橋墩冰荷載破壞穩定性分析

楊偉達

（河北省高速公路管理局 河北石家莊 050031）

關鍵字：橋墩 靜冰擠壓 流冰撞擊 穩定性

1 引言

在我國北方境內，冬季河流冰凍現象時有發生[1]，而冰所產生的靜冰擠壓力、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措施而被冰破壞的現象時有發生[2]。橋墩破壞原因大致三方面：冰凍層范圍內水的凍融循環導致混凝土破損、開裂，進而導致鋼筋銹蝕，混凝土結構強度降低；橋墩周圍被大面積的冰層圍繞，冰層在水流、風的作用下，存在往某個方向移動的趨勢，而橋墩阻礙冰層的整體移動，來自冰層的靜載推力導致橋墩破壞；在融冰期，流動的冰排不斷撞擊橋墩產生沖擊荷載，導致橋墩破壞。因此，怎樣有效的保護橋墩，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施橋梁防護措施的前提，據此，本文基于冬季我國某水庫橋墩實際情況，針對橋墩可能受到的幾種常見類型冰荷載作用力大小進行了計算，并采用數值模擬的方法，分別對靜冰擠壓和流冰撞擊作用力下橋墩的穩定性進行了評價，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措施。

圖1 大橋布置圖

2 工程概況

圖2 6#橋墩計算模型

本文所研究的橋梁就坐落于北京永定河流域的某水庫上。該橋為典型的簡支橋梁，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°），這將對橋梁產生不可預估的危害。根據該水庫橋梁設計資料可知，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 #橋墩進行冰荷載受力分析。整個橋墩的計算模型網格剖分見圖2，共計45 789個單元，材料參數的取值見表1。

表1 計算參數

3 冰荷載計算

根據《港口工程荷載規范》JTS 144—1—2010中第12.0.1的規定[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《港口工程荷載規范》JTS 144—1—2010中第12.0.3～12.0.6的規定，計算公式如下：式中，冰的局部擠壓系數I取最大值4.0，迎冰面形狀系數m取0.9，冰與墩接觸系數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°（流水方向見相關設計圖）。

（2）流冰的撞擊力

根據《港口工程荷載規范》JTS 144—1—2010中第12.0.3～12.0.8的規定，計算公式如下：

式中，流冰速度V取0.68 m/s(根據泄洪流量除以過水斷面面積得到，取值見相關設計資料)；流冰塊面積A取 200 m2，其它參數取值同上。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，根據設計資料，橋帽頂部左側墊塊所受荷載為壓應力，取0.98 MPa，右側墊塊為拉應力，取0.17 MPa。

4 冰排擠壓力作用下橋墩穩定性驗算

利用數值模擬軟件，將上述第2節中冰排擠壓力作用于橋墩常水位層處的迎冰面，計算結果見圖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°。最大主應力的大小約為3.2 MPa，為受壓狀態，位于墩身左側的底部，該壓應力小于墩身和加固層的抗壓強度；最小主應力的大小約為2.0 MPa，為受拉狀態，大于加固層混凝土的抗拉強度。為了充分評估橋墩的安全性，下面基于《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010相關規定取兩個截面對橋墩進行正面承載力驗算和裂縫控制驗算[4]。兩個截面分別為：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算結果云圖

根據《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010附錄E.0.4的規定，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件，其正截面受壓承載力宜復合下列規定：

加固層底部的縱向應力等值線如圖4所示，截面直徑為5.2 m，最大壓應力約為2.5 MPa，最大拉應力約為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，鋼筋保護層厚度取15 mm。主要計算參數如下：

把以上參數代入式（3）中得到右端項等于74 301.35 kN，大于N值，符合正截面受壓要求；代入式（4）中得到右端項等于51 323.08 kN·m，左端項為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力等值線如圖5所示。截面直徑為4.5 m，最大壓應力約為1.5 MPa，最大拉應力約為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，鋼筋保護層厚度取15 mm。主要計算參數如下：

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

根據《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010第7.1.1的要求，混凝土的縱向受拉應力不能超過混凝土的抗拉強度，否則不符合裂縫控制驗算要求。由圖4和圖5可知，兩處截面的最外緣受拉應力皆已超過混凝土的抗拉強度，因此，不符合裂縫驗算要求。

圖4 加固層底部縱向應力等值線

圖5 縱向鋼筋變換處縱向應力等值線

5 流冰撞擊下橋墩穩定性驗算

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定性進行數值模擬研究，具體計算結果云圖見圖6。

圖6 流冰撞擊力條件下計算結果云圖

6 橋墩冰荷載破壞防護方案

靜冰擠壓作用下墩身底部結構明顯存在抗拉強度不足的情況，因此需對墩身底部進行結構加固，綜合考慮運行環境、工程施工、安全性和經濟性等各方面因素，為經濟高效的解決橋墩冰害問題，目前，常用的防護方法主要有：（1）人工破冰法，破冰危險性高，易發生事故，且不能保證破冰的及時性；（2）壓縮空氣擾動水面法，費用偏高，設備維護困難；（3）包裹塑料墊，此方法與冰凍期橋墩損傷機理不符，防護效果較差；（4）水泵擾動破冰法，需要準確的流量及流量損失計算和分析，方案設計過程較復雜，經濟型一般。近些年，電熱融冰法、破冰體防護法、射線照射融冰法、碳纖維布加固法等方法有了一定的研究，但理論及實驗研究還不透徹，尤其是與工程實際缺乏聯系，更不能很好的平衡運行環境、工程施工、安全性和經濟性等各方面因素[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，該種方法任務繁重，危險性較大。

因此，本文在上述常用防護方法的基礎上經過優化，提出了一種主動與被動防御相結合的“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，最終實現了防護橋墩的目的[6、7]，具體實施方式如下：

圖8 鋼套筒

圖7 裝置俯視圖

“輕型鋼套筒”裝置經過一定防銹處理，為方便現場施工，采用兩個半圓鋼筒結構拼接的方式，如下圖7所示。輕型鋼套筒端部分別具有連接螺栓板、鏈接內銷，并且連接插頭、連接內銷上分別具有通孔，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，起到相應對流冰的緩沖作用。輕型套筒裝置內部是中空的并且預設相應孔洞，內部平行回旋纏繞電伴熱帶，如圖9所示。電伴熱帶持續的加熱可維持橋墩周圍水域不結冰，這樣一是防止冰層在水流或風力作用下造成冰層擠壓橋墩，二是防止冰層凍融循環對混凝土橋墩的影響。橡膠板通過防水性環氧樹脂類粘結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 結論

根據本文的分析可知，最不利冰荷載為冰排擠壓力。數值模擬結果表明，流冰撞擊和靜冰擠壓情況下的冰荷載均不會造成6 #橋墩墩身發生整體性的失穩破壞，正截面承載符合驗算要求。但是，在冰排擠壓力作用下，驗算截面的外緣拉應力皆高于混凝土的抗拉強度，在受拉側出現張拉裂縫，不滿足混凝土承壓構件的耐久性要求。因此，需要加強對橋墩的保護。

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難題，又達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。