基于现场实验的海洋结构随机冰荷载分析

论文摘要

本文基于对冰荷载测量现场实验数据的分析,对作用在冰区海洋结构上的随机冰荷载进行了研究。 为了研究作用在海洋结构上的冰荷载以及冰激结构振动问题,在渤海JZ9-3海域的GCP平台,MDP系缆桩以及JZ20-2海域的三座加锥海洋平台,建立了完备的原型结构冰荷载测量系统,进行了长期的现场冰荷载测量实验。同时在合作开展的欧盟LOLEIF和STRICE项目中,在瑞典的Norstromsgrund灯塔（直立结构）进行了系统的冰荷载现场测量工作。在实验中利用压力盒对直立结构,锥体结构上的冰荷载进行了直接测量;利用加速度传感器对冰激结构振动响应进行了测量;利用摄像头对冰速,冰厚及冰与结构作用过程等相关信息进行了视频记录。实验中,得到了大量高质量的冰荷载数据。 通过对直立结构上现场试验数据的分析,发现直立结构常见振动为较强的随机振动,此时冰快速运动并发生连续挤压破碎;而冰慢速运动时结构发生的自激振动振幅最大。通过对压力盒冰荷载数据及冰挤压破碎过程的分析,基于连续挤压破碎冰力分形特征,利用Weierstrass函数对挤压破碎冰力时程进行了模拟,建立了冰力模型;通过对连续挤压破碎冰力数据进行谱分析,引入风荷载谱分析理论,在频域上建立了冰力谱模型。同时发现,挤压破碎最大冰力具有明显的尺寸效应。基于这一发现给出了挤压破碎最大冰力的计算方法。该方法与利用断裂力学理论分析挤压破碎过程得到的最大冰力计算公式符合良好。 通过对锥体结构振动响应数据及冰荷载数据的分析,发现作用在窄锥结构上的冰力具有一定周期性,可以引起柔性海洋结构的冰激振动。压力盒冰力数据显示作用在窄锥上的冰力可以简化为具有一定周期幅值的三角形冰力脉冲。通过对冰力周期,幅值样本的统计分析,确定了冰力周期、幅值的随机分布及确定方法,建立了随机冰力函数。通过对冰力数据的谱分析,得到了窄锥结构上的冰力谱形式。发现冰力谱介于窄带宽带之间,可以用Neumann谱进行模拟。通过对谱参数与冰力参数关系的分析,建立了窄锥结构上的冰力谱模型。同时对冰与锥体作用的相关问题进行了讨论,分析了加锥对结构抗冰的影响。 以冰激结构振动响应预警,冰激结构振动疲劳分析以及冰激振动下海洋平台动力优化设计为例,对本文得到的冰荷载模型的应用进行了举例与验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 海洋结构冰荷载的研究背景
• 1.2 海洋结构冰荷载研究的主要问题
• 1.3 海洋结构冰荷载的研究历史与现状
• 1.3.1 海洋结构冰荷载研究的方法
• 1.3.2 海洋结构冰荷载研究历史
• 1.3.3 海洋结构冰激振动及冰荷载研究概述
• 1.4 本文主要工作
• 1.4.1 冰激振动与冰荷载的现场测量
• 1.4.2 基与现场测量的冰荷载模型
• 1.4.3 冰荷载研究结果的应用
• 参考文献
• 第二章 原型结构上的冰激振动及冰荷载测量
• 2.1 前言
• 2.2 渤海冰情特点及海洋平台定点海冰观测
• 2.2.1 渤海海域的冰情概况
• 2.2.2 渤海海洋平台定点冰情观测
• 2.3 渤海海洋平台上的冰激振动及冰荷载测量
• 2.3.1 冰荷载及冰激振动测量方法
• 2.3.2 渤海直立腿海洋平台上的冰力及冰激振动测量
• 2.3.3 渤海加锥海洋平台上的冰荷载及冰激振动测量
• 2.4 Norstromsgrund灯塔上的冰激振动及冰荷载测量
• 2.4.1 Norstromsgrund灯塔简介
• 2.4.2 Norstromsgrund冰荷载及冰激测量系统
• 2.5 其它冰荷载现场测量
• 2.5.1 Confederation大桥桥墩上的冰力测量
• 2.5.2 芬兰Kemi-1灯塔上的冰力测量
• 2.6 小结
• 参考文献
• 第三章 直立结构上的冰激振动及冰荷载
• 3.1 前言
• 3.2 冰与直立结构作用的劈裂，弯曲及屈曲破坏冰力与结构振动
• 3.2.1 冰与直立结构作用的劈裂破坏
• 3.2.2 冰与直立结构作用的弯曲破坏
• 3.2.3 冰与直立结构作用的屈曲破坏
• 3.3 慢冰速冰与直立结构准静态挤压破碎冰力与结构振动
• 3.3.1 慢冰速蠕变挤压冰力
• 3.3.2 慢冰速蠕变挤压破碎过程分析
• 3.3.3 慢冰速准静态挤压破碎冰力与结构瞬态振动
• 3.3.4 慢冰速准静态挤压破碎过程分析
• 3.4 较慢冰速冰与直立结构的韧性挤压破碎冰力与结构稳态振动
• 3.4.1 现场实验测量得到的稳态振动及其对应冰荷载
• 3.4.2 自激振动冰与结构作用过程分析
• 3.5 快冰速下冰与直立结构的脆性挤压破碎冰力及冰激振动
• 3.5.1 现场测量的脆性挤压破碎冰力及结构随机振动
• 3.5.2 脆性挤压破碎物理过程
• 3.5.3 脆性挤压破碎冰力的时域特征
• 3.5.4 脆性挤压破碎冰力的时域模拟
• 3.5.5 脆性挤压破碎冰力谱模型
• 3.5.6 脆性挤压破碎极值冰力分析
• 3.6 小结
• 参考文献
• 第四章 锥体结构上的冰激振动及冰荷载
• 4.1 前言
• 4.2 冰与锥体作用过程分析
• 4.2.1 海冰在锥体前的弯曲破碎过程
• 4.2.2 锥体尺寸对海冰破碎模式的影响
• 4.2.3 正倒锥交界处冰的破碎模式
• 4.2.4 锥体结构前的冰堆积问题
• 4.3 锥体静冰力的研究
• 4.3.1 锥体冰力的理论模型
• 4.3.2 锥体冰力的实验模型
• 4.4 锥体结构上的确定性冰力函数
• 4.4.1 冰力测量及冰激锥体结构振动监测
• 4.4.2 确定性冰力函数
• 4.5 窄锥结构上的随机冰力函数
• 4.5.1 随机冰力函数定义
• 4.5.2 冰力周期的随机分析
• 4.5.3 冰力幅值的随机分析
• 4.5.4 冰力周期幅值的概率的相关分析
• 4.5.5 窄锥结构上的随机冰力函数
• 4.6 锥体结构冰力谱研究
• 4.6.1 窄锥结构冰力的平稳与各态历经性
• 4.6.2 窄锥结构上的冰力谱形式
• 4.6.3 冰力谱参数分析
• 4.6.4 窄锥结构上的冰力谱
• 4.7 小结
• 参考文献
• 第五章 冰荷载模型的工程应用
• 5.1 前言
• 5.2 冰荷载模型计算结果评估
• 5.3 冰荷载模型在导管架平台冰激振动预警分析中的应用
• 5.3.1 平台振动响应预警的意义及流程
• 5.3.2 海冰预报
• 5.3.3 结构在各种冰情下的响应分析
• 5.3.4 现场冰激平台振动响应预测
• 5.4 冰荷载模型在导管架平台冰激振动疲劳分析中的应用
• 5.4.1 冰激平台振动疲劳分析流程
• 5.4.2 冰疲劳环境参数的确定
• 5.4.3 疲劳冰荷载的确定
• 5.4.4 抗冰平台冰激疲劳分析实例
• 5.5 冰荷载模型在导管架平台动力优化设计中的应用
• 5.5.1 冰荷载激励下的导管架平台动力优化设计
• 5.5.2 海冰激励下结构动力优化分析实例
• 5.6 小节
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 海洋结构冰荷载研究展望
• 攻读博士学位期间发表论文情况
• 博士生期间参加的科研项目
• 创新点摘要
• 致谢
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