专家解读哈尔滨工业大学武岳教授带您了解新型高性能复合冰材料与冰结构

冰雪建筑源自天然，历史悠久（图1），具有良好的艺术及商业发展前景，而且在极地开发甚至外太空探索（图2）等领域也蕴含重要战略价值。如何有效利用冰雪建筑特色，充分发扬“冰天雪地也是金山银山”的发展理念，是新时代下完善冰雪产业链的重要一环。2022年北京冬奥会的到来，势必将极大地带动我国的冰雪产业规模。

传统的冰建筑主要由在江河中采集的天然冰经切割、砌筑而成，晶莹剔透、美轮美奂。但在结构方面存在如下问题：首先是纯冰材料的强度低、延性差；其次是砌筑施工方式相对落后；再有缺乏系统的设计理论，一般依靠经验设计。这些都在一定程度上限制了冰建筑的造型和建造规模。

自2016年以来，哈尔滨工业大学团队在 新型高性能复合冰材料、冰壳结构精细化分析与失效机理、施工仿真与优化、结构健康监测 等方面开展了系统的理论研究和工程实践。研究成果获得了中国钢结构协会空间结构分会技术创新奖，国际壳体与空间结构协会（IASS）“半谷奖”，并受到央视、探索频道等国内外新闻媒体的关注。

3.1 新型高性能复合冰材料

复合冰材料研究始于二战时期。1942年英国学者Geoffrey Pyke发现在水中掺入14%木屑可以有效提升纯冰材料的各项力学性能，遂将这种复合冰材料命名为“Pykrete”。由于木屑颜色较深，导致冻结生成的复合冰失去了纯冰原有的洁白度，且木屑密度较大，不能在水中有效溶解。为此，哈工大团队提出用白色的纸浆纤维代替木屑，制备成纸浆纤维复合冰材料（也称为“PFRI”，即pulp-fibre reinforced ice的缩写）。以﹣15℃下2%纸浆复合冰为例，其抗压强度是纯冰的2倍，而断裂能是纯冰的15倍，如图3所示，可见，纸浆纤维的增强效果十分显著。

纯冰与复合冰四点弯曲对比试验（视频1、2）表明，纯冰材料呈现脆性破坏特点，而2%纸浆纤维复合冰延性性能更优，随着荷载增加，构件中间出现竖向裂缝，未发生脆性破坏。

视频1  纯冰四点弯曲试验

视频2  2%复合 冰四点弯曲试验

目前，团队已累计开展了千余组试件试验，测试了不同配合比、温度以及加载速率下的复合冰材料的基本力学性能，确定了复合冰的强度设计值，研究成果写入我国GB 51202《冰雪景观建筑技术标准》。

3.2 冰壳结构精细化分析与失效机理

由于冰材料的热膨胀系数较大（约是混凝土、钢材的5倍），且强度和弹性模量也会随温度发生变化，因此温度是影响冰壳结构性能的重要因素。为此，哈工大团队提出了考虑温度作用的复合冰损伤本构模型，以及冰壳结构热力耦合分析方法，实现了对冰壳结构非均匀温度场及热损伤的精确模拟。

3.2.1 复合冰损伤本构

复合冰属于准脆性材料，其损伤破坏伴随一定的应变软化阶段。基于损伤力学理论，提出了适用于纸浆纤维复合冰材料的热损伤本构模型（图4）：加载前期，服从热弹性本构方程；界面出现损伤后，通过引入材料软化机制来模拟复合冰由损伤到断裂过程。

图4  复合冰损伤本构模型

3.2.2 冰壳结构热力耦合分析

提出了基于热力耦合的冰壳温度场与热损伤分析框架（图5）：首先计算冰壳结构非均匀温度场，之后将温度场导入机械场，采用3.2.1节中建立的复合冰损伤本构进行结构分析，进而评估冰壳结构损伤与承载性能。

图5 热力耦合分析框架

实际服役过程中，引起冰壳结构温度变化的外部热源主要有三种（图6）：1）日照辐射 Q _s ；2）空气对流换热 Q _c ；3）长波辐射换热 Q _r 。

图6 冰壳结构外部热源

日照辐射 Q _s 的时变效应和物体的阴影遮挡降低导致冰壳纵向和横向（截面厚度方向）温度分布呈现非均匀特性。日照动态光线向量可通过分析时间和地理纬度两个基本参数确定。但复杂造型的冰壳结构的空间遮挡形式通常很复杂，为了提高空间阴影遮挡的计算效率，提出了一种快速空间阴影判断方法，进而实现冰壳各节点处日照辐射量计算。

此外，空气对流换热 Q _c 、长波辐射换热 Q _r 均与周围环境温度有关。由于太阳辐射的影响，环境温度呈现周期性变化特征。为更好地体现环境气温的非对称性，采用两个正弦函数的线性组合来模拟环境气温的日变化过程。

将计算获得的非均匀温度场数据导入冰壳结构机械场，采用复合冰热损伤本构模型，进而可评估冰壳结构在非均匀温度荷载作用下的结构承载性能与损伤。

图7  冰壳非均匀温度场动态图

图8 冰壳热损伤发展动态图

3.3 施工仿真与优化

与传统的砌筑式施工方式不同，冰壳结构建造是以充气膜作为模板，通过喷射含有纸浆纤维的水溶液，逐层冻结形成具有一定厚度的冰壳。为了实现冰壳结构的高效、高质量施工，团队建立了满足复杂形态需求的气膜找形方法，以及考虑水滴喷射流动和冻结过程的数值仿真方法。

3.3.1 充气膜模板形态控制

不同于传统充气膜找形，充气膜作为冰壳施工过程中的临时性支承模板，满足实际冰壳结构与设计方案间的最优“形”匹配是首要目标。因此，提出了适用于复杂造型冰壳结构的气膜模板形态控制方法，以提高冰壳结构的施工成型精度。

形态控制 （ 图9）主要涵盖两个关键子过程：1）实现复杂造型充气膜快速充气模拟。相比于传统基于力的找形方法，提出了基于位置迭代的索膜结构快速分析方法。2）定义形态偏差函数，迭代优化寻求最优模板。

与传统动力松弛法与向量式有限元法相比，所建立的充气模拟方法具有更优的精度和更快的收敛性能（图10）。

图9 气膜模板形态控制

3.3.2  喷射施工仿真技术

喷射的水溶液在气膜模板上具有较强的流动性，同时水溶液冻结固化速率与环境温度密切相关。上述特性导致冰壳喷射过程中截面厚度分布难以控制，施工质量、工期等具有显著的不确定性。

如图11所示，冰壳喷射施工模拟可简化为两个子过程，即喷射-流动模拟和冻结速率模拟。通过解耦处理，可以数值仿真冰壳喷射-冻结全过程，进而可以评估与优选不同施工方案的材料用量、施工周期等（图12）。

图 11 喷射施工可解耦为喷射流动&逐层冻结过程

图 12 不同施工方案对比

3.4 冰壳结构健康监测

冰壳结构性能受到因长期环境因素引起的蠕变、升华和融化等的影响。因此，对其进行健康监测和安全评估也显得比其他结构更重要。以哈尔滨地区为例，冰壳的服役期一般为2~3个月时间。如何通过有限监测点和数据对冰壳的性能作出有效判断，及时发现问题并加以补救，延长冰壳结构使用寿命，提高其经济价值，成为目前亟待解决的关键问题。

团队建立了适用于冰壳结构施工质量检测与运维阶段健康监测的技术与方法（图13），研发了相应设备，并应用于多个实际工程。

图13 冰壳健康监测技术

本团队发表在《建筑结构学报》2021年第10期的论文《气肋组合式冰壳结构受力性能分析与现场监测》，以2017年冬季在哈尔滨建造的气肋组合式复合冰壳结构为实例，介绍了复合冰壳结构的现场监测技术，并总结了气肋组合式复合冰壳结构服役期间的响应规律，对评估冰壳结构的长期性能具有参考意义。

结合冰壳设计施工一体化平台，自2016年以来，研究团队累计建造了10余座大跨度复合冰壳结构。图14展示了部分冰壳结构的实际建造效果，这些冰壳结构受到了广泛的社会关注和好评。

图14 大跨度冰壳结构工程案例

相较于传统砌筑式冰结构，大跨度复合冰壳结构在设计、施工及使用方面均优势明显，具有更为良好的发展前景。未来冰雪结构将更加注重观赏性、体验性和多样化的需求，向着高安全性、高环境适应性和智能化的方向发展。

相关论文：

[1] 武岳, 刘秀明, 罗鹏, PRONK Arno. 大跨度冰壳结构设计建造一体化关键技术研究与应用[J]. 建筑结构学报, 2020, 41(S2):323-329.

[2] 刘秀明, 陈博轩, 武岳, 罗鹏. 气肋组合式冰壳结构受力性能分析与现场监测[J]. 建筑结构学报, 2021, 42(10):186-196.

[3] WU Y, LIU X, CHEN B, et al. Design, construction and monitoring of an ice composite shell structure[J]. Automation in Construction, 2019, 106(10):102862.

[4] WU Y, LOU X, LIU X, et al. The property of fiber reinforced ice under uniaxial compression[J]. Materials and Structures, 2020, 53(2):1-15．

[5] WU Y, LIU X, LUO P, et al. Structural analysis and construction quality assessment of a free-form ice composite shell[J]. Structures, 2020, 27(10):868-878.