冰对水工结构物作用力的物理模拟—III.冰对结构物撞击作用力模拟实例

李志军，董吉武

（大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

0 引 言

渤海海冰对结构物作用力是海岸和近海工程力学界关心的问题之一。海上流冰对结构物的作用一般有两种方式，即流冰被结构物连续破碎，对结构物施以挤压力；流冰在结构物前停止或者再旋转漂移离开结构物，对结构物施以撞击力[1－2]。渤海海冰的运动速度有时＞1.0m／s[3]。若面积＞1000 m2，运动速度＞1.0m／s的流冰块接触到迎冰面宽度或直径＜2m的码头桩时，流冰对桩施以挤压力。在渤海开敞水域的冰情多数出现大面积和高流速浮冰，所以海岸开敞式码头和外防波堤以及海上采油平台的冰力设计使用国际上建议的挤压力准则[4]；而渤海小面积海湾或者港池内的流冰运动速度和冰块面积则小许多，利用挤压力作为抗冰结构物设计标准就偏于保守。渤海长兴岛葫芦山湾内规划建设码头就属于这种情况，此处虽有流冰，但防波堤建成后，流冰具有的动能下降，对结构物的作用力减小。因此设计用混凝土高桩代替钢桩，降低码头建设投资。在总结国内外冰—结构物作用物理模拟技术和模型冰特点的基础上[5－6]，DUT－1模型冰于2003年获得了国家发明专利授权（ZL00104621.7）。在系统研究该模型冰物理和力学特性之后[7－8]，发展了相关试验技术[9]，已应用这套技术完成国家级研究型项目5项和工程应用型项目8项。其中，研究型项目包括中国博士后科学基金——非冻结合成模型冰的研制和评价、国家自然科学基金——半圆型防波堤前海冰的破碎和堆积过程、中国石油天然气集团公司石油科技中青年创新基金项目——滩海井口保护的破冰防冰结构物理模拟研究、国家自然科学基金——海冰拖曳系数参数化的实验研究、国家自然科学基金委创新研究群体科学基金——海洋环境灾害作用与结构安全防护；工程应用项目包括天津港半圆型防波堤冰作用力的物理模拟试验、曹妃甸矿石码头一期工程冰荷载模型试验、营口港仙人岛港区码头和防波堤（护岸）工程冰荷载模型试验、曹妃甸原油码头及配套设施工程冰荷载模型试验、冀东南堡油田300t级登陆点引桥及码头工程冰荷载模型试验、STX（大连）造船重工项目码头冰荷载模型试验、冀东南堡油田1～5＃人工岛引桥及码头工程冰荷载模型试验、30万t级原油码头工程冰荷载模型试验、唐山湾三岛旅游区海湾大桥桥墩冰荷载物理模型试验。

长兴岛葫芦山湾内防波堤建设前50年一遇流冰条件是：面积5000m2，厚度0.40m，运动速度0.8m／s，单轴压缩强度2250kPa。该海冰条件使码头结构物处于挤压——撞击破坏过渡区。防波堤建成后，湾内流冰运动速度降低，即使流冰的面积和厚度保持相同，作用到码头结构物上的冰力将转变为撞击力。物理模拟试验能够获得冰力上限同流冰动能、压缩强度之间的统计关系；以及确定单桩设计冰力、一榀码头排架结构设计总冰力。所发展的方法对于河冰开凌时，水工结构物和桥墩承受冰凌撞击力的研究[2，10－11]和确定具有指导意义。

本文以上述工程为例，介绍物理模拟原型面积2800～7800m2，厚度0.40m，速度0.2～1.0 m／s的流冰在来冰方向与码头轴线夹角成15°状态下，在桩前的破坏方式和破坏现象；撞击—挤压过渡区的临界条件；不同流冰动能和冰单轴压缩强度下的单桩冰力关系；同一条件下，单桩设计冰力和一榀码头排架结构总冰力的试验方法和结果。

1 流冰对码头排桩撞击力试验装置

流冰对结构物挤压力物理模拟有两种试验方式：①利用拖车以某一恒定速度推动模型冰排作用于结构物；②推动结构物作用于冰排，两者均模拟具有强大动能的流冰对结构物的作用。撞击力模拟不需要流冰具有强大的动能，无造流条件的实验室用拖车带动流冰以一定速度运动，在撞击前依靠惯性运动实现动能模拟以便满足试验需要[10]；有造流条件的实验室用水流带动模型冰运动。

试验在长50m、宽3m、深1m的波流水槽内进行，该水槽有2台总流量为0.65m3／s的双向造流设备，能够利用变频调速方式调节流速。试验时模型冰满足几何相似、重力相似、弹性相似和破坏形态相似；码头桩模型满足几何相似。使用的冰力和位移测量技术均有文献报道[9，12]。因流冰撞击力物理模拟试验考虑的因素同挤压力不同[12]，流冰块面积、密集度、运动速度均是物理模拟试验监测的第一手资料。为此选择6个单轴压缩强度和6个运动速度，形成一个6×6的试验组合，每组试验重复3次。从而可以建立在物理模拟条件下的流冰对单桩和一榀码头排架撞击力及其同模型冰物理和力学参数的试验关系，形成具有普适性的不同强度、不同动能下单桩冰力上限值的计算方法。利用这些关系和原型冰的物理和力学参数，能根据流冰的面积、厚度、运动速度和压缩强度，计算流冰块的动能，然后确定单桩设计冰力。回避了从物理模拟结果到原型设计冰力的相似复原难题。

1.1 模型冰密度和压缩强度

模型冰采用DUT－1非冻结可破碎合成模型冰[13]。试验前预制的模型冰排面积为2.0m×1.9 m，按模型比尺确定铸模厚度1.0～1.2cm。每次试验之前，将预制好的模型冰排连同模具一同放入水槽中，缓慢注水直至模型冰排浮起脱离模具，浸泡约1h，使其完全饱水后，测量模型冰密度和压缩强度。

从模型冰一边切出6～10块长方体小冰块，记录冰块的长l、宽w、厚h，得到冰块体积V＝lwh。在天平上测量其质量M，计算每个冰块的密度，最后取平均密度。此外，切割出6～10块长方形小试样，记录试样的宽度和厚度，然后压缩试样直至其破坏，并用计算机采集作用力过程；计算各试样的压缩强度，取其平均值作为模型冰的压缩强度[14]。

1.2 模型冰运动速度和面积

模型冰运动速度是由实验室上方固定的CCD连续拍摄照片，经过图像处理得到。试验开始前，在模型冰表面放置边长为0.25m正三角形标志物作为标定。其图像分析原理与文献 [15]相同。选取模型冰与桩接触前的5～10帧图像进行图像分析，得到运动速度，取其平均值作为模型冰撞击结构物前的运动速度。

从CCD图像中检测出模型冰块的边缘，进行圈选，进而获得相应的像素面积，然后转换成模型冰块实际面积[16]。

1.3 码头桩结构模型和测力方法

试验以一榀码头排架为研究对象，它由7×4根直桩及7×2根斜桩支撑，图1为桩腿平面布置图。图2为试验模型布置示意图。一榀码头排架模型中，每根桩由直径20mm的薄壁钢圆柱制成。前排7根桩的一端与高精度测力传感器连接，测力传感器的另一端固定在码头模型上。其它桩不安装测力传感器。安装传感器的7根桩的长度比其它35根桩略短，整个排架模型依靠35根桩腿支撑并放到水槽的地面，依靠重物将整个排架模型牢固压住。另外，为了模拟每一榀码头排架之间的遮蔽作用，在测力的一榀码头排架模型左右两侧，各放一榀不测力的码头排架模型。试验时，流冰置于结构物模型外一定距离，启动造流设备，水流带动流冰块由静止达到匀速运动，撞击结构物。同一块模型冰先模拟大面积流冰块，然后逐渐破碎，模拟小面积冰块。模型冰与排架桩腿撞击试验照片见图3。

图3 模型冰与排架桩腿撞击试验照片Fig.3 Photo of the impact test of the model ice and piles

2 结果分析

2.1 试验模型冰参数和流冰对结构物作用力

表1汇总了模型冰物理和力学参数。对全部试验数据统计分析得到试验流冰运动速度为0.02～0.31m／s；流冰面积为20～58505cm2；压缩强度为30.66～85.60kPa。按照试验模型比尺1∶40，相当原型运动速度0.13～1.96m／s，流冰面积3.2～9361m2，压缩强度1228～3424kPa。这些原型参数覆盖了渤海流冰运动速度和压缩强度范围。工程区防波堤建设前后的流冰物理和力学参数均在试验条件范围之内。

试验单桩冰力是指作用在一榀码头排架前排7根桩中的任意一根桩上的冰力。试验中有时只有一根桩承受冰力；有时多根桩同时受力，或有些桩非同时受力。系列试验共进行176次，有效数据162组。冰力与动能间的试验关系表明流冰撞击结构物时存在冰力上限值（图4），符合理论结果。

图4 单桩上冰力同流冰动能的试验关系fig.4 Experimental relation between ice force on a signle pile and kinetic energy of model ice blocks

表1 试验模型冰参数汇总Table1 Parameters of the tested model ice

抗冰结构物设计一般需要的冰物理和力学参数有极限压缩强度、厚度、运动速度和冰块面积。为了使试验成果具有普适性，对作用在单桩上的冰力（F）、冰极限压缩强度（σc，max）和冰块动能（Q）进行复相关统计，获得最佳拟合关系式（1），其对应统计关系曲面见图5，该曲面覆盖了撞击冰力的上限值和挤压冰力。

式（1）表明冰对结构物的撞击力随动能增加、冰极限单轴压缩强度的增加而增加，但存在一逼近值，该值是冰对结构的挤压作用力。从数学优化上，式（1）最佳，但它目前还没有发展到物理解释的程度。建立式（1）的目的是在工程应用中，将流冰压缩强度按照比尺、面积按照比尺的平方和运动速度按照比尺的平方根缩小，计算模型冰块的动能；再由式（1）计算冰力上限值，最后按照同样比尺的立方复原到原型冰力。通过这样的步骤可以解决试验时有时冰块面积和运动速度不能达到比尺要求，但它的动能能够达到试验的要求，从而解决有些试验条件对一定比尺的限制，拓展试验条件的利用范围。

试验还发现：当冰块尺寸为桩间距的2～3倍时，冰块撞击后通过桩间的几率较小，多数冰块发生偏转运动，离开桩；当冰块尺寸＜1倍桩间距时，受沿岸流的影响，冰块进入桩间的几率也不大；当冰块尺寸再小时，无论流冰的密集度如何，流冰对结构的撞击力都基本为零。

图5 单桩冰力上限值与流冰动能和压缩强度的曲面关系Fig.5 Upper ice force vs.kinetic energy and compressive strength

2.2 工程条件下单桩和一榀码头排架结构设计冰力

对于长兴岛葫芦湾内码头结构物冰力设计而言，近岸流冰运动接近沿岸流，而码头结构物主轴线基本平行于海岸，与流向最大夹角15°。所以流冰同时作用到一榀码头排架前排7根桩的几率较小。而作用到某一桩，然后再将作用力传递到一榀码头排架其它桩的情况占主导地位；另外非同时作用到一榀码头排架多桩上的冰力不需要累计作为结构整体上的冰荷载。因而将同时发生在不同桩上的最大冰力视为单桩最大冰力；将同时发生在不同桩上的冰力合成，即为一榀码头排架结构总冰力。不同时发生在不同或相同桩上的冰力不能作为一个事件进行统计，从而避免了将不同时的作用力重复计算。

首先从不同压缩强度流冰试验冰力与动能的关系曲线（图4）上确定相应动能下的单桩冰力和一榀码头排架结构总冰力，然后利用这些冰力和对应的压缩强度，建立散点图及其上包络线。根据设计的模型冰压缩强度和上包络线确定设计冰力。本文按照1∶40比尺和防波堤建成前的冰条件对应的设计动能0.37J，冰单轴极限压缩强度为56.25kPa。据此，流冰对单桩的作用力是23.87N（图6a），复原到原型单桩设计冰力为1527.7kN。流冰对一榀码头排架结构总冰力为51.55N（图6b），复原到原型总冰力为3299.2kN。

图6 一榀码头排架单桩和整体结构设计冰力与压缩强度的关系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，工程区的冰极限压缩强度因受冰温度控制，不会发生显著变化；防波堤外大面积流冰块进入码头的几率降低，只有港内生长的薄冰，而流冰的运动速度将显著减慢。如果流冰的极限压缩强度、厚度、面积不变，流冰运动速度由原来的0.8m／s降低到0.7，0.6，0.5m／s 或0.4 m／s，冰力会随动能下降而大幅度下降，结果见表2。由此可见流冰的运动速度在冰撞击力中起控制作用。

表2 不同流冰速度和面积的设计冰力值Table2 Design ice force for various ice speeds and sizes／kN

3 结 论

1）在流冰撞击结构物时，流冰运动速度是控制流冰动能的关键因素。当流冰的厚度和面积不变时，速度减小，就导致流冰动能和对结构物撞击力减小。单桩上流冰作用力上限值同冰块动能和极限压缩强度之间存在复相关关系。

2）尺寸相当2～3倍桩间距的冰块撞击单桩后很少发生破碎，而多数在桩前旋转运动，随流离开单桩；因流冰运动方向同码头轴线夹角成15°且尺寸＜1倍桩间距的冰块，进入群桩腿之间的几率不大；如果冰块尺寸再小，无论流冰的密集度如何，流冰对结构的撞击力基本接近零。

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