船舶和海上技術(shù) 固定結(jié)構(gòu)冰載荷模型試驗 征求意見稿

2GB/TXXXXX—XXXX船舶和海上技術(shù)固定結(jié)構(gòu)冰載荷模型試驗本文件規(guī)定了固定結(jié)構(gòu)冰載荷模型試驗中的試驗?zāi)M方法、數(shù)據(jù)分析方法，以及對試驗設(shè)施和數(shù)據(jù)記錄的要求。本文件適用于中國寒區(qū)海域固定式海洋工程結(jié)構(gòu)的冰載荷模型試驗，提供了一套具有充分可靠性和可行性的試驗方法與標(biāo)準(zhǔn)化操作流程。注：固定結(jié)構(gòu)冰載荷模型試驗的目的是針對既定海冰/結(jié)構(gòu)條件，測量結(jié)構(gòu)遭遇海冰作用時承受的載荷，并依此評估結(jié)構(gòu)安全性與抗冰性能上的優(yōu)劣。中國寒區(qū)海域固定式海洋工程結(jié)構(gòu)包含多種類型：單樁結(jié)構(gòu)，常見于油氣開采簡易平臺或海上風(fēng)機；多樁結(jié)構(gòu)，常見于導(dǎo)管架平臺、海上風(fēng)機或碼頭；沉箱結(jié)構(gòu)，用于油氣開采平臺。不論進行上述哪種結(jié)構(gòu)類型的冰載荷試驗，試驗結(jié)果中均應(yīng)2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T3102.1空間和時間的量和單位GB/T3102.3力學(xué)的量和單位GB/T4208外殼防護等級（IP代碼）ISO19906石油和天然氣工業(yè)—北極海上結(jié)構(gòu)（Petroleumandnaturalgasindustries—Arcticoffshorestructures）ITTC-推薦程序和指南7.5-02-04-03復(fù)雜冰環(huán)境試驗?zāi)M指南（GuidelinesforModellingofComplexIceEnvironments）ITTC-推薦程序和指南7.5-02-04-02.5冰水池試驗中船舶阻力的不確定性分析（ExperimentalUncertaintyAnalysisforShipResistanceinIceTankTesting）3術(shù)語和定義3.1邊界效應(yīng)boundaryeffect由于物體或系統(tǒng)的邊界存在，造成的與邊界相關(guān)的現(xiàn)象或變化。3.2環(huán)向裂紋circumferentialcrack裂紋的延伸方向呈現(xiàn)環(huán)形或圓周形，通常是在某個中心或特定點周圍擴展的裂紋。GB/TXXXXX—XXXX33.3冰攻角iceattackangle結(jié)構(gòu)北向與來冰方向的夾角。3.4碎冰堵塞效應(yīng)icejammingeffect碎冰堵塞于樁柱之間的空隙或滯留在結(jié)構(gòu)前，發(fā)生堆積/凍結(jié)后造成的結(jié)構(gòu)迎冰面積增大及冰載荷的增加。3.5冰載荷iceload冰對結(jié)構(gòu)物施加的力或壓力，通常發(fā)生在冰與結(jié)構(gòu)物發(fā)生接觸、碰撞或壓迫時。3.6冰模型試驗icemodeltest在受控條件下對一個結(jié)構(gòu)或部件進行的縮尺物理試驗。3.7冰強度icestrength冰在外力作用下抵抗破壞的能力，通常用于描述冰的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪能力。3.8模型冰modelice物理和力學(xué)性質(zhì)縮尺后、用于冰模型試驗的冰。注：模型冰通常在特殊的實驗室中由人工制備而成，3.9非同時破壞效應(yīng)non-simultaneousfailureeffect冰排在各樁柱或局部子區(qū)域前的破壞進程不同步，導(dǎo)致每個樁柱或子區(qū)域上所遭受的冰載荷具有相位差，結(jié)構(gòu)的總冰載荷相較于各樁柱或子區(qū)域的冰載荷極值之和有一定程度的折減。3.10徑向裂紋radicalcrack裂紋的延伸方向呈現(xiàn)徑向，從某個中心或特定點向外輻射或擴展的裂紋。3.11碎冰堆rubblepile一種具有不規(guī)則形狀和范圍的海冰形態(tài)特征，由碎冰塊堆積形成，通常會凍結(jié)在一起。注：常見于多樁結(jié)構(gòu)與寬體結(jié)構(gòu)，可造成結(jié)3.12相似律scalinglaw用于分析和描述不同尺度或不同條件下物理系統(tǒng)之間相似性的一組數(shù)學(xué)或物理規(guī)律。3.13掩蔽效應(yīng)shelteringeffectGB/TXXXXX—XXXX4在迎冰方向上的前排樁柱在冰排上開辟出水道以后，后排樁柱全部或部分落入水道或位于水道附近而造成的冰載荷下降。4試驗相關(guān)物理量試驗相關(guān)物理量見表1。表1試驗相關(guān)物理量EfiNfmaxNFjNFmaxNFtNgm/s2hmi——Lcmn Sc—β—η—λ—模型尺寸與實物尺寸之間的比例關(guān)系，表征模型ν ρwkg/m35試驗原理5.1試驗方式固定結(jié)構(gòu)冰載荷模型試驗宜采用以恒定速度拖曳結(jié)構(gòu)模型在冰水池中航行的方式進行。在該方式無法滿足時，可采用恒定速度推動模型冰穿越定位在冰水池中結(jié)構(gòu)模型的方式開展試驗，但應(yīng)對模型冰邊界條件、是否存在裂紋貫穿冰排邊緣及推冰板處的冰破壞情況做出說明。5.2測試原理5.2.1總則GB/TXXXXX—XXXX55.2.1.1試驗中結(jié)構(gòu)模型的冰載荷應(yīng)由力傳感器直接測得。應(yīng)選擇合適的安裝方法以減少力傳感器對模型整體剛度及其與冰作用過程的影響。5.2.1.2試驗中應(yīng)對冰與結(jié)構(gòu)相互作用過程中的冰載荷時間歷程進行準(zhǔn)確測量與完整記錄，同時應(yīng)配置必要的影像記錄手段對冰的破壞過程進行連續(xù)性觀測。5.2.2細(xì)則5.2.2.1冰載荷具體測量方式應(yīng)根據(jù)具體試驗?zāi)繕?biāo)或業(yè)主方需求進行設(shè)定。5.2.2.2對于單樁結(jié)構(gòu)，通常情況下，試驗中宜使用單個力傳感器對模型的總冰載荷進行測量。5.2.2.3對于多樁結(jié)構(gòu)，宜考查冰載荷的掩蔽效應(yīng)與非同時破壞效應(yīng)。試驗中宜使用多個力傳感器，對各樁柱冰載荷進行獨立測量與同步采集。5.2.2.4對于結(jié)構(gòu)與冰作用過程中冰排出現(xiàn)環(huán)向裂紋或數(shù)個徑向裂紋的情況，宜考慮冰載荷的非同時破壞效應(yīng)。在無特殊要求時，宜按圖1所示分段式模型的方式對冰載荷進行測量，并應(yīng)滿足以下要求：a)分段大小的設(shè)定應(yīng)滿足模型試驗對冰載荷空間分布精細(xì)度的考查要求。b)各分段之間的縫隙不宜超過3mm，且應(yīng)避免碎冰堵塞縫隙造成的測量干擾。c)應(yīng)保證各分段模型冰載荷的獨立測量與同步采集。圖1分段式模型冰載荷測試原理示意（以大直徑錐體模型為例）5.2.2.5試驗中的碎冰堆積超過一倍冰厚時，應(yīng)開展碎冰堆積的觀測。試驗中對碎冰堆積的觀測應(yīng)在水上、水下同步開展。6試驗配置與試驗工況6.1試驗配置6.1.1試驗設(shè)施6.1.1.1固定結(jié)構(gòu)冰載荷模型試驗應(yīng)在冰水池中進行。冰水池應(yīng)具備良好的測試環(huán)境溫度控制與維持能力，以避免試驗測試環(huán)境受外界環(huán)境溫度的影響。冰水池應(yīng)為結(jié)構(gòu)與冰水的相互作用提供物理模擬條件，并為具備滿足相似性要求的模型冰制備提供可控的低溫環(huán)境。6.1.1.2冰水池試驗拖車系統(tǒng)應(yīng)具備穩(wěn)定的低速行進能力，以對現(xiàn)實海冰與結(jié)構(gòu)作用場景中極端冰載荷通常對應(yīng)的低速海冰漂移條件形成模擬。試驗拖車具備的最低拖曳模型行駛速度不應(yīng)高于2mm/s，穩(wěn)定性偏差不應(yīng)高于0.5mm/s。GB/TXXXXX—XXXX66.1.2模型冰6.1.2.1模型冰應(yīng)采用室內(nèi)冰水池內(nèi)制備的水溶液低溫凍結(jié)模型冰，以保證力學(xué)性質(zhì)與天然海冰最大程度的相似。模型冰的制備方法可按照ISO19906中的附加信息和指南執(zhí)行。6.1.2.2模型冰的試驗厚度不應(yīng)小于10mm，模型冰的彈性模量與抗彎強度之比應(yīng)不小于2000，模型冰的晶體織構(gòu)特征應(yīng)和原型冰保持相似。6.1.3結(jié)構(gòu)模型6.1.3.1固定結(jié)構(gòu)模型幾何縮尺比的確定應(yīng)綜合考慮試驗設(shè)施工作段的尺寸及滿足模型冰相似要求的前提下可接受的縮尺比。為保證試驗測試預(yù)報結(jié)果的可靠性，試驗幾何縮尺比例不宜小于1:40。6.1.3.2試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計應(yīng)嚴(yán)格遵循與目標(biāo)結(jié)構(gòu)的幾何相似原則。對于可能影響冰破壞模式以及碎冰物理過程的幾何構(gòu)型，均應(yīng)進行準(zhǔn)確的縮尺模擬。6.1.3.3模型主尺度制造誤差應(yīng)小于±0.5%，表面硬度及粗糙度應(yīng)與原型結(jié)構(gòu)保持一致，在水中、低溫環(huán)境中及與冰作用過程中不滲水、不變形、不磨蝕。結(jié)構(gòu)模型應(yīng)保持剛性連接，模型的整體固有頻率宜保持在50Hz以上。6.1.4相似準(zhǔn)則6.1.4.1在慣性力、重力和彈性力作用占據(jù)主導(dǎo)地位的作用場景中，應(yīng)采用傅汝德相似準(zhǔn)則和柯西相似準(zhǔn)則構(gòu)建相似體系，各物理參數(shù)的相似比尺關(guān)系在表2中列出。表2傅汝德-柯西相似體系中主要物理量的比尺λλλ1/2λλ1/2λλ3力λ3λ4λ6.1.4.2對于不滿足慣性力、重力和彈性力作用主導(dǎo)假定的其它作用場景，應(yīng)開展試驗預(yù)報結(jié)果與原型尺度觀測結(jié)果的對比標(biāo)定試驗，以確定針對具體試驗場景的合理相似準(zhǔn)則。6.2測試條件與工況6.2.1總則模型試驗應(yīng)根據(jù)現(xiàn)實工程場景，在冰水池內(nèi)合理再現(xiàn)冰與結(jié)構(gòu)的相互作用場景。固定結(jié)構(gòu)冰載荷取決于作用過程中冰的破壞模式、碎冰的流動、碎冰的堵塞堆積等多種物理過程，冰載荷模型試驗應(yīng)滿足對這些物理過程的合理再現(xiàn)。決定冰載荷的具體物理過程取決于結(jié)構(gòu)型式、尺寸和冰條件，在無特殊要求時，模型試驗工況應(yīng)與業(yè)主方討論確定。6.2.2海冰形態(tài)條件工況6.2.2.1海上或近岸固定結(jié)構(gòu)可能遭遇的海冰形態(tài)條件包括平整冰、重疊冰、冰脊和碎冰流等，試驗中應(yīng)對所模擬的冰條件進行制備和模擬，并采用特征參數(shù)測量與圖像、影像記錄的方式在試驗結(jié)果文件中予以澄清。GB/TXXXXX—XXXX76.2.2.2復(fù)雜冰環(huán)境的試驗?zāi)M流程可按照ITTC-推薦程序和指南7.5-02-04-03執(zhí)行。6.2.3海冰作用條件工況6.2.3.1影響冰載荷的作用條件包括冰速、冰攻角和水位等，試驗中應(yīng)根據(jù)具體的工程場景，設(shè)置多種作用條件的組合條件，以確定極端載荷所對應(yīng)的海冰作用條件。6.2.3.2試驗中應(yīng)細(xì)致設(shè)置冰速條件變化梯度，以保證對冰載荷隨速度變化情況的詳細(xì)記錄。對于直立單樁結(jié)構(gòu)的最低試驗冰速不應(yīng)高于10mm/s，對于錐形單樁結(jié)構(gòu)的最低試驗冰速不應(yīng)高于50mm/s，最高試驗冰速應(yīng)根據(jù)所模擬的現(xiàn)實海況條件確定。6.2.3.3試驗中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何對稱特性、結(jié)構(gòu)坐向、工程場址主/次冰向等，設(shè)置冰攻角條件，以保證對冰載荷隨冰攻角變化情況的詳細(xì)記錄。6.2.4邊界效應(yīng)為避免邊界效應(yīng)，從模型作用位置到池壁的距離應(yīng)保持在三倍特征長度以上。特征長度（Lc）按公式（1）計算：（1）式中，E——冰的彈性模量，單位為帕（Pa）；h——冰厚，單位為米（mν——冰的泊松比；ρw——水的質(zhì)量密度，單位為千克每立方米（kg/m3g——重力加速度，單位為米每二次方秒（m/s2）。6.3校準(zhǔn)試驗中測試設(shè)備宜根據(jù)制造商的校準(zhǔn)參考或應(yīng)變式測力系統(tǒng)標(biāo)定方法進行校準(zhǔn)。7測量儀器設(shè)備7.1力傳感器7.1.1總則力傳感器的配置應(yīng)按照本文件5.2.2中的規(guī)定執(zhí)行。7.1.2規(guī)格7.1.2.1力傳感器的量程應(yīng)滿足模型試驗的要求。具體量程應(yīng)能夠根據(jù)實驗室經(jīng)驗或通過試探性試驗確定。7.1.2.2力傳感器自身的測量誤差應(yīng)不大于1%。7.1.3防護等級GB/TXXXXX—XXXX8力傳感器的防護等級應(yīng)滿足模型試驗的要求。力傳感器的耐低溫指標(biāo)不宜高于?20°C。對于水上應(yīng)用，力傳感器的防護等級應(yīng)不低于GB/T4208中規(guī)定的IPX6級；對于水下應(yīng)用，力傳感器的防護等級應(yīng)不低于GB/T4208—2017中規(guī)定的IPX7級。7.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7.2.1總則宜使用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）執(zhí)行數(shù)據(jù)采集。A/D轉(zhuǎn)換器宜考慮以下因素。7.2.2采樣頻率采樣頻率宜滿足奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理，即宜至少為測試需求中最高頻率的2倍。采樣頻率不宜小于100Hz。7.2.3通道數(shù)量通道數(shù)對應(yīng)于力傳感器的數(shù)量，并留有一定的裕量。應(yīng)對被測所有通道同時采樣。7.2.4數(shù)據(jù)保存宜配備數(shù)據(jù)采集軟件，可對測試數(shù)據(jù)進行可視化展示和數(shù)字化保存。7.3攝像機試驗中應(yīng)使用攝像機記錄模型周圍的冰破壞模式與碎冰運動。攝像機的畫幅、分辨率及幀率應(yīng)滿足模型試驗的要求。攝像機的防護等級按照本文件7.1.3執(zhí)行。8試驗步驟8.1冰條件模擬根據(jù)擬模擬的冰形態(tài)條件，在冰水池中制備達到目標(biāo)參數(shù)值的模型冰條件。8.2模型安裝調(diào)試試驗前應(yīng)對測試所需要的力傳感器進行標(biāo)定，并完成試驗?zāi)Ｐ团c傳感器的安裝。試驗前宜進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)試，以確保測試系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)。8.3模型冰性質(zhì)測試試驗前應(yīng)對模型冰所要達到的相關(guān)性質(zhì)，如冰厚、彎曲強度、壓縮強度、彈性模量等，進行動態(tài)監(jiān)測，直至相關(guān)目標(biāo)參數(shù)滿足目標(biāo)條件要求時方可進行試驗。宜在冰水池橫向與縱向至少3個不同位置測試模型冰的參數(shù)。模型冰的性質(zhì)測試方法可按照ISO19906中的附加信息和指南執(zhí)行。8.4試驗測試8.4.1測試工況應(yīng)按照本文件6.2節(jié)中規(guī)定的試驗工況逐一開展試驗測試。8.4.2測試行程GB/TXXXXX—XXXX9試驗中的測試行程應(yīng)覆蓋至少5次周期性冰破壞事件，并應(yīng)使結(jié)構(gòu)周圍的碎冰堆積（如有）得到充分發(fā)展。8.4.3現(xiàn)象觀測8.4.3.1應(yīng)重點觀察結(jié)構(gòu)模型與冰接觸各位置處的冰排破壞模式及相應(yīng)的碎冰形態(tài)。具體的現(xiàn)象觀測宜通過實時的影像拍攝手段，實現(xiàn)對冰體中裂紋擴展和碎冰形態(tài)進行詳盡的記錄，并根據(jù)需求進行后續(xù)分析。8.4.3.2碎冰堆積（如有）的深度和輪廓應(yīng)予以測量和記錄，測量過程應(yīng)避免干擾碎冰堆積的發(fā)展和狀態(tài)。宜按圖2所展示的方式記錄碎冰堆積的發(fā)展進程。圖2碎冰堆積發(fā)展進程示意8.4.4數(shù)據(jù)采集與保存數(shù)據(jù)采集與保存應(yīng)按照本文件7.2進行設(shè)置。宜在測試前將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)歸零，并保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集基準(zhǔn)或平衡文件。每組測試開始前和終止后宜保留5至10秒的空采段。9數(shù)據(jù)后處理與實尺度預(yù)報9.1總則宜對有效測試時間內(nèi)冰力時程的峰值進行提取，并計算冰力峰值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、1/3大值平均值、1/10大值平均值、95%上分位數(shù)和最大值等統(tǒng)計特征值。在無特殊要求時，試驗中的極端冰載荷宜以最大值代表。9.2掩蔽效應(yīng)如有，宜根據(jù)試驗數(shù)據(jù)評估不同試驗工況下的掩蔽效應(yīng)。冰載荷的掩蔽效宜按照公式（2）進行量化：式中，Sc——前排樁柱對后排樁柱上冰載荷的掩蔽系數(shù)；fmax——后排樁柱所受冰載荷的極值，單位為牛（N）；Fmax——沒有前排樁柱時（即無掩蔽的條件下），后排樁柱冰載荷的極值，單位為牛（N）。9.3非同時破壞效應(yīng)如有，宜根據(jù)試驗數(shù)據(jù)評估不同試驗工況下的非同時破壞效應(yīng)。非同時破壞效應(yīng)宜按照公式（3）進行量化：（3）式中：β——非同時破壞系數(shù)；i——樁柱或子區(qū)域編號；n——樁柱或子區(qū)域總數(shù)量；fi——樁柱或子區(qū)域i所受的冰載荷極值，單位為牛（N）；Ft——結(jié)構(gòu)的總冰載荷極值，單位為牛（N）。9.4碎冰堵塞效應(yīng)如有，宜根據(jù)試驗數(shù)據(jù)評估不同試驗工況下的碎冰堵塞效應(yīng)。碎冰堵塞效應(yīng)宜按照公式（4）進行量化：（4）式中：η——碎冰堵塞效應(yīng)引發(fā)的冰載荷放大系數(shù)；Fj——碎冰堵塞或堆積后，結(jié)構(gòu)的總冰載荷極值，單位為牛（N）；Ft——未發(fā)生碎冰堵塞時，結(jié)構(gòu)的總冰載荷極值，單位為牛（N）。9.5實尺度預(yù)報按照本文件6.1.4節(jié)中的規(guī)定執(zhí)行。在具備相近條件實測案例的情況