直立柔性窄結構上的海冰擠壓同時破壞

王譯鶴，岳前進

(大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧大連116024)

固定式鉆井或采油海洋平臺較多選擇圓柱腿直立結構這種結構形式。在寒區結冰水域，冰板在圓柱腿上的擠壓破壞會導致較大的冰力。多年來國內外學者為確定擠壓冰力進行了理論計算、數值模擬、模型實驗和原型測量，并取得了較大的進展。然而由于天然海冰復雜的力學行為和離散度較大的力學參數，很難將各種工況下的擠壓冰力用統一的公式計算。文獻［1］請19位專家計算同一工況下的擠壓冰力，結果顯示經過數十年的研究，對于擠壓冰力的計算依然存在較大分歧。造成較大分歧的原因在于不同的計算公式是基于不同的現象或理論，而不同的現象或理論的一個關鍵不同在于擠壓同時破壞是否發生。在擠壓同時破壞過程中，各局部冰力保持同步，因此在名義接觸面積相同的情況下，擠壓同時破壞過程中實際的加載面積比擠壓非同時破壞大得多，因此擠壓同時破壞過程中的最大擠壓冰力比擠壓非同時破壞過程中的最大冰力大得多。一些原型測量或模型實驗結果表明直立結構上的擠壓破壞是非同時的，由此，基于擠壓非同時破壞的“低值冰力”得到認可，并被部分規范采納。然而文獻［2-4］在低冰速下的部分直立結構上發現擠壓同時破壞的存在。擠壓同時破壞的存在表明基于擠壓非同時破壞的“低值冰力”在某些情況下并不適用，因此，明確擠壓同時破壞的易發條件就顯得尤為重要。

1 渤海原型測量

為了研究直立結構上的擠壓冰力，在渤海對導管架平臺JZ9-3 MDP-1進行了原型測量，原型測量過程中同步記錄了冰力、冰激結構響應、冰厚和冰速信息。原型測量系統如圖1所示。

圖1 JZ9-3 MDP-1平臺現場測量系統Fig.1 Field set-up on the platform JZ9-3 MDP-1

圖2 壓力盒側視圖Fig.2 Side view of the load panel

表1列出了JZ9-3 MDP-1的結構參數，可以看出MDP-1比Norstr?msgrund燈塔和加拿大沉箱結構更窄更柔。

表1 JZ9-3 MDP-1平臺基本參數Table 1 Basic parameters of JZ9-3 MDP-1

圖1可見，加速度傳感器安裝在平臺甲板上來測量結構振動響應，視頻攝像頭用以記錄冰速冰厚，在水線處，一組冰力壓力盒被安裝在圓柱腿表面(圖2)。共12個獨立冰力壓力盒組成上下兩排，以便記錄不同潮位的冰力并保證局部冰力獨立記錄。

2 原型測量數據分析

根據對渤海原型測量數據的分析，直立柔性窄結構上的擠壓冰力可以分為3種冰力模式，準靜態模式，自激模式，隨機模式。本文僅討論較低冰速下的準靜態模式和自激模式。

2.1 準靜態模式

準靜態模式發生在低冰速情況下，在加載過程中結構冰沒有明顯的動力響應。圖3所示為發生于2001年2月10日17時的準靜態模式中，9、10和11號壓力盒記錄的冰力時程。明顯可見局部冰力同步加載卸載，說明發生了擠壓同時破壞。

圖3 準靜態模式過程中3個局部冰力時程Fig.3 Three local ice forces time histories during quasi-static mode

圖4 準靜態模式過程中局部冰力相關系數Fig.4 Correlation coefficients of local ice forces during quasi-static mode

圖5 準靜態模式過程中2個局部冰力和結構位移時程Fig.5 Time histories of two local ice forces and structure’s displacement during quasi staticmode

圖4所示為對上述準靜態冰力數據進行相關性分析的結果，可見局部冰力同步性很明顯。

仍在2001年2月10日17時左右，在 JZ9-3 MDP-1上發生準靜態模式(圖5)，冰厚為10 cm。在準靜態模式過程中，冰力緩慢增大，直到冰板破碎，而后冰力突然下降，結構響應近似為自由衰減振動。在結構位移達到最大的時刻，即當冰力達到最大值時，由于結構無明顯動力響應，可認為此時冰力與結構彈性回復力相等。由此準靜態模式過程中極值冰力的卸載量可由下式計算:

式中:K為結構剛度，A為冰力卸載后結構的第一個2倍振幅。極值冰力的卸載量和極值冰力的比值可以通過壓力盒數據得到，所以極值冰力為

式中:F為極值冰力，kr為極值冰力卸載量和極值冰力的比值。

圖6 準靜態模式過程中極值冰力與Schwarz公式計算結果對比Fig.6 Peak ice forces during quasi staticmode comparing with the result calculated using Schwarz’s formula

通過上述方法，計算得到2001年2月10日17時左右發生在JZ9-3 MDP-1上的準靜態模式極值冰力，并將其與文獻［5］中給出的典型“低值冰力”公式Schwarz公式的計算結果(取渤海海冰設計強度2.1 MPa)進行對比，如圖6所示。可見擠壓同時破壞發生時，擠壓冰力明顯大于“低值冰力”。

2.2 自激模式

當冰速稍高于準靜態模式的冰速，可能發生一種特殊的自激“鎖頻”現象，擠壓冰力以結構基頻波動，導致結構振動加劇［6-7］。在自激模式中，同樣發生擠壓同時破壞［8-9］。圖7所示為2001年2月13日5時34分發生的自激模式過程中的局部冰力時程和結構位移響應。

圖7 自激模式過程中4個局部冰力和結構位移時程Fig.7 Time histories of four local ice forces and structure’s displacement during ice induced self-excitation

圖8 自激模式過程中局部冰力相關系數Fig.8 Correlation coefficients of local ice forces during self-excitation mode

由圖7的局部冰力同步性可見自激模式過程中發生了擠壓同時破壞。7～10號壓力盒測量得到的局部冰力相關性分析結果如圖8。

綜上，在準靜態和自激模式過程中，都會發生擠壓同時破壞，且此時擠壓冰力明顯大于基于擠壓非同時破壞的“低值冰力”。因此有必要明確擠壓同時破壞在什么情況下容易發生。

3 直立結構上擠壓同時破壞的易發性

如前文所述，基于對渤海原型測量數據的分析，直立柔性窄結構上的擠壓冰力分為3種模式:準靜態模式、自激模式、隨機模式。3種擠壓冰力模式分別對應海冰的3種失效破碎模式:韌性破碎，韌脆轉變破碎和脆性破碎。

擠壓同時破壞在準靜態模式和自激模式中發生的原因在于冰板與結構的全接觸可以發生，這種全接觸要求低冰速和柔性窄結構。

3.1 低冰速

圖9(a)為冰板與結構不規則接觸并導致擠壓非同時破壞和較小的擠壓冰力，圖9(b)為冰板與結構全接觸并導致擠壓同時破壞和較大擠壓冰力。

在準靜態模式和自激模式過程中，冰板的失效破碎機理為韌性破碎或韌脆轉變破碎，這是擠壓同時破壞可以發生的原因之一。

從冰板失效破碎的角度考慮，由于準靜態模式和自激模式過程中，加載速率很低，冰板內發生大量位錯滑移(圖10)和較大壓縮變形［10］，這種較大的壓縮變形使得冰板與結構的接觸更加規則，甚至發生從不規則接觸到全接觸的轉變(圖9)，進而導致擠壓同時破壞發生。在加載過程中，冰板內的應變率是一個場函數，圖11為二維分析示意圖。

圖9 擠壓非同時破壞與擠壓同時破壞示意圖Fig.9 Sketch of non-simultaneous and simultaneous crushing failure

圖10 冰晶中的位錯滑移與爬升Fig.10 Dislocation glides and climbs in ice crystal

冰板內的應變率取決于冰板與結構的相對速度。如圖11所示，冰板內的變形區或損傷區可作為一維受壓試件來簡化分析，文獻［11］提出等效應變率經驗公式:式中:d為圓柱腿直徑，Vice為冰速，Vstr為結構水線處速度。由于冰速受到風速和流速的影響，因此變化范圍較大，渤海的冰速在0～1.2 m/s，而結構水線處速度則受到結構參數的限制，因此變化范圍有限。根據式(3)，只有冰速較低時，冰板內應變率才足夠低以致冰板發生韌性破碎或韌脆轉變破碎，進而可能導致擠壓同時破壞。

圖11 結構與冰板之間的相對速度示意圖Fig.11 Configuration of relative velocity between structure and ice sheet

3.2 柔性窄結構

僅低冰速未必能夠導致擠壓同時破壞。根據加拿大沉箱結構和Norstr?msgrund燈塔的經驗，擠壓同時破壞并不在寬大結構或剛度較高結構上大量發生。與這些高緯度抗冰結構相比，渤海的導管架平臺更窄，只有1.2～1.5 m寬。表2列出了4座平臺的動力參數。有學者指出擠壓冰力隨著結構剛度的下降而增加［12-13］，這說明柔性結構更容易發生擠壓同時破壞。

表2 渤海4座導管架平臺的動力參數Table 2 Maindynam ic parameters of four jacket platform s in Bohai Sea

如前文所述，冰板與結構的全接觸是擠壓同時破壞發生的關鍵條件，從概率角度考慮，與寬大結構相比，窄結構有更大的可能性與冰板更規則全面地接觸，如圖12。另外，破碎的冰塊更容易繞過窄結構，也就是說窄結構上一般不會出現寬大結構上非常普遍的冰堆積現象，這種冰堆積往往導致海冰的擠壓非同時破壞。

另一方面，如果破碎的冰塊殘留在結構與冰板之間，可能導致冰板與結構的不規則接觸進而導致擠壓非同時破壞。所以破碎冰塊需要從上下兩個方向被擠出如圖13，破碎冰塊的擠出需要冰板與結構之間較高的相對速度，這就要求結構比較柔。

下面從這個角度來分析原型測量數據。準靜態過程中，隨著冰力的增加，結構位移增大。冰力突然卸載后，結構響應接近自由衰減振動。如果結構較柔，其最大位移就較大，結構在冰力突然卸載后的回擺速度也較大，所以卸載后結構回擺過程中結構與冰板的相對速度也較大，使得破碎冰塊可以從上下兩個方向被擠出。破碎冰塊的擠出是結構與冰板全接觸的2個條件之一。

圖12 寬大結構與窄結構本別和冰板接觸狀況的對比Fig.12 Contrast between contact conditions of wide structure and narrow structure

圖13 卸載過程中破碎冰塊的擠出Fig.13 The extrusion or clearance of crushed ice debris in the unloading phase

類似的，在自激模式中，如果直立結構窄而柔，結構的振幅就相對較大，回擺速度也就較大，使得破碎冰塊得以清除，結構與冰板的全接觸得以發生。

根據上述分析，當冰速較低且結構窄而柔時，直立結構上極易發生擠壓同時破壞。

簡言之，直立結構與冰板的全接觸是直立結構上發生擠壓同時破壞的關鍵條件，這種全接觸要求可導致韌性或韌脆轉變破碎的低冰速和不易導致破碎冰堆積和殘留的柔性窄結構。

4 結論

直立結構上的擠壓冰力是在設計寒區海洋結構時工程界關心的問題之一。基于擠壓非同時破壞理論的“低值冰力”被部分規范采納。但通過對渤海原型測量數據的分析:

1)證明海冰擠壓同時破壞的存在，并且擠壓同時破壞發生時的擠壓冰力大于“低值冰力”;

2)海冰擠壓同時破壞發生的關鍵條件在于結構與冰板的全接觸，當冰速較慢，直立柔性窄結構上極易發生擠壓同時破壞。

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