海上平台冰锥结构设计分析

摘要
     本文主要阐述了基于塑性极限分析法的锥体冰力公式以及目前应用于工程的柱体冰力校

核公式，并以渤海辽东湾重冰海域破冰锥体的设计实践为例，在对比有限元模拟结果和柱体

冰力校核的结果的基础上，结合具体平台形式，对抗冰锥体的实践设计进行指导。

 

 

关键词：冰锥 有限元模拟 柱体冰力校核

1 引言

　　冰载荷是重冰海域海洋工程结构物设计的控制载荷，随着海洋工程开发活动的规模化发
展，海冰与结构物相互作用的问题日益突出，建立合理的冰载荷计算模型，研究锥面冰荷载

对桩腿的安全作用，对于抗冰结构的设计非常必要。在工程设计中，冰荷载是指冰力时程曲
线的峰值荷载，其大小主要取决于冰排的破坏强度，而破坏强度的大小与冰排的破坏形式密

切相关。由于冰排的抗弯强度小于挤压强度，借助冰锥结构能使得冰排以弯曲模式破坏，从
而有效的减小作用在锥体上的冰力荷载。因此，锥体抗冰结构凭借有效地减小冰载荷这一优

势，成为目前冰区海洋工程的优选结构形式。
　　在我国渤海北部，根据海洋平台特征、渤海海冰性质以及冰力作用下平台的振动特征，

渤海重冰海域导管架通常需要在主腿上的潮差段安装正、倒锥组合抗冰结构。本文以渤海某平
台的设计实践为例，介绍抗冰锥的设计。
　　
2 抗冰锥设计理论

2．1 冰锥构造设计

　　安装了正、倒锥组合体的渤海某导管架平台结构如图 1 所示，该正、倒锥组合体是由两个

高度相等，上下截面直径相同的圆锥体对接构成的。正、倒锥组合体的小圆面直径大小取决于
平台桩腿的直径，整个组合体的高度和大圆面直径取决于海冰的类型、强度、潮差大小以及导

管架桩腿的倾斜度等参数。当海水水位在平均水位以下时，海冰作用于倒锥体，冰排发生表
面弯曲破坏；当海水水位在平均水位以上时，海冰作用于正锥体，冰排发生根部弯曲破坏。

这样，只要利用水文资料合理的估计潮差段，再据此设计正、倒锥组合体的高度，就可以充
分的借助锥体结构减小冰力。
图 1 带抗冰锥体平台结构示意图
2．2 冰的破坏理论

　　当运动的冰排受到结构物阻拦时，对结构物危害最大的破坏来自于冰排整体移动所产生
的挤压作用力以及冰排穿越结构物时引起的振动。如果结构物强度不够，则在此过程中会被

冰排破坏；如果结构物强度很大，则冰排被其切割后破碎通过，引起结构物强烈的振动。在
此过程中，结构所经受因运动冰排受阻而产生的作用力主要由冰排的破坏类型决定，并随冰

排的运动而逐渐增大，当增至足够大时，冰排自身破坏，冰力也随之达到极值。因此，了解
冰排自身破坏类型对于分析它与结构物的作用过程具有十分重要的意义。

　　通常情况下，移动的冰排在结构物前可能产生的破坏类型有以下四种：
　　（l）挤压破坏，如图 2(a)所示，冰排作用在桩柱的接触面上因受挤压而逐块断续破碎。

　　（2）压屈破坏，如图 2(b)所示，大面积冰排与结构物接触，冰排由于受压而失稳，首

先在桩柱前隆起，然后破坏。
　　（3）纵向剪切破坏，如图 2(c)所示，当冰排的剪应力达到强度极限时，产生与运动方

向平行的裂缝，造成冰排破坏。这种破坏容易出现在薄冰中。
　　（4）弯曲破坏，如图 2(d)所示，当冰排与具有一定坡度的结构物相接触时，形成受弯

的梁或板，最终因弯曲而破坏。

         (a)           (b)                     (c)                  (d)

图 2 冰排的 4 种破坏类型

　　由于冰排对结构物的作用力是在自身破坏时达到极值，即在冰中应力达到强度极限时冰
力也达到极限，所以冰的强度直接决定着冰力的大小。海冰的抗压强度、拉伸强度、剪切强度

和弯曲强度对冰排的这四种基本破坏形式起着主要的控制作用，成为影响海冰与结构物相互