斜式结构上海冰爬坡和堆积的机理和控制研究项目摘要

斜式结构上海冰爬升和堆积的问题是研究海冰与斜式结构相互作用力学机制热点问题之一。本项目针对这一基础问题，采用理论分析和数值模拟相结合的方法开展研究：首先，通过对海冰沿斜坡爬升和堆积的过程进行抽象和简化，系统地建立斜式结构上海冰爬坡和堆积的全过程力学理论模型，并进行模型验证，研究海冰爬坡高度和堆积高度的计算方法，分析与海冰爬坡和堆积相关的参数变化规律；其次，进行海冰与斜式结构相互作用的精细化三维数值模型的建立以及模型验证，考察海冰堆积的演变过程及轮廓变化，探讨结构宽度、水深和海冰堆积形成的关系，研究海冰爬坡和堆积对斜坡结构上海冰荷载的影响。基于斜式结构上海冰爬坡和堆积的机理研究，提出控制海冰爬坡和堆积的新型构造措施，利用数值模拟方法考察新型构造措施的效率性。本项目的研究对于丰富和发展我国在寒区（极区）海洋工程防灾减灾基础理论，有着重要的科学意义和实用价值。

本项目首先基于半无限弹性地基板理论，考虑海冰破坏模式、弯曲受压区和浮力作用的影响，建立了海冰沿斜坡爬升和堆积的全过程力学理论模型。基于理论模型，提出了冰板失效比的概念，给出了海冰堆积高度计算方法，利用现有经验公式验证了提出的理论模型，从理论解释了斜式结构海冰爬升和堆积形成科学问题，发现了结构倾角、上部海冰堆积倾角、冰物理力学指标（弯曲强度和抗压强度，及弹性模量）、冰厚、冰与结构摩擦系数、冰与冰摩擦系数等参数对海冰堆积的影响规律，揭示了斜体结构海冰堆积力学机理。基于有限元软件建立了海冰与斜体结构相互作用三维精细化数值模型，通过试验和现场观测数据验证了数值模型可靠性。基于数值模型，进行了斜体结构与海冰相互作用过程仿真，给定了宽体和窄体斜体结构界定值，数据拟合了结构倾角和海冰上部堆积角的关系式，分析了斜体结构海冰动冰力，发现了锥体结构曲面的曲率对海冰作用力的影响规律，解决斜体结构海冰堆积工程计算应用问题。基于斜式结构海冰堆积机理的系统研究，提出了抑制海冰爬坡和堆积的新型构造和控制方法，如：斜面结构上半齿状半弧形凸起体构造；可移动式锥体平台结构破冰棱锥体等。新型构造的提出，可有效解决斜体结构海冰堆积问题，具有现实工程应用意义。 2100433B

中国煤矿所采用的矸石运输工具有汽车、火车、矿车和架空索道。平原地区大多将矸石堆积在荒地，或用来填充煤矿塌陷区进行复垦，或堆积成锥形或脊形煤矸石山。山区则将矸石沿山坡自由滚落排放，填平山沟，形成平顶矸石山。由于采用的排矸机械和堆积工艺不同，所形成的矸石山形状不同，矸石山的粒度结构也不同。不同粒度结构的矸石山具有不同的空气动力学性质。具有自燃倾向的矸石所堆积的锥形山自燃发火率最高，脊锥形及平顶矸石山次之。

中国煤矿所采用的矸石运输工具有汽车、火车、矿车和架空索道。平原地区大多将矸石堆积在荒地，或用来填充煤矿塌陷区进行复垦，或堆积成锥形或脊形煤矸石山。山区则将矸石沿山坡自由滚落排放，填平山沟，形成平顶矸石山。由于采用的排矸机械和堆积工艺不同，所形成的矸石山形状不同，矸石山的粒度结构也不同。不同粒度结构的矸石山具有不同的空气动力学性质。具有自燃倾向的矸石所堆积的锥形山自燃发火率最高，脊锥形及平顶矸石山次之。

通过正确地了解和描述海浪、海冰等环境载荷的动力特征以及辨识海洋平台结构系统的动力响应特性，借助于理论分析和实验等研究手段，发展适用于海洋平台的结构振动控制理论和系统，能够有效地减轻海浪、海冰作用下平台的振动响应、增长疲劳寿命和极大环境载荷下的生存能力，以达到提高结构的可靠性、可维护性、经济性以及作业人员舒适感的目的；同时，这方面的研究最终将会产生更有效、更经济、更安全的海洋结构设计新方法，并为智能结构的开发利用打下基础，因此，具有潜在的重大经济效益和应用前景。 2100433B