關(guān)于冰力計算的兩個建議

孔令學(xué)

（大連港口設(shè)計研究院有限公司，遼寧 大連 116023）

JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[1]（以下簡稱“荷載規(guī)范”）中關(guān)于冰荷載的計算較98版規(guī)范[2]有了較大的修改和補充，對極限冰壓力計算公式進行了修改，補充了河港中冰排冰壓力、錐體結(jié)構(gòu)上冰壓力等內(nèi)容，自頒布實施以來，在港口工程冰區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作中發(fā)揮了十分重要的作用，但在使用過程中，發(fā)現(xiàn)物理模型試驗值與計算值差別較大，有的參數(shù)取值規(guī)定不明確，本文根據(jù)物模試驗結(jié)果，對冰荷載公式中大尺度結(jié)構(gòu)冰的局部擠壓系數(shù)、錐體結(jié)構(gòu)冰力公式兩個問題進行探討，并給出建議以供設(shè)計參考。

1 大尺度結(jié)構(gòu)冰局部擠壓系數(shù)

1.1 問題提出

在荷載規(guī)范中，冰排在直立樁（墩）前連續(xù)擠碎時，產(chǎn)生的極限擠壓冰力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算：FI=ImkBHσc

式中：I為冰的局部擠壓系數(shù)；m為樁、墩迎冰面形狀系數(shù)；k為冰和墩之間及接觸條件系數(shù)，取0.32；B為樁、墩迎冰面投影寬度，m；H為單層平整冰計算冰厚，m；σc為冰的單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。

規(guī)范規(guī)定對B/H大于6的大尺度結(jié)構(gòu)，冰的局部擠壓系數(shù)可取1.35，并應(yīng)考慮冰在結(jié)構(gòu)前的非同時破壞，對冰力進行適當(dāng)折減，但具體如何折減，未做規(guī)定，設(shè)計時一般取1.35，冰力值將偏大，如冰荷載為控制荷載則有可能影響到結(jié)構(gòu)的設(shè)計，因此有必要探討寬結(jié)構(gòu)局部擠壓系數(shù)I的取值問題。

1.2 問題建議

文獻[3]中列舉了前蘇聯(lián)不同B/H時局部擠壓系數(shù)，見表1。

表1 局部擠壓系數(shù)值Table 1 Local extrusion coefficient value

文獻[4]中通過系列不同直徑圓柱上的水平冰載荷試驗，獲得B/H=0～50的圓樁柱上水平冰荷載系數(shù)變化曲線，其最佳擬合曲線方程為FI/（BHσc）=2.057 5k（D/H）-0.2497，根據(jù)此公式計算得不同B/H時局部擠壓系數(shù)，見表1。

文獻[5]通過試驗數(shù)據(jù)回歸分析，得到B/H與FI/（BHσc）的關(guān)系曲線，如圖1，根據(jù)該曲線計算得不同B/H時局部擠壓系數(shù)，見表1。

圖1 試驗得到的B/H與FI/（BHσc）關(guān)系曲線Fig.1The relationship between B/H and FI/（BHσc）obtained by experiment

從表1中可以看出，B/H值越大，I值越小，這與在大尺度的直立結(jié)構(gòu)前，冰排發(fā)生擠壓破壞具有非同時性，導(dǎo)致總冰力下降的實際情況是相符的。《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》[6]中亦類似規(guī)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)物直徑或?qū)挾葹?0～100 m時，接觸系數(shù)和擠壓系數(shù)之積取0.4～0.25。

根據(jù)以上分析，大尺度結(jié)構(gòu)I值均取1.35與實際情況不符，結(jié)合表1中的結(jié)果，建議對大尺度結(jié)構(gòu)冰的局部擠壓系數(shù)取值見表2。

表2 局部擠壓系數(shù)建議值Table 2 Recommended value of local extrusion coefficient

1.3 試驗驗證

某工程針對冰荷載對系纜墩、靠船墩進行了物理模型試驗，試驗采用低溫凍結(jié)模型冰，在極端低水位時發(fā)生擠壓破壞，試驗參數(shù)及結(jié)果見表3，從表中可以看出，本工程的系纜墩和靠船墩B/H均大于30，反算的局部擠壓系數(shù)I為0.85、0.86，與建議值比較接近，且小于建議值，說明建議值是合理的，且具有一定的安全儲備。

表3 某工程試驗參數(shù)及結(jié)果Table 3 Test parameters and results of the example project

2 正錐體結(jié)構(gòu)冰力

2.1 問題提出

作用于正錐體結(jié)構(gòu)上的冰力標(biāo)準(zhǔn)值荷載規(guī)范規(guī)定的計算公式如下：

FH1=[A1σfH2+A2γwHD2+A3γwHR（D2-DT2）]A4

FV1=B1FH1+B2γwHR（D2-DT2）

式中：FH1、Fv1為正錐面上水平冰力、豎向冰力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；A1、A2、A3、A4、B1、B2為無量綱系數(shù)，由圖查取；σf為冰彎曲強度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；H為單層平整冰計算冰厚，m；γw為海水重度，kN/m3；D為海水面處錐體的直徑，m；HR為破冰的上爬高度；DT為錐體頂部的直徑，m。

公式中的各計算參數(shù)，規(guī)范均有明確的選取方法，唯有破冰的上爬高度HR沒有明確，對錐體比較窄且不高的結(jié)構(gòu)，破碎冰塊上爬現(xiàn)象并不顯著且冰力分量較小，對結(jié)構(gòu)設(shè)計影響不大，但對寬高錐體，HR的選取對冰力結(jié)果影響較大，對相同參數(shù)時不同HR計算的冰力結(jié)果對比如表4，從表中可以看出，當(dāng)HR增加僅1 m時，水平冰力和豎向冰力均增加了50%多，因此有必要研究HR的取值問題。

表4 相同參數(shù)時不同HR冰力計算值對比Table 4 Comparison of the ice force values in different(HR)with the same parameters

2.2 問題建議

在國際流行的5種斜體冰荷載預(yù)測模型中[7]，以Ralston的適用范圍最廣，并且在整個區(qū)間內(nèi)的計算值稍高于測試值，用于工程設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義，模型偏于保守。

Ralston模型作為海冰對斜體結(jié)構(gòu)物的作用力計算公式如下：

水平力 RH=A4[A1σfH2+A2ρwgHD2+A3ρwgH（D2-DT2）]

垂直力 RV=B1RH+B2ρwgH（D2-DT2）

從公式可以看出，規(guī)范[1]中錐體結(jié)構(gòu)的冰力采用了Ralston模型公式，主要區(qū)別為將上爬力分項中的H（冰厚）改為HR（上爬高度），但在實際設(shè)計時，上爬高度每個設(shè)計者的理解不一樣，取值也不一樣，導(dǎo)致冰力計算值差別較大，因此，建議將規(guī)范公式中HR（上爬高度）取為H（冰厚），從而保證計算值的唯一性。

2.3 試驗驗證

以2個物理模型試驗驗證該建議的合理性。

1）試驗一

冰的參數(shù)為：H=0.476 m，σf=835 kPa，該工程為30萬噸原油碼頭，碼頭結(jié)構(gòu)采用破冰錐體結(jié)構(gòu)，系纜墩上部錐體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系纜墩錐體結(jié)構(gòu)Fig.2 Conical structure of mooring dolphins

試驗采用低溫凍結(jié)模型冰，試驗情況見圖3，從圖中可以看出設(shè)計高水位時，碎冰塊可以上爬至直立段到了系纜墩的頂部，設(shè)計低水位碎冰塊上爬高度已接近系纜墩的直立段。如按照試驗結(jié)果，冰的爬高設(shè)計高水位時分別取到系纜墩頂（+8.0 m高程）和到椎體頂部（+3.0 m高程），設(shè)計低水位時取到錐體頂部（+3.0 m高程），按此計算的冰力結(jié)果見表5。

圖3 試驗場景Fig.3 Test scenario

表5 試驗一的冰力計算結(jié)果對比Table 5 Comparison of ice force calculation in test I

從表中可以看出，HR按試驗結(jié)果取值時（設(shè)計高水位時爬高到墩臺頂，設(shè)計低水位時到椎體頂部），計算的冰力是試驗值的2.5～4.2倍，兩者相差較大，當(dāng)HR取冰厚H時，計算的冰力是試驗值的1.4～1.8倍，冰的爬高HR取冰厚H也比試驗值大，但在可接受范圍內(nèi)，因此，冰的爬高HR取冰厚H是基本合理的。

2）試驗二

冰的參數(shù)為：H=0.492 m，σf=817 kPa，該工程為渤海某導(dǎo)管架的抗冰錐體[8]，錐體結(jié)構(gòu)見圖4。

試驗采用低溫凍結(jié)模型冰，最高天文潮時試驗情況見圖5，從圖中可以看出，碎冰塊可以上爬至直立段。如按照試驗結(jié)果，冰的爬高按到錐體頂部考慮，按此計算的冰力結(jié)果見表6。

圖5 最高天文潮水位試驗現(xiàn)象Fig.5 Test phenomenon when highest astronomical tide level

表6 試驗二的冰力計算結(jié)果對比Table 6 Comparison of ice force calculation in test II

從表中可看出，HR按試驗結(jié)果（冰爬至破冰椎體頂部）取值和按冰厚取值時，由于兩值差別不大，計算的冰力差別也不大，為試驗值的1.8～1.9倍，冰的爬高值采用冰厚更接近試驗值。因此，冰的爬高HR取冰厚H是基本合理的。

3 結(jié)語

1）寬大結(jié)構(gòu)由于冰排發(fā)生擠壓破壞具有非同時性，因此總冰力會隨著結(jié)構(gòu)的增大而降低，荷載規(guī)范中對大尺度結(jié)構(gòu)極限擠壓冰力計算規(guī)定比較簡單，結(jié)合相關(guān)規(guī)范及試驗，建議寬大結(jié)構(gòu)冰的局部擠壓系數(shù)I值根據(jù)結(jié)構(gòu)尺度D與冰厚H比值取 1.0～1.35。

2）荷載規(guī)范錐體結(jié)構(gòu)冰力計算公式中破冰的上爬高度HR，由于對實際情況的了解程度，取值會有較大差別，導(dǎo)致冰力計算結(jié)果差別較大，建議公式中破冰的上爬高度HR直接采用冰厚H。

3）本文主要依據(jù)低溫冰模型試驗結(jié)果進行的分析，但試驗實例較少，因此本文結(jié)論具有一定的局限性，可供類似工程前期設(shè)計時參考，具體設(shè)計時以模型試驗結(jié)果為準(zhǔn)。