不同冰速下半圆型构件冰作用力试验与研究
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摘要
半圆型防波堤作为一种受力合理、波浪作用力小、适用性广、经济的新型海岸工程结构物，被交通部列为重点推广技术。研究不同速度下的海冰对半圆型防波堤的作用力是为了对我国北方结冰海区建造半圆型防波堤提供海冰荷载设计依据。本文作为国家自然科学基金课题“半圆型防波堤前海冰的破碎堆积过程(50179003)”的部分内容，对冰排与半圆型防波堤的作用方式和不同冰速时半圆堤的冰力测量进行了试验与研究，分析了速度与角度对冰力的效应。
试验系统与试验技术是试验的基础，其可靠性是试验成败的关键，结合本课题的特点，作者首先对相关试验系统与技术进行了介绍，并对相关技术参数进行了测定。以Croasdale理论为基础，利用斜面构件对试验系统和试验技术进行了检验，结果表明试验系统和试验技术可靠，进一步检验表明，系统与技术对半圆型防波堤适用。
通过81次的试验，在6种切线角(30°，35°，45°，60°，70°，80°)、5种速度(5cm／s，15cm／s，26cm／s，37cm／s，48cm／s)、3种冰厚(8mm，10mm，16mm)情况下进行了研究。构造了半圆型防波堤物物理模型的冰力函数，即水平力公式：垂直力公式：并对公式中各系数进行了试验确定。
最后，作者利用本试验公式的结果与天津大学的试验结果进行了比较，并对结果之间的差异进行了分析，结果表明本公式具有普适性。
The semi-circular breakwater is a reasonable forcing, widely applicable and economical late-model structure of coastal engineering and which is selected to be an especially popularized technology by National Ministry of Communications. The purpose in researching ice force on the semi-circular breakwater at different ice velocities is to provide evidences for sea ice load design when building semi-circular breakwater in the ice-infested Bohai Sea. As a part of project of National Natural Science Foundation of China - sea ice break and pile-up processes in front of semi-circular breakwater (50179003), this paper performs tests on ice-semi-circular breakwater interaction and ice force on the semi-circular breakwater at different ice velocities, and analyzes the effect of velocity and angle on ice forces.
Test system and technology are the base of tests, whose reliability are the key of success. Combing with the character of this project, the author firstly introduces relative experiment system and technology, and measures relative technical parameters. Secondly based on theory of Croasdale, tests the test system and technology by use of inclined slope walls, and reliability are shown by results, and then the farther test indicates that the system and technology are suitable for semi-circular breakwater.
Thirdly 81 group model tests of semi-circular structure with 6 tangent angles (
30, 35, 45, 60, 70, 80), 5 velocities (5cm/s, 15cm/s, 26cm/s, 37cm/s, 48cm/s) and 3 model ice thicknesses (8mm, 10mm, 16mm) are done, then empirical formula of ice forces on physical model of semi-circular structure is educed as follows: the horizontal ice force is
Fhi= Fhf+ Fhc+Fhp= aIlD fE-0.25h1.25+ bI2D ch + cpiDhr(1- cos a) the vertical ice force is
and the parameters of this formula are confirmed synchronously.
Finally the author compares the result of this formula with test result of Tianjing University, and analyzes the difference between them; all the conclusions indicate wide applicability and reliability of this formula.
试验系统与试验技术是试验的基础，其可靠性是试验成败的关键，结合本课题的特点，作者首先对相关试验系统与技术进行了介绍，并对相关技术参数进行了测定。以Croasdale理论为基础，利用斜面构件对试验系统和试验技术进行了检验，结果表明试验系统和试验技术可靠，进一步检验表明，系统与技术对半圆型防波堤适用。
通过81次的试验，在6种切线角(30°，35°，45°，60°，70°，80°)、5种速度(5cm／s，15cm／s，26cm／s，37cm／s，48cm／s)、3种冰厚(8mm，10mm，16mm)情况下进行了研究。构造了半圆型防波堤物物理模型的冰力函数，即水平力公式：垂直力公式：并对公式中各系数进行了试验确定。
最后，作者利用本试验公式的结果与天津大学的试验结果进行了比较，并对结果之间的差异进行了分析，结果表明本公式具有普适性。
The semi-circular breakwater is a reasonable forcing, widely applicable and economical late-model structure of coastal engineering and which is selected to be an especially popularized technology by National Ministry of Communications. The purpose in researching ice force on the semi-circular breakwater at different ice velocities is to provide evidences for sea ice load design when building semi-circular breakwater in the ice-infested Bohai Sea. As a part of project of National Natural Science Foundation of China - sea ice break and pile-up processes in front of semi-circular breakwater (50179003), this paper performs tests on ice-semi-circular breakwater interaction and ice force on the semi-circular breakwater at different ice velocities, and analyzes the effect of velocity and angle on ice forces.
Test system and technology are the base of tests, whose reliability are the key of success. Combing with the character of this project, the author firstly introduces relative experiment system and technology, and measures relative technical parameters. Secondly based on theory of Croasdale, tests the test system and technology by use of inclined slope walls, and reliability are shown by results, and then the farther test indicates that the system and technology are suitable for semi-circular breakwater.
Thirdly 81 group model tests of semi-circular structure with 6 tangent angles (
30, 35, 45, 60, 70, 80), 5 velocities (5cm/s, 15cm/s, 26cm/s, 37cm/s, 48cm/s) and 3 model ice thicknesses (8mm, 10mm, 16mm) are done, then empirical formula of ice forces on physical model of semi-circular structure is educed as follows: the horizontal ice force is
Fhi= Fhf+ Fhc+Fhp= aIlD fE-0.25h1.25+ bI2D ch + cpiDhr(1- cos a) the vertical ice force is
and the parameters of this formula are confirmed synchronously.
Finally the author compares the result of this formula with test result of Tianjing University, and analyzes the difference between them; all the conclusions indicate wide applicability and reliability of this formula.
引文
1．张方俭著，我国的海冰．1986，北京：海洋出版社．165．
2．李春花，海冰在潮汐和波浪作用下的断裂机理研究．大连理工大学博士论文，2000．77
3．谢世楞，半圆形防波堤的设计和研究进展．中国工程科学，2000，2(11)：35-36．
4．王美茹等，半圆型防波堤设计和应用．港工技术，1999．3：1-3．
5．范期锦，建设中的长江口深水航道．中国港湾建设，1999，3：11．
6．李绮丽，长江口深水航道治理工程一期工程南导堤Se段施工工艺．港工技术，2000，1：31-33．
7．俞聿修，张宁川等，半圆型防波堤的水力特性研究．海洋工程，1999，17(4)：39-48．
8．张宁川等，长江口深水航道治理一期南导堤工程堤身结构稳定断面模型试验研究．大连理工大学海岸和近海国家重点实验室，1998．
9．祝业浩等，天津新港半圆体式防波堤工程的施工．港口工程，1998，1：40-42．
10．俞聿修，防波堤设计和越浪量．港工技术，1997，2：1-4．
11．郭科，李梅英，半圆型防波堤试验研究．中国港湾建设，2000，6：27-30．
12．王永学，李志军，李广伟，非冻结合成模型冰物理模拟冰作用力的试验技术．冰川冻土，25(增刊)：228-231．
13．史庆增，宋安，薛波，半圆形构件冰力和冰温膨胀力的试验研究．中国港湾建设，3：7-10．
14. Zhijun Li, Yongxue Wang, Xiwen Wang and Guangwei Li, Effect of cement content and curing periodon properties of DUT-1 synthetic model ice. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 125: 288-290.
15．谷本胜利，滑川伸孝等，半园形堤水理特性关实验的研究．港湾技术研究所报告，1989，28(2)：3-32．
16．史庆增，薛波，一种适用于滩海护岸工程的半圆筒形构件及其冰力的试验研究．石油工程建设，6：3-6．
17．李志军，王永学等，半圆型结构冰压力的物理模拟试验研究．冰川冻土，25(4)：445-451．
18．丁德文等著，工程海冰学概论．1999，北京：海洋出版社．216．
19. Croasdale K R, Ice forces on fixed, rigid structures. Carstens T. Working Group on Ice Forces on Structures, CRREL Special Report. 1980, Hanover: CRREL, 34-106.
20．史庆增，孤立桩柱上冰压力的经验公式计算法及试验验证。海洋工程，1993，11(1)：1-11．
21．中华人民共和国船舶检验局，海上固定平台入级与建造规范．1983，北京，242．
22．王永学，李广伟，李春花等，波浪作用下海冰断裂的试验研究．自然科学进展，2000，10(6)：549-553．
23．沈照伟，王永学，李志军等，非冻结合成模型冰与直桩作用的物理模拟技术．中国海洋平台，2000，15(4)：17-20．
24．丁德文等著，工程海冰学概论．1999，北京：海洋出版社．56-68．
25. Timco G W, Onthetest methods for modelice. Cold Regions Science and Technology, (4): 245-253.
26. Fransson L, Load bearing capacity of an ice cover subjected to concentrated load. Proceedings of OMAE'85, 2: 170-176.
27．李志军．DUT-1模型冰的技术基础和现状，博士后研究工作报告．1999．63-66．
28. Jalonen, , R and L Ilves, Experience with a chemically-doped fine grained model ice.
Proceedings of the IAHR 10th International Symposium on Ice, August, 1990, Espoo, , Finland. International Association for Hydraulic Research, 2: 639-651.
29. Li Zhijun, Riska K, Preliminary study of physical and mechanical properties of model ice. Otanimi, Helsinki University of Technology Press, 1996, 100.
30．李志军．DUT-1模型冰的技术基础和现状，博士后研究工作报告．1999．31-32．
31. Croasdale K R, Metge M, Verity P H, Factors governing ice ride-up on sloping beaches. Proceedings of IAHR Ice Symposium'78, 1978, Lulea: Swden, International Association for Hydraulic Research, 1978, 405-420.
32．隋吉学，作用于斜坡结构物上海冰荷载的二维计算．海洋环境科学，1996，15(2)：70-73．
33．于永海，隋吉学，冰对斜体结构作用的二维和三维力学模型分析．海洋环境科学，1999，18(3)：43-47．
34. Hetenyi, Beams on elastic foundations. The University of Michigan Press, 1944, Ann Arbor.
35. Lindholm, J. E, et al, Structure-ice interaction for a Bohai Bay oil production project.. Proceedings of the 3rd International Offshore and Polar Engineering Conference, 1993, 2: 538-547
36．蔡芝瑞，孙柏涛等，冰荷载的试验研究与计算方法．地震工程与工程振动，1997，17(4)：49-56．
37．史庆增，徐继祖，宋安，海冰作用力的模拟实验．海洋工程，1991，9(1)：16-22．
38．史庆增，作用于直立圆柱上的横向冰力．海洋学报，1994，16(4)：126-129．
39．史庆增，墩(桩)柱上流冰撞击力的研究与实验．海洋工程，1994，16(5)：106-111．
40．史庆增，王永安，辽东湾孤立桩柱上冰力的概率分布．海洋学报，1995，17(4)：130-136．
2．李春花，海冰在潮汐和波浪作用下的断裂机理研究．大连理工大学博士论文，2000．77
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40．史庆增，王永安，辽东湾孤立桩柱上冰力的概率分布．海洋学报，1995，17(4)：130-136．