破碎冰清除模式对动冰力发生的影响研究

Ice force is the dominant environmental force for offshore structures in cold regions.　Research on dynamic ice force had been lasted since the middle of last century. While the essential problem of occurrence condition of dynamic ice force has not yet been resolved, or even not yet been proposed directly. The progression and application of research on dynamic ice force are with much uncertainty. Preliminary study shows that broken ice clearing modes play dominant role on the occurrence of dynamic ice force. Based on the research on the relationship between ice-cone interaction and time variation of dynamic ice force, according to the statistics and analysis of field measured data, it is demonstrated that total clearing-up of broken ice is the necessary and sufficient condition of occurrence of dynamic ice force, and the definition of narrow / wide offshore structure will be proposed. The dominant factors and formation mechanics of broken ice clearing modes are studied by analysing lab test results and conducting series of numerical simulations. Then the theoretical model of criterion of dynamic ice force, i.e. sea ice total clearing-up, will be proposed. The research results will be proved by ice-resistant offshore structures in situ. This research could provide the theoretical basis of determining calculated ice force function, and the technique support of safely running and optimized design of offshore structure in cold regions.

冰荷载是冰区海洋结构物的控制环境荷载。自上世纪中叶，动冰力的相关研究逐渐引起重视，但是动冰力发生条件这一根本问题尚未解决，甚至从未明确提出，导致动冰力的研究开展和结论应用存在很大难度。前期研究表明：海冰与结构相互作用后所形成的破碎冰的清除模式对于动冰力能否发生起决定作用。本项目基于海冰与结构作用过程和动冰力时域特征的对应关系研究，通过对冰区海洋结构物现场监测资料的统计和分析，论证破碎冰完全清除是动冰力发生的充要条件，并依此提出宽/窄海洋结构物的分类定义；通过已有室内模型实验结果分析和数值模拟实施，开展不同破碎冰清除模式的控制因素分析和形成机制研究，进而建立动冰力发生判据(即破碎冰完全清除) 的理论模型，并利用原型结构对研究结论进行验证和应用。本项目研究可为建立动冰力计算模型提供理论依据，为冰区海洋结构物的海冰灾害风险评估、冰期安全运行保障和优化设计提供技术支撑，具有重要的理论与实践意义。

海冰与结构相互作用后所形成的破碎冰的清除模式对于动冰力能否发生起决定作用。本项目基于海冰与结构作用过程和动冰力时域特征的对应关系研究，通过对冰区海洋结构物现场监测（7个）和模型实验（10个）的资料统计和分析，论证破碎冰完全清除是动冰力发生的充要条件；通过理论分析和数值模拟，提出了海冰与锥体作用后碎冰的三种清除模式（完全清除，临时堆积和破前堆积），提出了锥体结构总动冰力时程形式的三种类型（完全卸载的脉冲型动冰力，有明显卸载余量的动冰力，交变量成分较小的动冰力），开展不同破碎冰清除模式的控制因素分析和形成机制研究，进而建立动冰力发生判据(即破碎冰完全清除) 的理论模型，并利用原型结构对研究结论进行验证和应用。.本工作阐明了长久以来存在较大争议的动冰力时程形式（卸载余量存在原因），为结构的设计、运行过程中是否需要且如何确定动冰力提供了理论和量化依据，是一种深入研究锥体动冰力形成机制与和海冰破碎行为的可行思路。本项目研究可为建立动冰力计算模型提供理论依据，为冰区海洋结构物的海冰灾害风险评估、冰期安全运行保障和优化设计提供技术支撑，具有重要的理论与实践意义。