中國冰荷載實驗研究概況

中國冰荷載實驗研究概況

1海洋平臺的冰荷載在中國黃河以北，尤其是新疆、內(nèi)蒙古和東北三省的山區(qū)，冬季覆蓋范圍低于季節(jié)。特別是在黑龍江省的偏遠地區(qū)，一年中只有100天。每年4月和11月開始融化。位于高寒地區(qū)中的河流上的各種建筑物和構(gòu)筑物在設(shè)計建造時,作為重要外荷載之一的冰荷載必須考慮。從50年代起我國許多地方的工程結(jié)構(gòu)物在冰荷載的作用下遭到破壞。例如1957年位于官廳水庫中的橋梁的墩臺被剪斷,密云水庫中橋梁墩臺也是這樣被冰力剪斷的;60年代渤海灣中的海洋平臺2號,4號平臺的烽火臺被冰荷載撞倒;每年春季黃河均產(chǎn)生冰凌,對位于河中的水壩、橋梁造成很大威脅,因而必須在形成流冰冰凌地方進行爆破或動用飛機空投炸彈將大片冰凌炸碎,如1996年1月～2月間黃河的冰凌就是用空軍投炸彈破碎的。凡此種種事例很多。為保護海洋平臺免遭冰荷載的破壞,每年冬季渤海石油總公司就組織有關(guān)設(shè)計、施工建設(shè)單位聯(lián)合科研部門研究減少冰荷載作用的措施和保護現(xiàn)有海洋平臺的正常運作。此外,松花江的依蘭縣境內(nèi)的一段,春季經(jīng)常被流冰堆聚在一起,使河道堵塞。國外流冰引起橋梁和水工建筑破壞者時有發(fā)生。如1991年春,美國緬因州的一座鋼筋混凝土大橋因被流冰撞擊而倒毀。流冰對海洋平臺造成的危害更是屢屢可見。為此美國石油部所屬研究所還專門制訂了導(dǎo)管架平臺在冰環(huán)境中的規(guī)劃設(shè)計、施工規(guī)程。前蘇聯(lián)制訂了專門的標(biāo)準(zhǔn)冰荷載規(guī)定,對冰荷設(shè)有計算公式,不同地區(qū)有相應(yīng)的調(diào)正系數(shù)。又如日本北海道大學(xué)有專門從事冰荷載研究的人員,對冰荷載也有規(guī)定和計算公式。此外,如加拿大、德國、英國、挪威等均設(shè)有冰荷載的專門規(guī)定。英國在北海中的RC平臺就考慮了冰荷載的作用。應(yīng)該指出的是,國外研究冰荷載多為研究海洋冰,但前蘇聯(lián)內(nèi)陸幅員遼闊,對內(nèi)陸河川冰荷載研究很重視。我國研究冰荷載的單位多數(shù)是對海洋冰進行研究實驗,只有少數(shù)幾個科研單位專門研究河川冰荷載。我國研究海洋冰力學(xué)、冰荷載的單位有大連理工大學(xué)、天津大學(xué)等、它們都有冰力學(xué)實驗室,開展實驗研究。2關(guān)于冰負荷的規(guī)定和表達形式(1)冰的抗壓碎強度1)冰的極限強度應(yīng)根據(jù)實驗確定,當(dāng)無實驗資料時,容許采用以下值:對國內(nèi)Ⅰ類地區(qū):a)冰的抗壓碎(考慮局部擠壓)極限強度R21:流冰的開始階段(最初移動)——735千帕(75tf/m2);流冰的最高水位——441千帕(45tf/m2);b)冰的抗彎極限強度Rm1為冰的抗壓碎極限強度的70%(按(a)項):對國內(nèi)其他地區(qū)根據(jù)以下公式確定:Rzn=KnRzl(1)Rmn=0.7Rzn(2)Rzn=ΚnRzl(1)Rmn=0.7Rzn(2)式中n,國內(nèi)各地區(qū)的地區(qū)系數(shù)。地區(qū)界限及其對應(yīng)的地區(qū)系數(shù)應(yīng)根據(jù)表1確定。在此情況下對零度以下解凍的河流,應(yīng)采用不低于2的地區(qū)系數(shù)。對于冰凍到河底的河流,如果流冰開始于春季開江冰流過之后,冰的抗壓碎強度極限應(yīng)根據(jù)實際資料取值(考慮解凍對冰強度的削弱影響),但不小于流冰最高水位時所規(guī)定的數(shù)值。2)冰荷載的合力必須加在計算水位以下0.3t的地方,t-冰的計算厚度(m)取百年一遇的冬季最大冰厚的0.8倍。3)作用于橋墩豎直前墩面上的流動冰排荷載,必須采用按下述公式確定的最小數(shù)值;當(dāng)冰排被橋墩剪斷時:F1=φ1Rznbt,kt,N(t?f)F1=φ1Rznbt,kt,Ν(t-f)當(dāng)冰排被橋墩阻塞時,F2=1.253vtφ2ARzn???????√,(kN,t?f)F1=0.4vtφ2ARzn???????√(4)F2=1.253vtφ2ARzn,(kΝ,t-f)F1=0.4vtφ2ARzn(4)式中,φ1\,φ2——按表2確定的型式系數(shù);Rzn——建筑地區(qū)冰的抗壓碎強度(t-f/m2);b——冰作用高程處橋墩寬度(m);t——冰厚(m);v——冰排流動速度(m/s),根據(jù)野外觀測數(shù)據(jù)確定,當(dāng)缺乏觀測數(shù)據(jù)時,采用水流速度;A——冰排面積(m2),由冰排流過處或它附近的野外觀測確定。當(dāng)缺乏野外觀測數(shù)據(jù)時,冰排面積允許采用A=1.75l2,l——跨度值(m),而水面部分的傾斜i≧0.007時,A=1.02tRmn(A=10tRmn)(5)A=1.02tRmn(A=10tRmn)(5)式中,Rmn——建筑地區(qū)冰抗彎極限強度,千噸(tf/m2)。4)當(dāng)流動冰排與橋軸所成角度φ≤80°時,作用于橋墩豎直面上的冰荷載必須乘以sinφ予以降低。5)在冰的作用區(qū)對有傾斜面的橋墩上作用的冰壓力,應(yīng)按如下規(guī)定確定:a)水平分量Fx,千牛噸(噸力),按下述公式取其中的最小值Fx=φRmnt2(6)Fx=φRmnt2(6)b)豎向分量Fz,千牛噸(噸力),按公式:Fz=Fxtgβ(7)Fz=Fxtgβ(7)式中:φ——系數(shù),用0.2b/t,但不小于1;β——橋墩斜肋對水平線的傾角;Rmn,b,t上面已提及:6)在復(fù)雜的冰環(huán)境地區(qū)設(shè)計橋梁時,必要時應(yīng)考慮如下荷載:推聚在橋墩上的冰排,它們除受冰流外,還應(yīng)考慮鳳對冰排的作用;冰的擠壓力;水位變動時,凍結(jié)于橋墩(樁或群樁)上的冰層;冰層的溫度膨脹和橋墩一側(cè)存在的冰縫,上述荷載應(yīng)按CH2.06.04—82確定。(2)冰的流冰強度規(guī)定凡屬存在冰害危險地區(qū)均須確定冰排撞擊平臺(應(yīng)考慮群樁產(chǎn)生的遮蔽作用)時的冰厚、冰的強度以及冰速。假設(shè)冰作用于結(jié)構(gòu)上的力等于:F=CfcAF=CfcA式中:F——冰力|b[N]|;C——系數(shù);fc——冰的抗壓強度psi(MPa);A——冰的擠壓面積in2(mm2)。冰的強度。fc隨冰的溫度、鹽度、荷載率等變化。其數(shù)值范圍在200至500psi(1.38和3.45MPa)之間,系數(shù)C決定于冰力作用的速度、形式等,為0.3～0.7。作用于單樁柱上的流冰力為:式中:F——流冰力(kg);C——流冰力系數(shù);B——樁柱直徑(cm);h——冰的厚度(cm);σ——海冰的單軸抗壓強度(kg/cm2)流冰力系數(shù)C與結(jié)構(gòu)物的直徑和冰厚之比與樁柱的形狀等有關(guān)。與冰厚比較,柱腿直徑愈大,流冰力系數(shù)愈小。采用了美國API中的C值為0.3～0.7,同時,σ值采用(14～35kg/cm2)。(3)日本公式冰荷載有兩種形式,即結(jié)冰時造成的壓力和流冰時與結(jié)構(gòu)物之間的撞擊力,都以冰的破壞強度為基礎(chǔ)。1冰的破壞強度fq結(jié)冰壓力FQ以下式表述式中:Q0——冰的破壞強度,用28kg/cm2;B——結(jié)構(gòu)物寬度(cm);h——冰厚(cm)。2風(fēng)場系數(shù)撞擊力FP用下式表述式中,C為結(jié)構(gòu)物形狀及冰排撞擊速度的系數(shù),A為撞擊面積(cm2)。綜合上述可看出,不論哪種公式,在形式上均大同小異。3流冰密度和冰壓力(1)公路與橋涵設(shè)計規(guī)范p.45附錄四(1989)中的冰荷載附錄2-3冰壓力的計算。當(dāng)設(shè)計可能遭受流冰影響的橋梁墩臺時,應(yīng)考慮作用于墩臺軸線方向的冰塊撞擊力。1)對于具有豎直邊緣的墩臺,冰壓力按下式計算:H=mRabh(t)Η=mRabh(t)式中:h為冰厚(m),為頻率1/50的冬季最大冰厚的0.8倍。當(dāng)缺乏足夠的觀測資料時,可按實地調(diào)查的最大結(jié)冰厚度采用;b為墩臺在流冰水位線上的寬度(m);m為墩臺形狀系數(shù),隨墩臺上游端的平臺形狀而定:半圓形0.9.三角形,應(yīng)根據(jù)分水尖角2α按附表2-1采用;Ra為考慮局部受壓時冰的極限抗壓強度,當(dāng)缺少試驗資料時其值等于:初融流冰水位75t/m2;最高流冰水位45t/m2。注:當(dāng)冰在零下解凍,且水溫為-10°C及以下的地區(qū),冰的極限抗壓強度應(yīng)提高一倍。2)具有傾斜破冰棱的墩臺,其冰壓力按下式計算:豎向冰壓力水平冰壓力式中:β——破壞梭與水平線的傾角;Rw——冰的撓曲極限強度(t/m2),按0.7Rn采用。注:當(dāng)β>82°時,冰壓力與1)同。漂流物撞擊力可按下式估算:P=WVgT(t)Ρ=WVgΤ(t)式中,W——漂流物重量(t)(kN),應(yīng)根據(jù)河流中漂流物情況按實地調(diào)查確定;V——水流速度(m/s);T——撞擊時間(s);g——9.81(m/s2)。4中國冰載荷實驗的研究(1)自1988年2月以來，首先在哈爾濱松花江上觀察到了以下內(nèi)容1)松花江層冰的動力特性;2)層冰與橋梁結(jié)構(gòu)物之間的相互作用;3)流冰對橋墩的撞擊;4)層冰的抗壓強度。(2)流冰及抗壓強度1)層冰的動力性質(zhì)。冰層厚度約為20cm時,①層冰固有頻率在2.0-20Hz之間,即具有多階頻率,其卓越頻率為2.95Hz;②層冰與橋墩之間相互作用,其耦聯(lián)頻率為4.0-9.0Hz之間;③流冰對橋墩的撞擊力,根據(jù)現(xiàn)場實地目測并按公式P=WV/gT估算得撞擊力P約為20t;④冰為脆性材料,具有不等向性;⑤冰的抗壓強度垂直結(jié)晶體為1.0MPa;平行結(jié)晶體為0.7MPa。(3)流冰撞擊力1)1988年研究了層冰的動力性質(zhì)、層冰與橋墩之間的相互作用、流冰對橋墩的撞擊力。2)1989年到佳木斯松花江公路大橋施工現(xiàn)場觀測豎立在河床中的10號墩的動力性質(zhì)、在流冰作用下的位移及10號墩的剛度以及按橋涵與隧洞設(shè)計規(guī)范算得撞擊力的大小F1989=3,422kN。3)1990年4月赴佳木斯公路大橋現(xiàn)場觀測按上述同樣方法實測得大橋橋墩所承受的流冰撞擊力F1990=3,526kN.4)1993年實驗研究工作佳木斯公路大橋現(xiàn)場實驗:a)流冰撞擊力F1993=1,162.7kN;b)層冰抗壓強度現(xiàn)場取樣試驗,結(jié)果為:冰層的抗壓強度垂直于結(jié)晶體加力為1.0MPa;平行于結(jié)晶體加力為0.71MPa。5)1994年工作在佳木斯公路大橋?qū)崪y得流冰撞擊力P1994=7,241.8kN為“武開江”流冰撞擊力,其特征是:a)流冰速度快,速度為1.5m/s以上;b)流冰充滿河床并漲水淹沒岸邊房屋;c)流冰將佳木斯松花江航運港口中的船舶抬起,撞翻,互相疊起。6)1995年工作a)流冰撞擊力F1995=605.5kN,為“文開江”,流冰對大橋無威脅;撞擊力F1995小的原因為:①流冰冰速較小,為0.9m/s;②流冰冰塊小,并呈泡沫狀;③天氣晴朗,無風(fēng)雨。b)“武開江”,1994年實驗的收獲為:①流冰撞擊力,即冰荷載最大F1994=7,241.8kN;②流冰撞擊橋墩時所取得墩項的反應(yīng)時程曲線如下圖所示。5層冰的振動性質(zhì)(1)河川層冰的抗壓強度①垂直于結(jié)晶體加力σpv=1.0MPa;②平行于結(jié)晶體加力σph=0.7MPa。(2)層冰的振動性質(zhì)①多階頻率為1.0～20Hz;②卓越頻率為