2022年北京冬奥会期间,国家游泳中心将改造为冬奥会冰壶和轮椅冰壶的比赛场馆。作为承担国际冰壶比赛的冰场,其人工冰面不仅应满足刚度和承载力的要求,还需保证场地的振动和变形不会影响到冰壶在冰面的正常滑行。截止目前,赛场用冰力学性能指标及强度破坏准则不明确,因此有必要对冰场人工冰的力学性能进行更加深入的研究。本文主要针对冰场人工冰的压缩性能、剪切性能及强度破坏准则展开试验研究,并对不同荷载作用下人工冰场冰面的力学性能进行系统分析。采用自行设计的低温试验箱制冰水槽进行人工冰的制备,并对水槽在不同工况下受力性能进行有限元分析,验证其承载力及变形是否满足试验要求。通过冰切片的制备与观测,确定人工冰的晶体结构类型,并分析冰晶粒尺寸随冰坯厚度及冰温的变化规律,同时测量得到冰的平均密度。选取应变速率、冰温、制冰方式、水质TDS、室温及湿度作为试验条件,对冰场人工冰开展单轴压缩强度试验研究。根据试验结果,给出冰试样在单轴压缩条件下的典型应力应变曲线及破坏形式,并得到冰单轴压缩强度、等效弹性模量与各影响因素间的定性关系,同时采用回归分析的方法建立人工冰单轴压缩强度、弹性模量与应变速率和冰温的定量数学表达式。为进一步探究冰场人工冰的力学本构关系,对不同冰温、不同围压下的人工冰试样开展三轴压缩强度试验研究。根据试验结果,给出冰试样在三轴条件下的典型应力应变曲线及破坏形式,并得到冰剪切强度与围压、冰温的定量关系。分别采用摩尔库伦强度理论和D-A破坏理论建立冰场人工冰的强度破坏准则,并对两种破坏准则的拟合结果进行对比。采用室内试验得到的冰力学参数,对冰场人工冰的三轴压缩强度试验进行有限元模拟;根据冰场实际受力工况,对不同荷载作用下装配式冰场和简化冰场冰面的力学性能进行模拟分析,确定冰面的极限承载力及破坏模式;采用多尺度分析方法,建立装配式冰场的精细化模型,并分析冰排架、冰排管对冰面受力性能的影响。