冰情對橋梁工程的影響

冰情對橋梁工程的影響

對冰的認識和研究始于對北方航道交通的需求。河冰不僅封鎖內(nèi)河港口,堵塞航道,中斷交通運輸,還對港口設施、內(nèi)河的水工建筑造成嚴重破壞。特別是黑龍江省,地處我國北疆,冬季每年結(jié)冰期長達5～6個月,橋梁結(jié)構(gòu)的安全與河道正常通航常受到內(nèi)河流冰冰情的影響與威脅。本文試圖在對河冰物理力學性質(zhì)、流冰動壓力測量等所進行的研究的基礎上,得出適合黑龍江省冰情特點的冰壓力計算公式,以給橋梁設計部門提供依據(jù)。每當春季來臨,黑龍江省內(nèi)的大小江河春雪消融,冰層化解,并隨江河流水順流而下,形成浩浩蕩蕩的春季流冰,有時會造成對橋梁墩臺嚴重作用的流冰荷載。為發(fā)展我國北方地區(qū),特別是內(nèi)蒙古東部和東北地區(qū)的橋梁交通建設,尋求適合我國冰情特點的橋墩冰荷載計算方法,我們著手做了以下工作。1河流和冰的物理力學試驗1.1純水密度的確定水是自然界中一種普遍存在的液體。水在4℃時密度最大,在0℃結(jié)冰時,體積膨脹9%。0℃時,在一個大氣壓下,純水的密度為0.9168g/cm3。冰作為一種特殊的工程材料,它的物理力學性質(zhì)受分子中氫鍵的脆弱程度和晶格幾何特性的影響。因此,冰在某一定向壓力作用下,呈現(xiàn)彈性,或塑性,或脆性狀態(tài)。在自然界中,冰溫度降低,冰晶空間格子中的原子變位越困難,晶格也越堅固,冰的彈性、脆性性能越突出;反之,溫度越高,冰的塑性性能越顯著。1.2冰壓力大小的影響這里指冰的壓縮強度。在冰工程文獻中,“冰強度”和“冰壓力”時有混淆。在一般工程實踐中,“強度”一詞,常指標準化材料試驗中所說的破壞應力;而“壓力”通常指結(jié)構(gòu)上的力除以投影接觸面積。當流冰順流撞擊橋梁墩臺時,冰荷載的大小主要取決于流冰冰排的破壞強度,即冰強度。換言之,冰強度是確定流冰對結(jié)構(gòu)作用力的最重要的參數(shù)。而冰強度的大小與諸多因素相關(guān)。冰溫、冰格結(jié)構(gòu)、冰中空氣和其他雜質(zhì)含量等是影響冰強度的內(nèi)因;冰的破壞形式、加載速率、氣溫、水溫、風速、流速以及冰作用于結(jié)構(gòu)的形式及結(jié)構(gòu)形式,冰與結(jié)構(gòu)的尺寸大小等又是影響冰強度的外因。當流冰冰排作用于直立的粗大實體結(jié)構(gòu)而破壞時,冰排往往呈擠壓破壞或屈曲破壞形式,冰壓力大小與冰的壓縮強度有關(guān);當冰排作用于斜面結(jié)構(gòu)時,冰排呈彎曲破壞,冰壓力大小與冰的彎曲強度有關(guān)。冰的彎曲強度實際上也與冰的壓縮強度相關(guān)。因而,冰的壓縮強度是研究冰的物理力學性質(zhì)的基礎。1.3側(cè)限壓縮試驗河冰在無側(cè)限條件下的壓縮試驗或稱單軸無側(cè)限壓縮試驗,是冰力學研究最基本也是最重要的試驗內(nèi)容。目前,絕大多數(shù)工程采用的冰荷載計算公式仍以單軸抗壓強度為基本參數(shù)。(1)冰的載速率試驗冰的壓縮強度主要與兩個因素密切相關(guān),一是溫度,二是加載速率。因此,我們在1998年初做了2個溫度、3種加載速率下的冰試件壓縮試驗,即每組10個試件×3種加載速率×2個溫度=60個試件;1999年初做了兩個溫度、四種加載速率下的壓縮試驗,即每組10個試件×4種加載速率×2個溫度=80個試件。試件尺寸按國際水力學研究協(xié)會(IAHR)規(guī)定的10cm×10cm×25cm的長方體制作。冰試件由取自松花江中的純凈冰塊加工而成。(2)試驗結(jié)果試驗結(jié)果列于表1和表2。(3)不同應變速率對河冰力學性質(zhì)的影響由上述試驗結(jié)果,可繪制出松花江河冰壓縮強度σc與應變速率ε˙ε˙及冰溫度的關(guān)系,如圖1所示。由圖1可見,冰溫的高低極大地影響著冰強度σc。隨著冰溫的提高,河冰的壓縮強度明顯降低。我們的試驗是在實驗室內(nèi),模擬數(shù)九寒天的氣溫,采用純凈冰做成冰試件得到的冰強度。實際春季開江時的氣溫,常常在零上10℃左右,此時冰強度已大大降低。冰強度σc與應變速率ε˙ε˙密切地相關(guān),壓縮強度達到最大值對應的應變速率大概在10-3/s。在高應變速率下,河冰表現(xiàn)為脆性性質(zhì);在低應變速率下,又呈現(xiàn)彈性特性。而在某一定的應變速率范圍內(nèi),則彈性和脆性共存,此時,冰的壓縮強度達到最大值。對同一溫度,不同應變速率的試驗結(jié)果均有一個明顯的拐點,而此拐點均對應于應變速率為10-3/s。拐點之前,壓縮強度是應變速率的單調(diào)增函數(shù),當應變速率超過該拐點值后,壓縮強度則成為應變速率的單調(diào)減函數(shù)。綜上所述,冰溫與冰的應變速率是影響河冰對結(jié)構(gòu)作用的一個重要特性。1.4冰的彎曲強度試驗(1)溫度值的確定試驗是在1999年初做的,取每組5個試件×2種應變速率(45mm/min和7.5mm/min)×2個溫度(-15℃和-5℃)=20個試件。試件按IAHR規(guī)定,取尺寸為5cm×10cm×35cm的板狀塊,進行三點彎曲試驗。(2)試驗結(jié)果試驗結(jié)果得出了松花江河冰彎曲強度與壓縮強度的比值,如表3。2松花江河冰壓測量1999年春進行了冰壓力測量,冰壓力測量示意圖如圖2所示。2.1測量設備(1)壓力傳感器由中國地震局工程力學研究所研制,屬壓阻式壓力傳感器,外形為一長方形盒體,尺寸為0.6m×0.2m×0.06m,重約343N。盒體呈長形,是為適應流冰水位的變化。(2)磁線記錄采用日本TEAC公司生產(chǎn)的R-81型磁帶記錄儀。(3)分析儀采用美國惠普公司生產(chǎn)的HP3562A型動態(tài)信號分析儀。(4)圖紙的繪制采用HP3475A型繪圖儀,繪制HP3562A型分析儀輸入的分析結(jié)果。2.2破冰面高度冰壓力傳感器測點選在松花江主航道北側(cè)的3號橋墩花崗巖破冰體上,如圖3所示。為保證在春季流冰期間能測到任何冰水位變化的冰壓力值,在3號橋墩花崗巖破冰體迎冰面的最前端不同高度布置了No.1,No.3和No.2三個傳感器;No.4和No.5傳感器布置在主航道北側(cè)。2.3破冰體所受的大冰排“其位”和“順流而下”冰壓力測量結(jié)果如表4和圖4、圖5所示。由表4可知,4月15日14:54分,一個大冰排,冰厚度約為35cm,同時撞到3號橋墩迎冰面前端。No.1和No.3兩個傳感器上,分別測到它們所受的最大冰壓力,花崗巖破冰體所受的大冰排的撞擊力為120.5kN+387.1kN=507.6kN。圖4和圖5的測量結(jié)果與實際觀測結(jié)果完全吻合。在巨大冰排順流而下,流向并撞上3號橋墩的瞬間,聽到了“咣當”一聲巨響。冰排前端上方剎那間形成由許多白色碎冰塊組成的高1m以上的堆積,冰排稍有后退,緊接著又有一些沉悶的輕微撞擊聲,最終冰排又很快順流而下。以上的測量和觀測都清楚表明,當巨大的流冰冰排撞擊橋墩時,會對橋墩產(chǎn)生相當大的作用力,同時使橋面產(chǎn)生一定的變形位移和振動。2.4基于流冰的振動特性在3號橋墩墩頂?shù)臉蛎嫔?安放了兩個701型脈動儀,測量流冰冰排撞擊橋墩時,橋面產(chǎn)生的橫向與縱向振動位移,圖6即為No.1和No.3傳感器測得最大冰壓力的同時,在橋墩墩頂橋面上脈動儀測得