Многоцикловое и истирающее воздействия дрейфующего ледяного покрова на морские гидротехнические сооружения (Взаимодействие вертикальных опор со льдом)

1.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ОПОР СО ЛЬДОМ

Реальные опоры обладают конечной жесткостью, определенными частотными характеристиками, поэтому при циклическом воздействии ледяных полей возникает колебательный процесс движения системы “лед–сооружение”. При некоторых скоростях (обычно 0,1-0-,3 м/с) движения ледяного поля, даже при его небольшой толщине, возникают опасные явления (типа резонансных) колебания платформ, это в итоге может вызывать усталостные разрушения конструкций сооружений.

Процесс колебания системы “лед-сооружение” определяется геометрическими, кинематическими и динамическими параметрами ее составляющих. В зависимости от того, учитываются или нет динамические свойства сооружения при определении воздействия льда как внешней нагрузки модели взаимодействия льда и опор строятся с позиций автоколебаний или с обычных позиций вынужденных колебаний динамических систем.

1.2.1. Взаимодействия льда и сооружения с позиций вынужденных колебаний

Развитию данного направления посвящен ряд работ [  ]. Предполагается, что нагрузка от действия льда, с учетом ее флюктуации, может быть представлена как случайная временная функция, не зависящая от движения самой опоры, т.е. частота нагрузки при разрушении льда определяется его свойствами: размером разрушенной части ледяного поля и скоростью его движения. Имеется модификация этой модели, которая учитывает введением в расчет единичной функции-прерывателя, обращающего в ноль внешнюю нагрузку, возможность отлипания поверхности опоры от льда в зоне их контакта [  ].

Для решения задачи о взаимодействии льда и опоры применяются известные методы стохастической динамики сооружений. Сама опора рассматривается как линейная динамическая система с демпфированием, характеризуемая передаточной функцией Н(w) или вектор-функцией в случае представления расчетной схемы опоры в виде системы с несколькими степенями свободы. Для одномерной системы спектр перемещения S_x(w) и спектральная плотность нагрузки S_р(w) связаны соотношением

,                                                               (1.2.1)

где Н(w) - передаточная функция.

Спектр S_р(w) может быть построен непосредственно, если имеется запись измерения нагрузки, и может быть вычислен при известном значении |Н(w)| по данным изменений записи деформации системы. Виды спектральных плотностей ледовой нагрузки, построены по данным измерений на опоре зал.Кука и маяках в Ботническом зал., приведены в работах [  ]. Подобный подход использован также для построения спектра ледовой нагрузки на опоры мостов [  ].

Изменение условий разрушения льда по контакту с опорой (размера зоны разрушения, скорости нагружения) естественным образом отражается на характере изменения записи ледовой нагрузки как случайного процесса, который может не отвечать условию стационарности.

В работах [  ] представлена методика расчета колебаний опоры при нестационарном внешнем воздействии льда. Рассмотрен случай квазистационарного воздействия с представлением ледовой нагрузки в виде произведения временной функции и стационарного процесса.

Рассмотренные методы не учитывают влияния движения опоры относительно льда в зоне контакта и взаимосвязь динамических параметров сооружения с характером разрушения ледяных полей и их физико-механическими свойствами. Построенные по данным натурных опытов спектры ледовой нагрузки не обладают универсальностью, и верны лишь для конкретных условий опыта. Имеются лабораторные эксперименты, в которых показано, что спектральная плотность ледовой нагрузки существенно зависит от скорости движения модели [  ]. В связи с этим последнее время наибольшее внимание стали уделять развитию автоколебательных моделей взаимодействия льда и сооружения.

1.2.2. Взаимодействия льда и сооружения с позиций автоколебаний

Впервые на возможный характер возникновения автоколебаний опоры во льду указал Бленкарн [  ], который представил внешнее воздействие льда на опору, как функцию скорости движения опоры относительно льда  и ввел оценку “негативного” трения как причину возникновения автоколебаний опоры во льду.

С целью изучения этого явления и построения расчетной модели взаимодействия льда и сооружения был выполнен ряд лабораторных опытов [  ], натурных измерений [ ], а также имеется несколько работ теоретического характера [  ]. Опыт показывает, что при небольших скоростях движения ледяного поля колебания опоры носят пилообразный характер (релаксационные колебания), затем с увеличением скорости движения ледяного поля за счет существенного влияния сил инерции опоры колебания носят практически гармонический характер с частотой, приближающейся к частоте собственных колебаний сооружения (предельный цикл).