孔令学

（大连港口设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023）

JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》[1]（以下简称“荷载规范”）中关于冰荷载的计算较98版规范[2]有了较大的修改和补充，对极限冰压力计算公式进行了修改，补充了河港中冰排冰压力、锥体结构上冰压力等内容，自颁布实施以来，在港口工程冰区结构的设计工作中发挥了十分重要的作用，但在使用过程中，发现物理模型试验值与计算值差别较大，有的参数取值规定不明确，本文根据物模试验结果，对冰荷载公式中大尺度结构冰的局部挤压系数、锥体结构冰力公式两个问题进行探讨，并给出建议以供设计参考。

1 大尺度结构冰局部挤压系数

1.1 问题提出

在荷载规范中，冰排在直立桩（墩）前连续挤碎时，产生的极限挤压冰力标准值按下式计算：FI=ImkBHσc

式中：I为冰的局部挤压系数；m为桩、墩迎冰面形状系数；k为冰和墩之间及接触条件系数，取0.32；B为桩、墩迎冰面投影宽度，m；H为单层平整冰计算冰厚，m；σc为冰的单轴抗压强度标准值。

规范规定对B/H大于6的大尺度结构，冰的局部挤压系数可取1.35，并应考虑冰在结构前的非同时破坏，对冰力进行适当折减，但具体如何折减，未做规定，设计时一般取1.35，冰力值将偏大，如冰荷载为控制荷载则有可能影响到结构的设计，因此有必要探讨宽结构局部挤压系数I的取值问题。

1.2 问题建议

文献[3]中列举了前苏联不同B/H时局部挤压系数，见表1。

表1 局部挤压系数值Table 1 Local extrusion coefficient value

文献[4]中通过系列不同直径圆柱上的水平冰载荷试验，获得B/H=0～50的圆桩柱上水平冰荷载系数变化曲线，其最佳拟合曲线方程为FI/（BHσc）=2.057 5k（D/H）-0.2497，根据此公式计算得不同B/H时局部挤压系数，见表1。

文献[5]通过试验数据回归分析，得到B/H与FI/（BHσc）的关系曲线，如图1，根据该曲线计算得不同B/H时局部挤压系数，见表1。

图1 试验得到的B/H与FI/（BHσc）关系曲线Fig.1The relationship between B/H and FI/（BHσc）obtained by experiment

从表1中可以看出，B/H值越大，I值越小，这与在大尺度的直立结构前，冰排发生挤压破坏具有非同时性，导致总冰力下降的实际情况是相符的。《中国海海冰条件及应用规定》[6]中亦类似规定，当结构物直径或宽度为10～100 m时，接触系数和挤压系数之积取0.4～0.25。

根据以上分析，大尺度结构I值均取1.35与实际情况不符，结合表1中的结果，建议对大尺度结构冰的局部挤压系数取值见表2。

表2 局部挤压系数建议值Table 2 Recommended value of local extrusion coefficient

1.3 试验验证

某工程针对冰荷载对系缆墩、靠船墩进行了物理模型试验，试验采用低温冻结模型冰，在极端低水位时发生挤压破坏，试验参数及结果见表3，从表中可以看出，本工程的系缆墩和靠船墩B/H均大于30，反算的局部挤压系数I为0.85、0.86，与建议值比较接近，且小于建议值，说明建议值是合理的，且具有一定的安全储备。

表3 某工程试验参数及结果Table 3 Test parameters and results of the example project

2 正锥体结构冰力

2.1 问题提出

作用于正锥体结构上的冰力标准值荷载规范规定的计算公式如下：

FH1=[A1σfH2+A2γwHD2+A3γwHR（D2-DT2）]A4

FV1=B1FH1+B2γwHR（D2-DT2）

式中：FH1、Fv1为正锥面上水平冰力、竖向冰力标准值，kN；A1、A2、A3、A4、B1、B2为无量纲系数，由图查取；σf为冰弯曲强度标准值，kPa；H为单层平整冰计算冰厚，m；γw为海水重度，kN/m3；D为海水面处锥体的直径，m；HR为破冰的上爬高度；DT为锥体顶部的直径，m。

公式中的各计算参数，规范均有明确的选取方法，唯有破冰的上爬高度HR没有明确，对锥体比较窄且不高的结构，破碎冰块上爬现象并不显著且冰力分量较小，对结构设计影响不大，但对宽高锥体，HR的选取对冰力结果影响较大，对相同参数时不同HR计算的冰力结果对比如表4，从表中可以看出，当HR增加仅1 m时，水平冰力和竖向冰力均增加了50%多，因此有必要研究HR的取值问题。

表4 相同参数时不同HR冰力计算值对比Table 4 Comparison of the ice force values in different(HR)with the same parameters

2.2 问题建议

在国际流行的5种斜体冰荷载预测模型中[7]，以Ralston的适用范围最广，并且在整个区间内的计算值稍高于测试值，用于工程设计具有一定的指导意义，模型偏于保守。

Ralston模型作为海冰对斜体结构物的作用力计算公式如下：

水平力 RH=A4[A1σfH2+A2ρwgHD2+A3ρwgH（D2-DT2）]

垂直力 RV=B1RH+B2ρwgH（D2-DT2）

从公式可以看出，规范[1]中锥体结构的冰力采用了Ralston模型公式，主要区别为将上爬力分项中的H（冰厚）改为HR（上爬高度），但在实际设计时，上爬高度每个设计者的理解不一样，取值也不一样，导致冰力计算值差别较大，因此，建议将规范公式中HR（上爬高度）取为H（冰厚），从而保证计算值的唯一性。

2.3 试验验证

以2个物理模型试验验证该建议的合理性。

1）试验一

冰的参数为：H=0.476 m，σf=835 kPa，该工程为30万吨原油码头，码头结构采用破冰锥体结构，系缆墩上部锥体结构见图2。

图2 系缆墩锥体结构Fig.2 Conical structure of mooring dolphins

试验采用低温冻结模型冰，试验情况见图3，从图中可以看出设计高水位时，碎冰块可以上爬至直立段到了系缆墩的顶部，设计低水位碎冰块上爬高度已接近系缆墩的直立段。如按照试验结果，冰的爬高设计高水位时分别取到系缆墩顶（+8.0 m高程）和到椎体顶部（+3.0 m高程），设计低水位时取到锥体顶部（+3.0 m高程），按此计算的冰力结果见表5。

图3 试验场景Fig.3 Test scenario

表5 试验一的冰力计算结果对比Table 5 Comparison of ice force calculation in test I

从表中可以看出，HR按试验结果取值时（设计高水位时爬高到墩台顶，设计低水位时到椎体顶部），计算的冰力是试验值的2.5～4.2倍，两者相差较大，当HR取冰厚H时，计算的冰力是试验值的1.4～1.8倍，冰的爬高HR取冰厚H也比试验值大，但在可接受范围内，因此，冰的爬高HR取冰厚H是基本合理的。

2）试验二

冰的参数为：H=0.492 m，σf=817 kPa，该工程为渤海某导管架的抗冰锥体[8]，锥体结构见图4。

试验采用低温冻结模型冰，最高天文潮时试验情况见图5，从图中可以看出，碎冰块可以上爬至直立段。如按照试验结果，冰的爬高按到锥体顶部考虑，按此计算的冰力结果见表6。

图5 最高天文潮水位试验现象Fig.5 Test phenomenon when highest astronomical tide level

表6 试验二的冰力计算结果对比Table 6 Comparison of ice force calculation in test II

从表中可看出，HR按试验结果（冰爬至破冰椎体顶部）取值和按冰厚取值时，由于两值差别不大，计算的冰力差别也不大，为试验值的1.8～1.9倍，冰的爬高值采用冰厚更接近试验值。因此，冰的爬高HR取冰厚H是基本合理的。

3 结语

1）宽大结构由于冰排发生挤压破坏具有非同时性，因此总冰力会随着结构的增大而降低，荷载规范中对大尺度结构极限挤压冰力计算规定比较简单，结合相关规范及试验，建议宽大结构冰的局部挤压系数I值根据结构尺度D与冰厚H比值取 1.0～1.35。

2）荷载规范锥体结构冰力计算公式中破冰的上爬高度HR，由于对实际情况的了解程度，取值会有较大差别，导致冰力计算结果差别较大，建议公式中破冰的上爬高度HR直接采用冰厚H。

3）本文主要依据低温冰模型试验结果进行的分析，但试验实例较少，因此本文结论具有一定的局限性，可供类似工程前期设计时参考，具体设计时以模型试验结果为准。