0 引　言

冰区船、沉箱式平台及浮式平台等典型宽大结构在极地广泛存在，其中结构冰压力分布特征对结构设计和安全预警具有重要意义^[1]。通常可将结构冰压力分为整体冰压和局部冰压，其中整体冰压代表了结构整体的受力状态，其决定于海冰与结构作用的投影面，可直接影响结构整体的运动状态及稳性^{[2, 3]}。局部冰压用来表征海冰破坏过程中作用在结构局部区域内的冰压力^[3,4]，大量测量数据和模型试验证明海冰的最大局部冰压远远高于结构的整体冰压，局部高压区的存在可能会引起结构局部变形受损，严重威胁整体结构安全性^[5]。

为探明宽大结构-海冰作用过程中冰压分布特性，现已发展出实尺度监测反演^[6]、模型试验^[7]及数值仿真^[8]3种方法，取得了一系列理论创新成果。Dempsey等^[9]针对挤压失效模式中冰压汇总出关键影响因素(冰厚、约束特征、作用速率等)和演化特征(非同时破坏、线性分布等)；Sodhi等^[10]采用液压驱动试验装置开展了中型尺度的压痕试验，重点观测了冰样断裂特征及其冰压时程变化特征，进而总结出加载速率对冰韧脆转变失效行为的影响规律；Ritch等^[6]采用矩阵式反演技术探明了冰区船-小型冰山撞击过程中冰压的冲击特性及滑移规律；黄焱^[7]利用触觉式测量技术研究了模型尺度下船-冰碰撞过程中冰载荷的时变特性。

采用分布式测量传感器的模型试验技术在精细化捕捉结构与冰接触界面动态冰载荷方面具有较强的技术优势，目前已在加拿大^[11]、芬兰^[12]及美国^[4]等国开展，冰样尺寸由厘米级跨越至米级，结构类型涵盖浮体、固定桩体和板架等结构，具有较强的普适性，为极地装备冰载荷非线性演化动态过程刻画及统计特征分析提供了技术支撑。我国因既往需求不足及低温环境试验硬件保障不足等原因，目前尚未充分开展相关试验研究。

为探明典型作用场景下宽大结构冰压演化过程及其统计特性，本文基于冻结模型冰开展结构与模型冰间作用研究，研究挤压失效过程中的冰压分布规律及其统计特征，相关结果可为结构冰压分布特性探索提供有益参考。

1 试验装置

为探明宽大结构冰压分布特性，搭建一套涵盖试验台架、推杆安装座、电动推杆、分布式压力传感器、压冰座、外板结构模型及固定压条等部分的试验装置，详见图1。

该试验装置主要由4个部分组成(图1中标注为A、B、C、D)，其中A部分为试验模型主体部分，塔形框架分为上下2层。上层框架用于安装加载装置，推杆安装座通过上层框架预先开设的滑槽可改变横向位置，从而改变加载点位置，本文中加载位置固定在槽道的中间。下层为中空矩形框架体，为外板结构模型安装基础平台。

B部分为外板结构模型，模型采用3 mm厚的6061铝合金板，通过四周的固定压条及螺栓将外板结构模型固定于安装基础平台上，并约束外板结构模型在加载过程中产生的形变位移。

C部分为测量冰压的TACTILUS防水分布式压力分布测量系统，主要由传感器、数据采集装置和数据处理显示软件组成。测量系统采用的传感器是由电阻式薄膜传感单元阵列组成，设备通过电阻阻值的变化而得出每个传感单元的压力值。显示软件可同时记录并处理每个传感单元的压力，以云图方式示踪压力平均值、最大值、最小值、受力中心点，其有效测试区域为250×250 mm，区域内测试单元数目为24×24，量程为1 MPa。

D部分为模型冰试样的加载装置，其主要由电动推杆、推杆基座及支架等装置组成，可提供最大700 N的推力、200 mm的行程及3 mm/s的行进速度。

试验场地为步进式低温试验室，试验温度控制在−3℃，试验所用冰样由冰水池制备，其模型冰的制备工艺可见文献[13]。另外，试验中冰体破坏过程由手持式摄录机记录。

2 典型作用过程分析

海冰脆性失效是海冰失效的常见模式之一^[4]，电动推杆的加载速度(3mm/s)可有效保障模型冰发生脆性失效。机理研究中共挤压了9个模型冰试样，其尺寸为 $7\times 7\times 3.2\;\mathrm{c}\mathrm{m}$ 。图2为典型冰-板作用过程中模型冰冰体的破坏过程，图2(a)试样在未被加载前冰体完整，图2(b)为模型冰在推压板作用下快速产生了一条贯穿冰体的裂纹，随后大裂纹遍布冰试样(见图2(c))，图2(d)为冰试样完全溃败的情景，此时冰体已无法提供支撑而导致冰压归零。模型冰的力学行为受细观结构影响较大，多孔多相缺陷的细观结构特征导致其裂纹扩展较快，冰体在宏观上表现出非同时破坏的特征。挤压进程推进过程中冰体下端面与结构的接触是不完整且快速变化的，进而影响到冰压的渐进演化和均匀分布特性。图3为试验过程中冰压的演化情况，其显示的采样周期为 $\Delta t=0.06\;\mathrm{s}$ ，可以看出，冰压的高压区分布范围及其峰值点在时间和空间上均呈现出随机特征。

高冰压区对于结构安全性具有重要影响，其中冰压最大值与冰压均值的比值可用于表征冰压的集中效应，表1列出了9次试验中的冰压最大值、冰压均值及两者比值，可知冰压均值冰压最大值 $ {P}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 分布在208.0 ～339.0 kPa之间， $ {P}_{\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}} $ 分布在120.4 ～264.2 kPa之间，冰压最大值与冰压均值的比值 ${P}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}/ {P}_{\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}}$ 分布在1.3～2.6之间。

3 冰压统计特性研究

冰压-加载面积关系是工程中宽大结构冰压设计的常见形式。图4为直立结构与冰层之间加载面积示意图^[14]，其中外圈粗实线所围区域S为结构-海冰所有可能作用区域合集，因测试位置不便进入及无法布置传感器等原因，实尺度测试面积难以完全覆盖区域S，其测试区域可由区域M表征。另外，区域D表示结构-海冰实际作用区域，其是实时变化的。显然区域M上的作用力是区域D上作用力的一部分。对本试验而言，加载过程中冰层剖面与测试区域(被传感器有效测试区域完全覆盖)是一致的，区域D、区域S及区域M是相同的。因此，基于本文机理性试验结果进行冰压统计特性分析是可行的。

为有效处理冰压-加载面积(P-A)关系，采用Ritch及Jordaan等提出的半经验概率方法，即“事件-最大值法”，该方法可在一定程度上消除尺度和冰载荷随机特性的干扰^[6,15]，曾被CAN/CSA-S471-04和ISO/CD 19906等北极地区结构设计标准采纳。这里的事件指的是一次船-冰作用或一次结构冰载荷测试试验，试验过程中高冰压区及冰压-加载面积(P-A)的处理方法如下：

1) 对于事件中的每一时间步，筛选出单个单元上冰压的最大值，并进行排序存储。

2) 以步骤1中筛选出的最大冰压单元为中心，搜索其周边单元(边相邻单元和角相邻单元)冰压次最大值，并进行排序存储。

3) 遵循步骤2的模式，筛选出第三高冰压的单元。

4) 循环操作步骤3，直至将高冰压区所有单元按冰压大小排列完毕。

5) 按单元数目多少依次进行平均处理，形成当前时间步下的P-A数据点。

6) 重复步骤1～步骤5，直至将一次事件中所有时间步中的P-A数据点绘制完毕。

7) 将所有试验事件中的P-A曲线进行取上限值包络处理，形成本组试验的P-A曲线。

通常来说，冰压-加载面积之间的关系满足Weibull分布或负指数分布^[16-18]，ISO19906中宽大结构冰压采用的是负指数分布^[19]。选择负指数分布函数拟合九次试验事件中的P-A曲线，详见图5。其横纵坐标轴均为对数坐标。对所有事件中的P-A曲线进行包络分析可知，本组试验的P-A如图中粗实线所示，其具体形式为：

$ P=19.26{A}^{-0.21}。$

(1)

式中： $ P $ 为冰压，kPa； $ A $ 为对应加载面积，mm²。

图5给出了试验中冰压与加载面积之间的分布特征，但无法表征出在一定加载面积上冰压的出现概率，而相应的概率统计对结构安全性评估是更具价值的。将试验中不同加载面积上冰压分布的超越概率进行绘制，如图6(a)所示。其中，冰压的超越概率表示设计冰压值超出给定值的概率。从图中看出，当超越概率小于0.01时，相应冰压数值变化区间很小，因此超越概率为0.01时的冰压可作为一个典型参考值。提取不同加载面积上超越概率为0.01时的冰压值，并进行线性拟合可得出如图6(b)的分布形式，其对应的函数形式为：

$ {P}_{d}=19.41{A}^{-0.22}({p}_{{e}}=0.01)。$

(2)

式中： $ {P}_{d} $ 为超越概率为0.01时的设计冰压，kPa； ${{p}}_{{e}}$ 为超越概率。

4 结　语

冰压分布特性研究是宽大结构研发设计的基础，本文基于塔形框架加载装置、分布式压力传感器及冻结模型冰初步开展了低温环境下典型宽大结构冰压的机理性试验研究，形成研究结论并展望如下：

1) 因冻结模型冰具有与天然海冰类似的细观结构特征，其多孔多相的各项异性结构特征导致其破碎的力学行为具有非均匀破坏特征，进而导致其冰压在时间维度和空间维度上均具有随机特征和集中效应。

2) 基于“事件-最大值法”统计所有试验事件中的冰压-加载面积关系，进而对其超越概率进行拟合，该方法可在一定程度上消除测试单元尺寸的影响，可为模型尺度下冰压统计分析提供方法支撑。

3) 模型冰破坏进程与结构型式、结构刚度特性及冰体微观结构等因素相关，本文仅对典型宽大结构冰压统计特性进行了初步探索，下一步将采用更加精细化测试设备(如高速摄像、更高辨识率的分布式传感器)进行研究，为我国宽大结构型式设计及结构安全分析提供技术储备。