（16）

式中：
　　-冰的压缩强度；

 

　　 -冰厚；

　　-形状系数，对于圆柱体取 0.9，方柱体正向迎冰时取为 1.0，斜向迎冰时取为 0.7  

；

 

　　 -嵌入系数，对于冰的实际受力状态和单轴抗压强度之间的差别修正如下：

　　当时：
　　当时：
　　-柱体接触系数；

　　对于圆形截面的墩柱，嵌入系数和接触系数的乘积由下面的经验公式（17）确定：

                                                   

　　

（17）

式中，和 D 的单位为厘米。

3 抗冰锥强度校核

　　这里分别应用有限元模型数值分析和经验公式校核两种途径对抗冰锥强度进行分析。
3．1 冰荷载

　　考虑到在潮差的影响下，冰排与冰锥作用位置不同，本文通过如图 3 所示的四种工况，

分别计算正、倒锥体对接位置、倒锥体上部、倒锥体中部以及倒锥体下部所受冰力情况，模拟

正、倒锥组合体典型冰力分布。

    

　　

　　图 3  正、倒锥组合体冰力分布工况

　　针对 case1，冰荷载水平作用于正、倒锥对接位置，宽度为沿力作用方向围绕冰锥 180 度，

环境参数选择 50 年一遇的冰厚和强度，冰荷载大小按照 Korzhavin-Afanasev 公式计算。

　　针对 case2、case3、case4 工况，冰荷载的作用高度为冰层的厚度，宽度为沿力作用方向围

绕冰锥 180 度。选择 50 年一遇的环境参数，根据 API RP 2N 中推荐的飘浮板上限塑性极限弯

曲理论，采用 2.3 节中所述 Ralston 方法，将冰排对于破冰锥的作用力分解为水平方向的和竖

直方向的。
　　

　　
3．2 有限元分析

　　针对冰与锥体作用的静冰力模型，首先运用有限元软件 ANSYS 来模拟此过程。本文中抗

冰锥由正、倒锥体组成，主要包括锥壳板、肘板、水密隔板、圆管环等构件。其中，水密隔板和
圆管环位于正、倒锥的结合部位，壳板处于冰锥外侧，直接承受冰力作用，壳板内部设有 12

道肘板，相邻肘板之间的角度为 30 度。

　　使用 ANSYS 有限元软件通过定义不同的单元模拟冰锥各部分结构，建立结构分析模型

如图 4 所示：

　　

　　

　　图 4 有限元分析模型

　　接下来，对冰锥模型进行边界约束和施加载荷。先将模型下端位于导管架腿柱处的所有

节点进行全自由度约束，然后将冰荷载按照作用点与冰力作用方向的夹角的余弦进行分布。
　　在 case1 工况下，设置边界条件并施加荷载后的模型如图 5 所示。

　　

　　图 5 施加 case1 荷载后的有限元分析模型

　　该工况下冰锥受力计算结果详见表 2，其应力分布云图如图 6 所示。

　　表 2   case1 工况冰锥受力分析计算结果

名称
最大 Von-Mises 等效应力(MPa)

冰锥壳板
18.5

肘板