楊偉達(dá)

（河北省高速公路管理局 河北石家莊 050031）

關(guān)鍵字：橋墩 靜冰擠壓 流冰撞擊 穩(wěn)定性

1 引言

在我國北方境內(nèi)，冬季河流冰凍現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1]，而冰所產(chǎn)生的靜冰擠壓力、流冰撞擊力等荷載對橋梁、涵閘、水庫、堤防等水工建筑物會造成不同程度的破壞作用。在近代，由于橋梁缺少必要的防護(hù)措施而被冰破壞的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[2]。橋墩破壞原因大致三方面：冰凍層范圍內(nèi)水的凍融循環(huán)導(dǎo)致混凝土破損、開裂，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋銹蝕，混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低；橋墩周圍被大面積的冰層圍繞，冰層在水流、風(fēng)的作用下，存在往某個(gè)方向移動的趨勢，而橋墩阻礙冰層的整體移動，來自冰層的靜載推力導(dǎo)致橋墩破壞；在融冰期，流動的冰排不斷撞擊橋墩產(chǎn)生沖擊荷載，導(dǎo)致橋墩破壞。因此，怎樣有效的保護(hù)橋墩，減少冰凍對橋墩的破壞是目前函待解決的問題，然而研究冰荷載與橋梁相互作用是實(shí)施橋梁防護(hù)措施的前提，據(jù)此，本文基于冬季我國某水庫橋墩實(shí)際情況，針對橋墩可能受到的幾種常見類型冰荷載作用力大小進(jìn)行了計(jì)算，并采用數(shù)值模擬的方法，分別對靜冰擠壓和流冰撞擊作用力下橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)，針對最不利冰荷載作用下橋墩的破壞形式提出了一種橋墩冰荷載破壞防護(hù)措施。

圖1 大橋布置圖

2 工程概況

圖2 6#橋墩計(jì)算模型

本文所研究的橋梁就坐落于北京永定河流域的某水庫上。該橋?yàn)榈湫偷暮喼蛄?，全長共202 m，圖1為全橋示意圖。

由于冬季該水庫上、下游存在不定期開閘放水的特殊情況，在下部水流的帶動下冰層整體會產(chǎn)生近0.5 m 距離的移動（方向與橫橋向夾角為 42°），這將對橋梁產(chǎn)生不可預(yù)估的危害。根據(jù)該水庫橋梁設(shè)計(jì)資料可知，整座橋梁中，6 #橋墩墩間距最大且墩身最高，因此選取最具代表性的6 #橋墩進(jìn)行冰荷載受力分析。整個(gè)橋墩的計(jì)算模型網(wǎng)格剖分見圖2，共計(jì)45 789個(gè)單元，材料參數(shù)的取值見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

3 冰荷載計(jì)算

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》JTS 144—1—2010中第12.0.1的規(guī)定[3]，橋墩受到的冰荷載主要有以下幾種：冰排對墩身的擠壓力、孤立流冰的撞擊力。

（1）冰排擠壓力

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》JTS 144—1—2010中第12.0.3～12.0.6的規(guī)定，計(jì)算公式如下：式中，冰的局部擠壓系數(shù)I取最大值4.0，迎冰面形狀系數(shù)m取0.9，冰與墩接觸系數(shù)k取0.32，墩迎冰面投影寬度B取4.3 m，冰層厚度H取0.5 m，冰的單軸抗壓強(qiáng)度σc取最大值750 kPa。由此得到冰排擠壓力 FI=1857.6kN。該作用力方向與流水方向相同，即與橫橋向的夾角為42°（流水方向見相關(guān)設(shè)計(jì)圖）。

（2）流冰的撞擊力

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》JTS 144—1—2010中第12.0.3～12.0.8的規(guī)定，計(jì)算公式如下：

式中，流冰速度V取0.68 m/s(根據(jù)泄洪流量除以過水?dāng)嗝婷娣e得到，取值見相關(guān)設(shè)計(jì)資料)；流冰塊面積A取 200 m2，其它參數(shù)取值同上。由此得到流冰撞擊力 FZ=330.7kN。該作用力方向與流水方向相同，即與橫橋向的夾角為42°。

除了上述冰荷載，還需要考慮橋墩自身的重力以及橋帽頂部所受荷載，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，橋帽頂部左側(cè)墊塊所受荷載為壓應(yīng)力，取0.98 MPa，右側(cè)墊塊為拉應(yīng)力，取0.17 MPa。

4 冰排擠壓力作用下橋墩穩(wěn)定性驗(yàn)算

利用數(shù)值模擬軟件，將上述第2節(jié)中冰排擠壓力作用于橋墩常水位層處的迎冰面，計(jì)算結(jié)果見圖3所示，由位移云圖可知，橋墩在冰排擠壓力作用下的最大位移約為2.0 mm，位移方向與橫橋向具有一定的夾角，約為42°。最大主應(yīng)力的大小約為3.2 MPa，為受壓狀態(tài)，位于墩身左側(cè)的底部，該壓應(yīng)力小于墩身和加固層的抗壓強(qiáng)度；最小主應(yīng)力的大小約為2.0 MPa，為受拉狀態(tài)，大于加固層混凝土的抗拉強(qiáng)度。為了充分評估橋墩的安全性，下面基于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010相關(guān)規(guī)定取兩個(gè)截面對橋墩進(jìn)行正面承載力驗(yàn)算和裂縫控制驗(yàn)算[4]。兩個(gè)截面分別為：加固層底部（彎矩最大位置處）、縱向鋼筋布置變換處。

圖3 冰排擠壓力條件下計(jì)算結(jié)果云圖

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010附錄E.0.4的規(guī)定，沿周邊均勻配置縱向普通鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件，其正截面受壓承載力宜復(fù)合下列規(guī)定：

加固層底部的縱向應(yīng)力等值線如圖4所示，截面直徑為5.2 m，最大壓應(yīng)力約為2.5 MPa，最大拉應(yīng)力約為1.5 MPa。受壓邊緣至中性軸的距離約為3.45 m，受拉邊緣至中性軸的距離約為1.75 m。沿截面周圍均勻布置有82根直徑為18 mm的縱向鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度取15 mm。主要計(jì)算參數(shù)如下：

把以上參數(shù)代入式（3）中得到右端項(xiàng)等于74 301.35 kN，大于N值，符合正截面受壓要求；代入式（4）中得到右端項(xiàng)等于51 323.08 kN·m，左端項(xiàng)為48 614.36 kN·m，符合正截面抗彎要求。

縱向鋼筋布置變換處的縱向應(yīng)力等值線如圖5所示。截面直徑為4.5 m，最大壓應(yīng)力約為1.5 MPa，最大拉應(yīng)力約為0.8 MPa。受壓邊緣至中性軸的距離約為3.063 m，受拉邊緣至中性軸的距離約為1.437 m。沿截面周圍均勻布置有41根直徑為18 mm的縱向鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度取15 mm。主要計(jì)算參數(shù)如下：

把以上參數(shù)代入式（3）中得到右端項(xiàng)等于56 700.58 kN，大于N值，符合正截面受壓要求；代入式（4）中得到右端項(xiàng)等于31 033.99 kN·m，左端項(xiàng)為23 522.02 kN·m，符合正截面抗彎要求。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010第7.1.1的要求，混凝土的縱向受拉應(yīng)力不能超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，否則不符合裂縫控制驗(yàn)算要求。由圖4和圖5可知，兩處截面的最外緣受拉應(yīng)力皆已超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此，不符合裂縫驗(yàn)算要求。

圖4 加固層底部縱向應(yīng)力等值線

圖5 縱向鋼筋變換處縱向應(yīng)力等值線

5 流冰撞擊下橋墩穩(wěn)定性驗(yàn)算

流冰撞擊力總合力比冰排作用力要小，因此，在流冰撞擊力的作用下，其安全性要高于第（1）種情況下—冰排擠壓力作用下的安全性。對流冰撞擊力總合力作用下橋墩穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，具體計(jì)算結(jié)果云圖見圖6。

圖6 流冰撞擊力條件下計(jì)算結(jié)果云圖

6 橋墩冰荷載破壞防護(hù)方案

靜冰擠壓作用下墩身底部結(jié)構(gòu)明顯存在抗拉強(qiáng)度不足的情況，因此需對墩身底部進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，綜合考慮運(yùn)行環(huán)境、工程施工、安全性和經(jīng)濟(jì)性等各方面因素，為經(jīng)濟(jì)高效的解決橋墩冰害問題，目前，常用的防護(hù)方法主要有：（1）人工破冰法，破冰危險(xiǎn)性高，易發(fā)生事故，且不能保證破冰的及時(shí)性；（2）壓縮空氣擾動水面法，費(fèi)用偏高，設(shè)備維護(hù)困難；（3）包裹塑料墊，此方法與冰凍期橋墩損傷機(jī)理不符，防護(hù)效果較差；（4）水泵擾動破冰法，需要準(zhǔn)確的流量及流量損失計(jì)算和分析，方案設(shè)計(jì)過程較復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)型一般。近些年，電熱融冰法、破冰體防護(hù)法、射線照射融冰法、碳纖維布加固法等方法有了一定的研究，但理論及實(shí)驗(yàn)研究還不透徹，尤其是與工程實(shí)際缺乏聯(lián)系，更不能很好的平衡運(yùn)行環(huán)境、工程施工、安全性和經(jīng)濟(jì)性等各方面因素[5]。目前該水庫一直采用人工破冰法通過不斷敲除橋墩周圍冰層來盡可能的避免上述冬季冰害對橋梁的危害，該種方法任務(wù)繁重，危險(xiǎn)性較大。

因此，本文在上述常用防護(hù)方法的基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化，提出了一種主動與被動防御相結(jié)合的“輕型套筒”橋墩冰害防治方案，通過減小冰排對橋墩作用力的方式，最終實(shí)現(xiàn)了防護(hù)橋墩的目的[6、7]，具體實(shí)施方式如下：

圖8 鋼套筒

圖7 裝置俯視圖

“輕型鋼套筒”裝置經(jīng)過一定防銹處理，為方便現(xiàn)場施工，采用兩個(gè)半圓鋼筒結(jié)構(gòu)拼接的方式，如下圖7所示。輕型鋼套筒端部分別具有連接螺栓板、鏈接內(nèi)銷，并且連接插頭、連接內(nèi)銷上分別具有通孔，用于安裝螺母后完成套筒裝置的拼接，如圖8所示。

“輕型鋼套筒”裝置外圍通過固定端固定橡膠浮體，橡膠浮體內(nèi)部具有封閉式氣腔層。橡膠浮體一是提供浮力，保證裝置與水位升降的同步，二是保證裝置中間高度能與常水位層處齊平，起到相應(yīng)對流冰的緩沖作用。輕型套筒裝置內(nèi)部是中空的并且預(yù)設(shè)相應(yīng)孔洞，內(nèi)部平行回旋纏繞電伴熱帶，如圖9所示。電伴熱帶持續(xù)的加熱可維持橋墩周圍水域不結(jié)冰，這樣一是防止冰層在水流或風(fēng)力作用下造成冰層擠壓橋墩，二是防止冰層凍融循環(huán)對混凝土橋墩的影響。橡膠板通過防水性環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑緊緊包裹于墩身上，墩身外圍的橡膠板與鋼套筒之間有一定間隔，防止“套筒”裝置在水位起伏下過度磨損橋墩[7]。

7 結(jié)論

根據(jù)本文的分析可知，最不利冰荷載為冰排擠壓力。數(shù)值模擬結(jié)果表明，流冰撞擊和靜冰擠壓情況下的冰荷載均不會造成6 #橋墩墩身發(fā)生整體性的失穩(wěn)破壞，正截面承載符合驗(yàn)算要求。但是，在冰排擠壓力作用下，驗(yàn)算截面的外緣拉應(yīng)力皆高于混凝土的抗拉強(qiáng)度，在受拉側(cè)出現(xiàn)張拉裂縫，不滿足混凝土承壓構(gòu)件的耐久性要求。因此，需要加強(qiáng)對橋墩的保護(hù)。

圖9 裝置剖面圖

本文提出的“輕型鋼套筒”裝置既解決了冬季橋墩冰排擠壓力過大的技術(shù)難題，又達(dá)到了快速安裝與檢修的目的，為防治該水庫橋墩冰害開辟了一條安全可靠的新途徑。