在受到狭窄浮冰作用的海上风力涡轮机单桩上，冰的破坏模式及其载荷：一项基于模型冰实验的研究

《Ocean Engineering》：Ice failure modes and ice loads on offshore wind turbine monopiles subjected to narrow ice floes: A model ice experimental study

　　•在实验室中，对用于海上风力涡轮机的单桩基础在狭窄的浮冰下进行了测试。•研究揭示了冰的作用过程、失效模式和载荷特性。•冰的作用过程分为四个阶段：压碎、断裂、无载荷和堆积。•根据实验结果修正了最终的冰力公式。

引言
近年来，全球对海洋资源的需求不断增加，推动了工程活动在寒冷海域的迅速扩展，导致北极地区的基础设施大幅增加，包括桥梁、灯塔、导航辅助设施、水坝墙壁、钻井平台和海上风力涡轮机（Palmer和Croasdale，2013；Shi和Duan，2021；Z. Wang等人，2023；Wang和Qiu，2022，2021）。浮冰的影响已成为支配寒冷海域设施结构设计和运行安全的重要环境载荷因素。特别是在全球变暖的背景下，尽管这些地区的海冰厚度呈下降趋势，但冰的移动性和漂移速度却显著增加（Rantanen等人，2022）。这导致冰与结构碰撞的频率和动能增加，为寒冷地区海洋结构的全生命周期安全带来了新的不确定性。研究表明，受风和洋流驱动的海冰会与海上平台（Timco和Johnston，2004）、海上风力涡轮机（Barker等人，2005）以及跨海桥梁（Brown等人，2010；Brown和M??tt?nen，2009）等结构发生相互作用。这种相互作用不仅施加极端的静态冰力，还会在压碎过程中引发周期性冰引起的振动，这是结构疲劳损伤的主要原因，在某些情况下甚至会导致功能失效（Yue和Bi，2000）。记录在案的工程事故表明了海冰的破坏潜力——例如，波罗的海灯塔结构中观察到的严重自激振动（M??tt?nen，1983），波弗特海Molikpaq平台的液化风险（M??tt?nen，1983），以及渤海JZ20-2平台锥体的疲劳失效（Yue和Bi，2000）。尽管到目前为止还没有报道海上风力涡轮机因冰而受损的事例，但随着海上风能向寒冷海域的快速扩展，研究这种结构上的冰作用机制并建立可靠的冰载荷预测方法仍然具有重要的工程意义。

以往的研究（Barker等人，2005；Hendrikse等人，2018；Huang等人，2025；Liu等人，2025；Wu等人，2018；Xu等人，2015）已经广泛研究了冰与孤立结构之间的相互作用，获得了大量有价值的研究成果。然而，这些研究主要集中在结构水平特征长度D与冰宽L之间的比率相对较窄的范围内。早期研究（Kato和Sodhi，1983；Timco和Pratte，1985）报告称，当两个圆柱形结构之间的间距超过5D（其中D为圆柱直径）时，单个圆柱体上的冰作用可以被认为是独立于相邻圆柱体的冰失效效应的。换句话说，对于单个圆柱形结构来说，圆柱体两侧超过5D宽度的冰的动态和失效行为对其载荷特性的影响可以忽略不计。在这种情况下，结构水平尺寸与冰宽的比率D/L小于0.1。有趣的是，大多数实验和数值研究都是在D/L<0.1的范围内进行的，以研究单个结构上的冰失效模式和冰载荷特性（例如，Barker等人，2005；Hendrikse等人，2018；Huang等人，2025；Ji和Yang，2022；Liu等人，2025，2023；Wu等人，2018；Zhou等人，2019）。然而，在工程实践中，D/L>0.1的比率同样重要。如图1a所示，当大面积的平坦冰块通过间距为L的一组结构时，冰的失效会在下游形成宽度等于L的狭窄浮冰。Brown等人（2010）通过现场观察记录到，当平坦冰块从加拿大Confederation桥下方经过时，冰与桥墩的相互作用导致下游形成了更窄的浮冰（图1b）。随着这种狭窄浮冰的继续移动并与下游结构相互作用，其水平尺寸比率可能进入D/L>0.1的范围。此外，由于两侧都有冰的存在，狭窄浮冰的水平移动仅限于沿着失效轨迹前进。在实际的寒冷海域环境中，也可以频繁观察到由于自身开裂行为而断裂的狭窄浮冰，如图1c和d所示。在这种情况下，当结构的水平尺寸相对较大时，冰与结构的相互作用很可能属于D/L>0.1的比率范围。

长宽比，即结构水平特征长度D与冰厚度h的比率，是另一个与冰载荷密切相关的参数（Saeki等人，1976）。然而，寒冷海域的冰厚度在不同纬度上有所差异，且结构的水平特征长度也因工程背景的不同而大相径庭，导致D/h值范围广泛。例如，Afanasev公式适用于D/h<6的情况（Li等人，2009），而在渤海的冰与结构相互作用通常发生在D/h>10的范围内（Dong，2012）。重要的是，大多数研究都集中在极端条件下的相互作用过程和冰载荷上——即涉及最大冰厚度的情况（例如，Barker等人，2005；Hendrikse等人，2018；Huang等人，2025；Liu等人，2025，2023；Wu等人，2018），因此讨论的长宽比相对较小。因此，当单桩海上风力涡轮机暴露在狭窄浮冰（D/L>0.1）且D/h比率较高时，冰的失效机制、失效模式和载荷特性可能会与现有研究记录的情况有所不同，这正是本次研究的主要关注点。

冰与结构的相互作用本质上是一个非线性动态过程，其特征是多物理场的耦合。冰载荷特性的演变不仅受冰与结构接触界面处局部失效模式的影响，还受冰的整体开裂行为的影响。由于冰的性质、边界约束和结构几何形状的共同作用，海冰的失效模式可以大致分为五种类型：蠕变、压碎、屈曲、屈曲和分裂（Popko，2020）。具体而言，屈曲失效通常控制着锥形或倾斜结构中的应力分布。作用于较宽结构上的薄冰层由于弹性不稳定而容易发生屈曲，并伴随着周向开裂。当应力超过材料强度时，有限尺寸的浮冰容易发生整体分裂。在极低冰速下，海冰表现出黏弹性行为，蠕变损伤成为主要的失效机制。对于大直径的单桩等垂直圆柱形结构，脆性压碎是最常见且最具威胁性的失效模式。根据冰速和结构刚度的不同，垂直结构上的压碎失效动态过程可以分为三种典型模式：间歇性压碎、频率锁定和连续性脆性压碎（Popko，2020；Sodhi，1991）。在低至中等冰速下，冰内部裂纹会迅速扩展和聚合，导致高频的随机加载-卸载锯齿形波动（即间歇性压碎），这是极端载荷的主要来源（Timco和Weeks，2010；Yue和Bi，2000）。值得注意的是，由压碎失效引起的动态响应非常复杂。当连续性冰破裂的频率与结构的自然频率耦合时，会引发频率锁定。这会导致失效模式从随机、非连贯的破碎转变为整个截面的同步、周期性压缩，从而引发显著的冰诱导振动（K?rn?等人，2004）。关于冰诱导振动的触发机制，B. Wang等人（2024, 2023）提出了“塑性损伤-崩溃”理论，认为在低速压碎过程中内部损伤的累积和瞬时崩溃是周期性锯齿形冰力的根本原因。在较高冰速下，失效完全进入连续性脆性压碎阶段，冰力转变为低幅度、高频率的随机振荡。然而，随着相互作用维度的增加，失效模式的空间相关性发生了根本变化。在宽接触面上，海冰难以在整个宽度上保持同步失效，而是发展为多个独立高压区的交替形成和消散，称为非同时性失效（Jordaan，2001）。这种由相互作用维度变化引起的失效模式空间分布的差异直接决定了冰载荷的统计平均特性。

上述失效模式的演变并非孤立发生，而是受环境和几何参数的控制，其中应变率和尺寸比（D/L和D/h）起着最重要的作用。应变率主要通过改变材料的本构行为来影响失效模式。Michel和Toussaint（1977）的经典研究表明，随着应变率的增加，海冰会发生从塑性到脆性的转变，其有效强度在转变区达到峰值。Sodhi（2001）进一步指出，结构的相对柔韧性会影响名义应变率，使实际的动态加载率不再恒定，从而增加了载荷预测的复杂性。Sanderson（1988）通过汇总大量数据建立的压应力-面积曲线表明，随着接触面积的增加，有效冰压力呈现幂律衰减趋势。Masterson和Frederking（1993）将这一现象归因于大体积冰中固有缺陷概率的增加以及非同时性失效机制的削弱效应。尽管关于整体衰减趋势已达成共识，但在学术界关于更高D/L和D/h条件下的具体演变模式仍存在重大分歧。特别是在D/L和D/h极大的情况下，尺寸效应是否因失效模式的锁定而减弱，以及如何定量描述尺寸比对峰值载荷的非线性修正，在现有力学研究中尚未解决。这给工程实践中的设计公式选择带来了相当大的不确定性。

过去几十年来，研究人员提出了各种经典的冰力预测公式用于工程应用。例如，Afanasev等人（1972）提出了一个考虑D/h影响的最终冰力计算模型。Hirayama（1974）建立了一个经验关系，指出有效冰压力随尺寸比D/h呈指数衰减。标准规范（ISO19906，2019）采用了基于参考应力方法的理论框架，其中Korzhavin方程（Korzhavin，1971）是最具代表性的基本形式。这些半经验公式建立了结构参数、冰物理特性和最终冰力之间的明确数学关系，并因其清晰的框架和易于应用而被广泛采用。然而，现有经验公式是否适用于狭窄浮冰条件（D/L>0.1）仍不确定。此外，大多数现有公式中的关键修正因子都是基于相对较小的D/h条件下的实验数据校准的。Takeuchi等人（2002）指出，在宽接触面相互作用中，由于非同步失效的随机性，实际有效接触面积显著减小。如果在狭窄冰块条件下（D/L > 0.1）直接应用现有研究得出的系数值，那么实际作用在结构上的冰力可能会被严重低估。尽管之前在冰-结构相互作用过程中对冰荷载的诱导机制、影响因素和计算方法进行了大量研究，但仍存在一些未解决的问题：(i) 在狭窄冰块条件下的系统实验研究相对较少，导致用于描述单桩海上风力涡轮机在狭窄冰块作用下的实际动态过程的数据不足；(ii) 在狭窄冰块条件下，冰破坏模式与冰荷载特性之间的内在关系尚未完全揭示；(iii) 工程实践中使用的计算方法可能无法充分捕捉冰-结构相互作用的机械效应，因此缺乏针对性的冰荷载预测公式。为了弥补这些不足，进行了一次1:10比例的模型冰实验，旨在(i) 获取单桩海上风力涡轮机遭遇狭窄冰块时的动态过程数据；(ii) 明确狭窄冰块条件下冰破坏模式与冰荷载特性之间的内在关系；(iii) 研究冰速度和冰厚度对冰荷载的影响机制；(iv) 制定在狭窄冰块条件下单桩海上风力涡轮机承受的极限冰力的计算公式。本文的其余部分安排如下：第2节描述了实验设施、模型、仪器、测试条件以及冰力信号的处理方法。第3节基于实验数据和快照，定性分析了狭窄冰块条件下冰层的破坏机制和宏观断裂演变过程，并定量评估了冰速度和冰厚度对极限冰力的影响，从而推导出在狭窄冰块条件下单桩承受的极限冰力的计算公式。第4节总结了主要研究结果。

**实验设施和测量仪器**
本研究在大连理工大学海岸与海洋工程国家重点实验室的一个长69.0米、宽2.0米、深1.8米的波浪水槽中进行了狭窄冰块对单桩结构作用的物理建模。由于该实验所需的纵向空间相对于整个水槽长度来说很小，并且不需要生成波浪或水流，因此在水槽两侧建造了三面混凝土墙（墙1、墙2和墙3）来划分实验区域。

**荷载特性和破坏过程**
对所有测试条件下的力、压力和视频数据进行分析后发现，测试T4的结果涵盖了其他测试条件中的典型荷载特性。因此，本节选择测试T4来说明冰作用过程中的冰荷载特性和冰破坏过程。图6展示了测试T4记录的水平力Fx和局部压力（pP1、pP2和pP3）的时间序列，其中下标表示相应的位置。

**结论**
通过1:10比例的模型冰实验，研究了单桩海上风力涡轮机在狭窄冰块作用下的冰破坏模式和冰荷载特性。圆柱直径D与冰宽L的比值为D/L = 0.315，D与冰厚h的比值范围为20 ≤ D/h ≤ 30。根据实验结果，建立了冰速度与破碎阶段持续时间之间的关系，并提出了一个新的经验公式用于预测极限冰力。

**作者贡献声明**
吴天宇：撰写原始稿件、验证、资源管理、项目协调、方法论设计、数据收集、数据分析、概念化；万宇浩：撰写原始稿件、软件开发、方法论设计、数据分析、概念化；王正国：撰写原始稿件、结果可视化、验证、监督、方法论设计、数据分析、数据整理、概念化；赖英：审稿与编辑、方法论设计、数据分析；

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52478498和52201313）的支持，特此表示感谢。

**作者名单**
吴天宇 | 万宇浩 | 王正国 | 赖英 | 王清凯 | 邱文良