斜式結(jié)構(gòu)上海冰爬坡和堆積的機理和控制研究項目摘要

斜式結(jié)構(gòu)上海冰爬升和堆積的問題是研究海冰與斜式結(jié)構(gòu)相互作用力學機制熱點問題之一。本項目針對這一基礎(chǔ)問題，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開展研究：首先，通過對海冰沿斜坡爬升和堆積的過程進行抽象和簡化，系統(tǒng)地建立斜式結(jié)構(gòu)上海冰爬坡和堆積的全過程力學理論模型，并進行模型驗證，研究海冰爬坡高度和堆積高度的計算方法，分析與海冰爬坡和堆積相關(guān)的參數(shù)變化規(guī)律；其次，進行海冰與斜式結(jié)構(gòu)相互作用的精細化三維數(shù)值模型的建立以及模型驗證，考察海冰堆積的演變過程及輪廓變化，探討結(jié)構(gòu)寬度、水深和海冰堆積形成的關(guān)系，研究海冰爬坡和堆積對斜坡結(jié)構(gòu)上海冰荷載的影響?；谛笔浇Y(jié)構(gòu)上海冰爬坡和堆積的機理研究，提出控制海冰爬坡和堆積的新型構(gòu)造措施，利用數(shù)值模擬方法考察新型構(gòu)造措施的效率性。本項目的研究對于豐富和發(fā)展我國在寒區(qū)（極區(qū)）海洋工程防災減災基礎(chǔ)理論，有著重要的科學意義和實用價值。

本項目首先基于半無限彈性地基板理論，考慮海冰破壞模式、彎曲受壓區(qū)和浮力作用的影響，建立了海冰沿斜坡爬升和堆積的全過程力學理論模型。基于理論模型，提出了冰板失效比的概念，給出了海冰堆積高度計算方法，利用現(xiàn)有經(jīng)驗公式驗證了提出的理論模型，從理論解釋了斜式結(jié)構(gòu)海冰爬升和堆積形成科學問題，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)傾角、上部海冰堆積傾角、冰物理力學指標（彎曲強度和抗壓強度，及彈性模量）、冰厚、冰與結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)、冰與冰摩擦系數(shù)等參數(shù)對海冰堆積的影響規(guī)律，揭示了斜體結(jié)構(gòu)海冰堆積力學機理?；谟邢拊浖⒘撕１c斜體結(jié)構(gòu)相互作用三維精細化數(shù)值模型，通過試驗和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模型可靠性?；跀?shù)值模型，進行了斜體結(jié)構(gòu)與海冰相互作用過程仿真，給定了寬體和窄體斜體結(jié)構(gòu)界定值，數(shù)據(jù)擬合了結(jié)構(gòu)傾角和海冰上部堆積角的關(guān)系式，分析了斜體結(jié)構(gòu)海冰動冰力，發(fā)現(xiàn)了錐體結(jié)構(gòu)曲面的曲率對海冰作用力的影響規(guī)律，解決斜體結(jié)構(gòu)海冰堆積工程計算應用問題?；谛笔浇Y(jié)構(gòu)海冰堆積機理的系統(tǒng)研究，提出了抑制海冰爬坡和堆積的新型構(gòu)造和控制方法，如：斜面結(jié)構(gòu)上半齒狀半弧形凸起體構(gòu)造；可移動式錐體平臺結(jié)構(gòu)破冰棱錐體等。新型構(gòu)造的提出，可有效解決斜體結(jié)構(gòu)海冰堆積問題，具有現(xiàn)實工程應用意義。 2100433B

中國煤礦所采用的矸石運輸工具有汽車、火車、礦車和架空索道。平原地區(qū)大多將矸石堆積在荒地，或用來填充煤礦塌陷區(qū)進行復墾，或堆積成錐形或脊形煤矸石山。山區(qū)則將矸石沿山坡自由滾落排放，填平山溝，形成平頂矸石山。由于采用的排矸機械和堆積工藝不同，所形成的矸石山形狀不同，矸石山的粒度結(jié)構(gòu)也不同。不同粒度結(jié)構(gòu)的矸石山具有不同的空氣動力學性質(zhì)。具有自燃傾向的矸石所堆積的錐形山自燃發(fā)火率最高，脊錐形及平頂矸石山次之。

中國煤礦所采用的矸石運輸工具有汽車、火車、礦車和架空索道。平原地區(qū)大多將矸石堆積在荒地，或用來填充煤礦塌陷區(qū)進行復墾，或堆積成錐形或脊形煤矸石山。山區(qū)則將矸石沿山坡自由滾落排放，填平山溝，形成平頂矸石山。由于采用的排矸機械和堆積工藝不同，所形成的矸石山形狀不同，矸石山的粒度結(jié)構(gòu)也不同。不同粒度結(jié)構(gòu)的矸石山具有不同的空氣動力學性質(zhì)。具有自燃傾向的矸石所堆積的錐形山自燃發(fā)火率最高，脊錐形及平頂矸石山次之。

通過正確地了解和描述海浪、海冰等環(huán)境載荷的動力特征以及辨識海洋平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特性，借助于理論分析和實驗等研究手段，發(fā)展適用于海洋平臺的結(jié)構(gòu)振動控制理論和系統(tǒng)，能夠有效地減輕海浪、海冰作用下平臺的振動響應、增長疲勞壽命和極大環(huán)境載荷下的生存能力，以達到提高結(jié)構(gòu)的可靠性、可維護性、經(jīng)濟性以及作業(yè)人員舒適感的目的；同時，這方面的研究最終將會產(chǎn)生更有效、更經(jīng)濟、更安全的海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計新方法，并為智能結(jié)構(gòu)的開發(fā)利用打下基礎(chǔ)，因此，具有潛在的重大經(jīng)濟效益和應用前景。 2100433B