析提供参考。     

冰区海上风电基础的抗冰性能分析

海上风电基础属于典型的柔性结构。由于冰与柔性抗冰结构相互作用的复杂性,长期以来尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。结构抗冰设计中大都是从极端荷载出发,只考虑最大静冰力或最大倾覆力矩。基于对渤海辽东湾柔性抗冰结构的多年监测,发现强烈的冰激振动引起柔性结构的风险性要远大于极端静冰荷载下结构的整体安全问题。为了明确冰区风电基础结构的抗冰性能及抗冰设计的合理性,文章结合基于多年现场冰与结构作用观测及冰荷载的研究成果,明确该类柔性结构与海冰作用形式及其动力特性;提出了柔性抗冰结构设计中应考虑的主要失效模式及评价方法。最后,以渤海某典型风电基础为例,对其抗冰性能进行评价。该文的研究可为寒区风电基础的抗冰设计及安全保障提供合理依据。     

湖区桩基极限挤压冰力计算研究

现行JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》提出了海冰和河冰的极限挤压冰力计算公式，但是规范中没有针对大面积淡水湖区的计算公式。基于实际工程，通过对比分析国内相关行业规范针对极限挤压冰力的计算公式，并结合数值模型实验得出，利用《港口工程荷载规范》的河冰公式计算得出的极限挤压冰力偏小，而海冰公式计算得出的极限挤压冰力偏大，根据现行JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》得出的极限挤压冰力与数学模型模拟值基本一致。因此对于大面积淡水湖区极限挤压冰力的计算可以参考《公路桥涵设计通用规范》中的计算公式。该研究为计算大面积淡水湖区极限挤压冰力提供一定的依据，为修订规范时提供参考。     

冰的温度膨胀力研究

在寒冷地区,各类水工建筑物均会受到冰荷载的作用,而冰的温度膨胀力是其中一种对结构产生重要影响的荷载.例如,坐落于寒冷地区的水库建筑、海中固定式结构、防波堤和护岸等.这些结构形成了冰的约束边界,当外界环境温度(主要是气温)发生变化时,冰的温度场也发生变化,从而引起冰的应变,产生温度应力,并对结构产生温度膨胀力.冰的温度膨胀力受多种因素的影响,包括约束边界的形状、约束体的刚度、冰层的相对厚度、升温速率、冰的应变率等.冰的温度膨胀力已引起较为广泛的关注,本文对目前国际上对冰的温度膨胀力具有代表性的几种估算方法进行了介绍和简单的评价,为实际工程的设计提供了一些参考依据.     

锥体海洋平台结构冰荷载的离散单元分析

在冰区油气开发中,锥体结构可以有效降低冰力,避免强烈的冰激振动,是目前渤海油气平台的主要结构形式。为研究海冰与锥体结构的相互作用过程,文章建立了适用于模拟海冰破碎特性的离散单元模型。该模型将海冰离散为若干个具有粘接-破碎功能的颗粒单元,并通过海冰弯曲试验确定了单元间的粘接强度;然后对海冰与锥体结构的作用过程进行了数值计算,获得了相应的动冰荷载及冰振响应;在此基础上讨论了不同锥角影响下冰荷载及结构振动响应的变化规律。结果表明,水平方向冰荷载及结构冰振响应随锥角的增加明显增加,而竖直方向冰荷载则显著降低。该离散单元模型还可进一步应用于不同类型抗冰结构的冰荷载分析,有助于解决冰区结构物的抗冰结构设计和冰致疲劳分析。     

桩墩间距对冰荷载及过冰能力影响的实验研究

在我国北方的水工结构物的设计建造中,通常要考虑流冰对结构的作用,并且桩墩的间距也是被关注的内容之一。文章主要针对单闸墩、双闸墩间距以及多桩间距对冰荷载的影响进行了模型实验研究,通过定间距闸墩模型实验,以及系列桩间距的模型实验和数据分析,获得了间距对闸墩和桩的冰荷载影响的依据,并得到桩间距与冰荷载的关系曲线,可供相关人员参考。所进行的研究初步论述了浮冰在桩墩结构物前堵塞或通过的条件,并提出了有待进一步研究的新课题。     

锥体抗冰结构在码头主体结构中的应用

常规系缆墩由于钢管桩需要承受较大冰荷载,使得结构投资较高,通过结构优化与创新,在曹妃甸30万吨级原油码头工程中系缆墩采用锥体结构,使得流冰由抗压破坏转化为抗弯破坏,可以大大降低冰荷载,从而降低工程投资,具有较好的应用与推广价值.进一步分析了常规结构与锥体结构的优缺点,供专业设计人员参考.     

渤海简易独腿导管架节点全周期疲劳分析

为解决冰区导管架节点存在的冰激与波浪荷载联合疲劳作用问题,采用美国石油学会的简化疲劳分析方法确定受波浪影响较大的节点及其所受荷载的方向,利用SACS软件对这些节点的波浪详细谱疲劳进行分析.针对冰激荷载,考虑到不同冰速下结构物的动力响应差异,分别利用ANSYS软件的瞬态分析和谱分析方法对节点的稳态冰振和随机冰振疲劳影响进...     

极地物探船冰载荷有限元计算方法

采用LS-DYNA有限元软件建立极地物探船的船-水域-海冰有限元模型，计算得到该型船在设计破冰厚度和设计航速下的冰载荷量和冰载荷时程曲线，并进一步研究冰体单元尺寸对冰载荷计算结果的影响。研究表明，冰载荷最大值随冰体有限元单元尺寸减小而减小。对比相关冰载荷经验公式计算结果，最终确定合理的冰体单元尺寸。研究结果对极地物探船的结构设计和结构安全性评估具有重要意义。     

考虑水介质作用的船冰碰撞解耦方法及载荷预报

考虑水介质在船冰碰撞过程中水压变化的影响,是模拟水介质中船-冰碰撞的关键.本文开展数值模拟的动网格技术研究,基于RANS方程和改进的双相流流体体积函数VOF,实时预报船冰靠拢全过程中船体表面、冰体表面的压力变化情况.得到船体表面、冰体表面的P(V)函数.进而将水介质对船冰碰撞载荷的影响简化为对船体、冰体碰撞面预加载荷来实现,达到解耦目的.     

冰区航行船层冰作用下的结构响应

船冰碰撞是一个复杂的动力学过程,如何得到碰撞中的冰载荷一直是船舶碰撞研究领域的热点之一.本文分别建立300000 t冰区航行船和层冰的有限元模型,基于弹塑性理论及非线性有限元理论,利用MSC.Dytran对其碰撞进行数值仿真,模拟了船首及层冰的接触碰撞过程,最终得到船冰碰撞过程中的碰撞力、船首结构响应、船航速变化及能量耗散等参数.分析船冰碰撞过程中的碰撞机理及特性,并对冰区航行船特别是其船壳提出结构加强的建议,为设计冰区航行船提供一定的参考.     

中国新型极地考察船冰载荷预估研究

本文针对中国新型极地考察船所受冰载荷进行了研究,其中包含了平整冰阻力和浮冰碰撞力.对于船舶设计者和建造者来说,船舶冰载荷的预估非常重要.本文采用经验公式方法计算了该船在平整冰中航行的冰阻力,并且与模型试验结果进行了对比.结果显示,计算和试验结果中的冰阻力都随船舶航行速度的增大而增大,经验公式方法可以预测出合理的平整冰阻力.通过计算得到了该船的性能曲线,即该船在不同厚度平整冰中航行所能达到的速度.此外,本文还考虑了该船与圆形浮冰之间的三维斜向碰撞问题,采用解析方法评估了浮冰对船舶的撞击力,研究了撞击位置、法向框架角度以及浮冰尺寸对碰撞力的影响.基于计算结果,本文就冰载荷的预测进行了讨论并提出了一些建议.     

冰区航行船舶推进轴系扭转振动研究

本文以低速柴油机船舶推进轴系为研究对象,在对4叶螺旋桨单片桨叶与冰块相互作用激励力矩时域曲线基础之上,得到螺旋桨与冰块作用的总激励力矩时域曲线和频域曲线；采用集总参数法和系统矩阵法分别构建轴系振动模型和振动方程,对未考虑冰载荷和考虑冰载荷激励力矩作用下进行了轴系振动理论计算；同时通过实船测试验证了未考虑冰载荷激励力矩作用时振动数学模型和理论分析方法的正确性,对降低船舶轴系振动和提高船舶安全性具有一定的理论指导意义。     

Identification of ice loads on shell structure of ice-going vessel with Green kernel and regularization method

Ice loads are important environmental loads that can influence the structural safety of ships during navigation in ice-covered waters. The identification of ice loads on ship hulls is the core of ice load monitoring. In this study, a new ice load identification model based on Green kernel and regularization methods is established. First, the forward model for ice load identification is developed through the discretised convolution integral of ice loads. Next, three commonly used regularization methods, including Tikhonov, truncated singular value decomposition, and least square QR-factorization (LSQR) are adopted to reduce solution errors. The LSQR method is thereafter selected as the optimal regularization operator, and its regular property is proved by numerical cases with ice-induced strains that contain noise. Finally, two load identification cases are conducted on an experimental rig to evaluate the feasibility of the model in ice load identification. The identified loads can determine the signal features of applied loads in the time domain with good accuracy. This identification model provides new insights for full-scale ice load monitoring.     

航行气垫船激励均匀水深浮冰层位移响应的数值模拟

在均匀水深条件下,基于 ALE算法对匀速航行气垫船激励浮冰层的位移响应问题进行数值模拟。计算不同气垫船速度和河道岸壁宽度条件下的冰层位移响应,获得对应于冰层最大垂向位移变形情况下的气垫船临界速度。计算结果与理论解和试验结果符合良好,验证计算方法的有效性。计算结果表明：在临界速度时冰层下陷位移达到最大,而河道岸壁的存在将会使临界速度减小。     

Investigations on the ship-ice impact: Part 1. Experimental methodologies

In the structural design of the Polar Class ships, glancing impact with ice has been considered as the governing load scenario for dimensioning the bow structure. At present, non-linear transient dynamic analysis has been reckoned as a fundamental requirement in the assessment of the structural strength of ships with higher ice classes. Under such requirement, understanding of the dynamic characteristics of the ship-ice impact load appears significant importance. The present study aims to investigate the spatial and temporal variations of the impact loads by simulating the glancing impact events between a polar research vessel and giant ice floes in ice tank. The ship-ice impact loads were recorded by a grid-based tactile sensor attached on the bow area of the model ship. To achieve a reasonable simulation on the design scenario described by the IACS Unified Requirements for Polar Class Ships (UR I), a series of methodological calibration tests were preliminarily carried out to determine the key parameters that should be carefully monitored and controlled, accompanying with thorough discussions on the ship-ice impact process. This paper provides detailed information on the preliminary methodological calibrations and the tactile data processing techniques, including the identification of the ship-ice contact area, the depiction of the ice loading trail and the outline of the spatial distributions of local ice pressures. A companion paper provides detailed analyses and discussions regarding the spatial and temporal variation of the ice impact loads from the formal tests based on the proposed testing procedures obtained by the methodological calibrations.