渤海域橋梁斜體寬承臺冰荷載計算*

吳甜宇 邱文亮

(大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院 大連 116024)

0 引 言

在寒區(qū)的海洋資源開發(fā)以及港口建設(shè)中，冰荷載是海上結(jié)構(gòu)物的主要控制荷載[1].

海冰是渤海有別于我國其他海域的突出問題，是該海域嚴(yán)重的自然災(zāi)害，對海洋結(jié)構(gòu)的安全具有極大的威脅[2].渤海每年冬季都有海冰生成，它影響著渤海海上交通、漁業(yè)生產(chǎn)、油氣開發(fā)等海上事業(yè)的運營[3].

斜體結(jié)構(gòu)作為一種廣泛應(yīng)用于寒區(qū)海域的抗冰結(jié)構(gòu)形式[4]，由于冰與斜體結(jié)構(gòu)相互作用過程中能引起冰的彎曲破壞，相比其他破壞模式而言，可以有效的降低冰荷載的作用.加拿大聯(lián)邦大橋[5]在設(shè)計過程中將冰荷載作為控制荷載進行考慮，并采用錐體橋墩的抗冰措施來減小冰荷載的作用.經(jīng)過多年實測，錐體的設(shè)置有效的降低了冰荷載的極值，且遠小于設(shè)計荷載.波斯尼亞灣的Kemi-I燈塔[6]也同樣在水面線處設(shè)置了斜體破冰結(jié)構(gòu)；我國渤海JZ9-3與JZ20-2采油平臺[7]均采用窄錐結(jié)構(gòu)作為有效的抗冰減災(zāi)措施.為了對渤海域跨海橋梁斜體寬承臺進行冰荷載研究，本文針對四種規(guī)范中的計算方法開展渤海海域環(huán)境條件下不同參數(shù)對冰荷載的影響情況，采用作圖分析，對斜體結(jié)構(gòu)上的冰荷載進行討論.

1 冰與斜體寬結(jié)構(gòu)作用機理

斜體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于冰體與結(jié)構(gòu)相互作用過程中會引起冰體的彎曲破壞，顯然，相比冰體的擠壓破壞，結(jié)構(gòu)承受的冰荷載要低得多.抗冰結(jié)構(gòu)中斜坡角的設(shè)置可以明顯使結(jié)構(gòu)所受的冰荷載減小，特別是對于相對薄的海冰.但是海冰在傾斜結(jié)構(gòu)表面不斷攀升的過程中有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面設(shè)施的損壞，另外，還會增加結(jié)構(gòu)的豎向荷載，這可能對惡劣土壤條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計不利[8].

Croasdale[9]提出了一個冰與斜體結(jié)構(gòu)相互作用的二維分析模型.盡管只是二維力學(xué)分析模型，但此模型對于寬體斜坡結(jié)構(gòu)冰荷載的計算是合理的.然而，此模型卻不適用于窄體結(jié)構(gòu)，它對于窄結(jié)構(gòu)而言低估了冰體的破碎荷載.其原因在于海冰與窄坡面結(jié)構(gòu)相互作用過程具有三維效應(yīng)，海冰的破壞區(qū)域相比結(jié)構(gòu)的寬度要大得多，不是所有破碎冰體都將在斜體面上進行爬升，一些冰體會自然的從結(jié)構(gòu)表面清除，此時應(yīng)該應(yīng)用三維彎曲失效模型進行分析.

當(dāng)冰體接近一個具有傾斜面的結(jié)構(gòu)時，在第一次接觸時冰體開始在界面處發(fā)生彎折.隨著驅(qū)動力的增加，冰體繼續(xù)破壞，作用力增大.作用于結(jié)構(gòu)表面的總冰力可以分解為豎向和橫向兩個分力，豎向分力使得冰體發(fā)生彎曲變形，當(dāng)豎向分力增加到一定程度時，冰體將發(fā)生彎曲破壞.當(dāng)冰體局部破壞后，斷裂的冰體會被臨近的冰體擠壓，開始沿結(jié)構(gòu)斜坡面進行爬升，進而發(fā)生回轉(zhuǎn)跌落.由于需要額外的力來推動冰體攀升，這個過程中會產(chǎn)生更大的相互作用力，海冰與斜體結(jié)構(gòu)相互作用的整個進程，見圖1.

圖1 冰與斜體結(jié)構(gòu)相互作用進程

另外，在冰與斜體結(jié)構(gòu)相互作用的過程中，存在一些附加條件.當(dāng)冰與斜體結(jié)構(gòu)發(fā)生接觸后，斜體面結(jié)構(gòu)需要具備有效的清理海冰的能力.若發(fā)生海冰附著于結(jié)構(gòu)表面、海冰在結(jié)構(gòu)面發(fā)生了堆積現(xiàn)象、或是結(jié)構(gòu)被海冰包圍而無法清除，就會導(dǎo)致斜體面結(jié)構(gòu)的所有優(yōu)勢全部失效.在以上的情況之下，斜體面結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)出與直立面結(jié)構(gòu)相同的破冰機理，見圖2.

圖2 冰與斜體結(jié)構(gòu)發(fā)生堵塞現(xiàn)象

文中主要討論平整冰與斜體寬結(jié)構(gòu)的彎曲破壞力與爬升力，假定斜體的破冰效果良好，不會發(fā)生冰體堵塞現(xiàn)象.所以在此不針對冰體在斜體結(jié)構(gòu)上的堆積作用進行深入探討.

2 各國規(guī)范斜體結(jié)構(gòu)冰荷載計算方法

2.1 中國JTG D60規(guī)范

文獻[10]關(guān)于彎曲冰荷載的計算方法，規(guī)定當(dāng)流冰范圍內(nèi)有傾斜表面時，冰壓力應(yīng)分解為橫向分力FH和豎向分力FV，斜體結(jié)構(gòu)上的冰荷載推薦計算公式為

FH=m0Ctσfh2tanα

(1)

FV=FH/tanα

(2)

式中：m0為冰力系數(shù)，取0.2D/h，但不小于1；D為結(jié)構(gòu)斜面寬度，m；Ct為冰溫系數(shù)；h為冰厚，m；σf為海冰彎曲強度，kPa；α為斜面與水平面夾角，(°).

2.2 中國Q/HSn規(guī)范

文獻[11]關(guān)于彎曲冰荷載的計算方法，規(guī)定冰與斜體海洋結(jié)構(gòu)相互作用的橫向荷載FH與豎向荷載FV的推薦計算公式為

FH=Knh2σftanα

(3)

FV=Knh2σf

(4)

式中：Kn為冰力系數(shù)，取0.1D,D為結(jié)構(gòu)斜面寬度，m；h為冰厚，m；σf為海冰彎曲強度，kPa；α為斜面與水平面夾角，(°).

2.3 俄羅斯SNIP規(guī)范

文獻[12]關(guān)于彎曲冰荷載的計算方法中規(guī)定冰與斜體結(jié)構(gòu)相互作用的橫向荷載FH與豎向荷載FV的推薦計算公式為

FH=0.1σfDhtanα

(5)

FV=FHcotα=0.1σfDh

(6)

式中：D為結(jié)構(gòu)斜面寬度，m；h為冰厚，m；σf為海冰彎曲強度，kPa；α為斜面與水平面夾角，(°).

2.4 加拿大CSA規(guī)范

文獻[13]對于斜體結(jié)構(gòu)冰荷載的計算采用冰與斜體結(jié)構(gòu)相互作用的二維力學(xué)分析模型，見圖3.

圖3 冰與斜體結(jié)構(gòu)相互作用二維力學(xué)模型

冰與斜體結(jié)構(gòu)相互作用力的橫向分量FH與豎向分量FV，可以寫為

FH=FNsinα+μFNcosα

(7)

FV=FNcosα-μFNsinα

(8)

FH=FVC

(9)

文獻[9]認(rèn)為當(dāng)冰體的彎曲強度與其初始彎曲破壞所需的豎向力相等時，那么結(jié)構(gòu)單位寬度上的豎向力與橫向力，可以寫為

FV/D=0.68σf(ρwgh5/E)0.25

(10)

FH/D=0.68σf(ρwgh5/E)0.25C

(11)

式中:D為結(jié)構(gòu)斜面寬度,m；h為冰厚，m；σf為海冰彎曲強度，kPa；ρwg為水的重力密度，N/m3；E為海冰的彈性模量，GPa.

Croasdale二維力學(xué)模型充分考慮了冰體在彎曲破壞后沿寬體斜坡的爬升作用，斷裂冰體在結(jié)構(gòu)的斜面上還會被提升至一定的高度，隨后回轉(zhuǎn)跌落.冰體在斜面上被推升的垂直距離為Z，平行于斜體面的作用力FC可以寫為

ρig(sinα+μcosα)

(12)

式中：ρig為冰的重力密度，N/m3.

冰體彎曲破壞與爬升的橫向合力FH寫為

(13)

綜上，作用在斜體結(jié)構(gòu)單位寬度上的水平總力可以寫為

FH/D=C1σf(ρwgh5/E)0.25+zhρigC2

(14)

式中：系數(shù)C1與C2只與斜面角度α與摩擦系數(shù)μ相關(guān)，可以寫為

3 渤海域斜體結(jié)構(gòu)冰荷載計算參數(shù)影響分析

參考文獻[11]，得到了渤海海冰的力學(xué)性能參數(shù)，并對結(jié)構(gòu)計算參數(shù)進行了相關(guān)假定，見表1.

表1 計算參數(shù)

寒區(qū)結(jié)冰海域環(huán)境條件下，冰與斜體結(jié)構(gòu)相互作用過程中，海冰對斜體結(jié)構(gòu)起破壞作用的主要是冰荷載的橫向分力，所以在結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)對橫向冰荷載進行重點關(guān)注.

圖4為各規(guī)范下結(jié)構(gòu)的不同斜坡角度對橫向冰荷載的影響效應(yīng).由圖4可知，由于JTG D60，Q/HSn與SNIP規(guī)范均未考慮冰體沿斜體坡面的爬升作用，只給出了橫向與豎向的破壞荷載.然而，CSA規(guī)范給出了冰體爬升過程中任意高度處的橫向冰力，其中包括彎折力與爬升力兩部分組成.隨著結(jié)構(gòu)斜坡角度的增大，橫向冰荷載均呈現(xiàn)增長的趨勢，但規(guī)范Q/HSn與規(guī)范SNIP計算所得的荷載水平較低.其中根據(jù)規(guī)范SNIP計算，斜坡角度由20°增大到65°，橫向冰荷載由13 kN/m增大到75.5 kN/m.規(guī)范JTG D60與規(guī)范CSA計算所得的冰荷載水平較高，且隨著斜坡角度的增加，橫向荷載的增長趨勢十分明顯.對于規(guī)范CSA而言，當(dāng)斜坡角度大于45°時，橫向力對坡角的增大非常敏感，呈現(xiàn)了陡增的變化趨勢.橫向力也由20°坡角的47.9 kN/m增大到65°坡角的215.4 kN/m.可以觀察到，斜坡角度在30°～60°范圍內(nèi)由規(guī)范JTG D60計算所得的橫向冰荷載要高于規(guī)范CSA的計算值，并遠大于其他兩個規(guī)范的計算值.由此可見，規(guī)范JTG D60在未考慮冰體爬升作用下的橫向荷載值偏大，側(cè)面說明了規(guī)范中給出的冰荷載的計算公式過于保守.

圖4 各規(guī)范下不同斜坡角橫向冰力

圖5為各規(guī)范下不同冰厚對橫向冰荷載的影響效應(yīng).由圖5可知，隨著冰厚的增加，各規(guī)范的計算冰荷載值均呈現(xiàn)增長的趨勢.在冰厚小于0.5 m下，根據(jù)規(guī)范Q/HSn計算得出的荷載值明顯低于其他規(guī)范的計算值.對于規(guī)范CSA計算的橫向總荷載而言，彎折力相對較小，爬升力占了主要的部分.對于寬結(jié)構(gòu)的冰荷載計算，考慮爬升力的作用是合理、準(zhǔn)確的.

圖5 各規(guī)范下不同冰厚橫向冰力

圖6為CSA規(guī)范下不同摩擦系數(shù)與不同爬升高度對橫向冰荷載的影響效應(yīng).由圖6a)可知，隨著斜坡角度的增大，橫向冰力呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢，冰與結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)越大，橫向冰力也隨之增大，即使在小坡角的情況下，荷載量值的變化也較為明顯.可見，在冰荷載的計算中，應(yīng)當(dāng)合理的選取冰與結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù).

由圖6b)可知，隨著冰厚的增大，橫向冰力呈現(xiàn)線性增長趨勢，冰體的爬升高度越大，橫向冰力也隨之增大.在冰厚為1 m的情況下，爬升高度由1 m增大到5 m，橫向冰力由138 kN/m增大到311 kN/m.

因此，在冰荷載的計算中，首先應(yīng)當(dāng)確定冰體在斜體結(jié)構(gòu)上最大的爬升高度，準(zhǔn)確合理的確定冰體爬升的最大高度是得到橫向冰荷載的前提條件.

圖6 CSA規(guī)范下不同摩擦系數(shù)與不同爬升高度橫向冰力

4 渤海域橋梁斜體寬承臺冰荷載計算

擬建的“秦—大”跨海通道工程跨越渤海，連接遼寧省大連市與河北省秦皇島市，跨海部分均采用橋梁工程，海上工程長約144 km.由于橋址所在海域多為20～30 m的深水區(qū)域，故采用高樁承臺群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式.非通航孔橋梁的典型承臺平面尺寸為21 m×13 m，考慮到本海域橋梁冰荷載問題，設(shè)計水面線位于承臺中部，承臺采用斜坡面的迎冰形式.

利用規(guī)范CSA進行橋梁承臺的冰荷載計算，選取海冰的爬升高度為5 m，海冰彎曲強度為700 kPa，冰與結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)為0.3，在四種斜坡角度，1 m冰厚范圍內(nèi)，計算承臺冰荷載并繪制出承臺單位寬度橫向冰荷載曲線，見圖7.

圖7 CSA規(guī)范下不同斜坡角橫向冰力

由圖7可知，斜體面寬承臺結(jié)構(gòu)與冰體相互作用的進程中，冰體所需的彎曲折斷力明顯小于冰體在斜體面上攀升所需的爬升力.針對假定的爬升最大高度5 m而言，各斜體設(shè)置角度下冰體所需的折斷力近似為爬升力的1/3，說明斜體面寬結(jié)構(gòu)與冰體作用過程中爬升力相比折斷力占據(jù)主導(dǎo)地位.

對比圖7中的a)～d)可知，不同斜體設(shè)置角度下橫向冰荷載均隨著冰厚的增加而增大，且增長趨勢基本相似.當(dāng)冰厚為0.5 m時，斜坡角為45°，50°，55°，60°的橋梁承臺(迎冰面21 m)橫向冰荷載分別為1 659，1 932，2 394，3 192 kN.

綜上，在進行橋梁斜體寬承臺的抗冰設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮設(shè)置角度、摩擦系數(shù)等結(jié)構(gòu)因素的影響，應(yīng)當(dāng)合理的考慮施工難度、工程造價及結(jié)構(gòu)合理性等綜合因素.

5 結(jié) 論

1) 對于寬結(jié)構(gòu)而言，利用二維力學(xué)分析模型考慮冰體的爬升作用是合理、準(zhǔn)確的.但對于窄結(jié)構(gòu)而言，冰的清理機制或許取代了冰體的攀升作用，利用冰體的爬升公式計算的荷載值是偏高的，此時應(yīng)采用三維模型進行計算.

2) 隨著冰厚、斜坡角度的增大，橫向冰荷載均呈現(xiàn)增長的趨勢.由于只考慮了冰體的彎曲破壞力，根據(jù)規(guī)范Q/HSn與規(guī)范SNIP計算所得的冰荷載水平略低.

3) 規(guī)范CSA利用二維力學(xué)分析模型，充分考慮了冰體在結(jié)構(gòu)表面的爬升作用，計算所得的荷載值也明顯高于規(guī)范Q/HSn與規(guī)范SNIP，但規(guī)范JTG D60在未考慮冰體爬升作用的情況下荷載值偏大，說明其計算公式過于保守.

4) 橋梁斜體寬承臺的抗冰設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮斜坡面設(shè)置角度、摩擦系數(shù)等結(jié)構(gòu)因素的影響，合理降低極值冰荷載，綜合考慮施工難度、工程造價等因素.