寒區(qū)鋼棧橋抗流冰加強(qiáng)措施探究

孫世鑫，鄒純帥

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006；2.哈爾濱市眾泰眾利建筑工程技術(shù)咨詢(xún)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

鋼棧橋作為運(yùn)輸材料、設(shè)備以及人員而修建的臨時(shí)橋梁設(shè)施，在橋梁施工中起著重要作用。因流冰而造成的鋼棧橋垮塌事故，給國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，威脅到人民的生命安全，所以流冰事故引起了政府有關(guān)部門(mén)的高度重視。我國(guó)大多數(shù)水利部門(mén)很早就投入到冰凌、凌汛的數(shù)據(jù)的采集工作中。長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)北方野外的冰情，并對(duì)觀(guān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，開(kāi)展防、抗、治冰研究和冰情預(yù)報(bào)工作，加固橋梁、防洪大堤、修建分洪引洪工程、在凌汛期采取破冰排冰措施，為最大程度上防治和降低流冰破壞奮斗。

不同于針對(duì)普通橋梁抗冰研究，鋼棧橋與河冰之間的相互作用以及鋼棧橋在流冰環(huán)境下的加強(qiáng)措施及驗(yàn)證研究難度較大。本文以黑龍江省牡丹江神洞大橋工程為背景，對(duì)鋼棧橋在流冰作用下的破壞形式、流冰與鋼棧橋之間的相互作用以及鋼棧橋的加強(qiáng)措施進(jìn)行了分析與有限元驗(yàn)證，為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

神洞大橋位于黑龍江省東南部牡丹江東寧市中東部，該地域受海陸巨大熱力差異的影響，形成海洋（半濕潤(rùn)型）中溫帶季風(fēng)氣候特征，年平均氣溫6.1℃，歷史最低氣溫-33℃，冬季時(shí)間長(zhǎng)，河流形成冰層較厚，不利于施工。

施工臨時(shí)鋼棧橋采用裝配式公路鋼橋，全長(zhǎng)162m。鋼棧橋下部鋼管樁直徑529mm，壁厚8mm，在流冰作用下易發(fā)生屈曲變形，進(jìn)而引發(fā)倒塌事故。

2 流冰與鋼棧橋的相互作用

2.1 流冰對(duì)鋼棧橋的作用形式

高緯度地區(qū)臨時(shí)鋼棧橋在春季融冰時(shí)期面臨冰排擠壓、流冰撞擊、溫度膨脹的影響。對(duì)于內(nèi)陸江河的鋼棧橋，冬季時(shí)節(jié)冰情演變分為結(jié)冰期、封凍期、解凍期三個(gè)階段。

結(jié)冰期期間，水面開(kāi)始封凍，封凍期間鋼管樁周邊被大面積冰層緊密環(huán)繞，在冰面下水流及冰面上風(fēng)的作用下產(chǎn)生整體移動(dòng)趨勢(shì)，鋼管樁會(huì)不斷受到具有移動(dòng)趨勢(shì)冰層的擠壓，使冰層產(chǎn)生破碎；此外，在封凍期間，鋼管樁周邊冰層密度和體積并不均勻，使相應(yīng)的冰層膨脹，對(duì)鋼管樁產(chǎn)生溫度膨脹力；附著在鋼管樁的大體積冰層還會(huì)對(duì)鋼管樁產(chǎn)生豎向附加力，導(dǎo)致冰層上下浮動(dòng)；在解凍期，冰凌面積達(dá)到上百平方公里，細(xì)碎的冰塊隨流水不斷對(duì)鋼管樁進(jìn)行撞擊，相當(dāng)于鋼管樁指定區(qū)域位置不斷承受流冰撞擊荷載，對(duì)材料性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生很大影響。以上都是河冰對(duì)鋼棧橋的作用形式。

2.2 鋼棧橋在流冰作用下的破壞形式

冰荷載在鋼棧橋鋼管樁上的作用極為復(fù)雜，且荷載的作用大小與鋼管樁接觸的冰的破壞形式有關(guān)。根據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料，鋼管樁在流冰作用下常見(jiàn)的破壞形式包括的形式如下：最為常見(jiàn)的是冰排撞擊對(duì)鋼管樁表面的損傷，可見(jiàn)的損傷包括鋼管樁表面材料的脫落，出現(xiàn)窩孔和剝落，或流冰沖擊導(dǎo)致鋼管樁變形，甚至導(dǎo)致單樁發(fā)生垮塌破壞。

另一種破壞形式則主要發(fā)生在冰封期期間，氣候極為寒冷，河道冰層凍結(jié)程度極高，冰排與鋼管樁緊密接觸，溫度變化使冰排產(chǎn)生體積膨脹或體積收縮使，從而使鋼管樁受到冰排的緩慢擠壓作用，冰排對(duì)鋼管樁的擠壓作用相對(duì)于鋼管樁整體為剪切作用，當(dāng)冰排體積極大凍結(jié)程度非常高時(shí)，甚至可能會(huì)使鋼棧橋整體發(fā)生剪切破壞。

3 鋼棧橋抗冰加固方案

為了確保鋼棧橋的絕對(duì)安全，同時(shí)兼顧施工的經(jīng)濟(jì)性，決定在原有鋼棧橋基礎(chǔ)上加設(shè)抗冰防護(hù)裝置。抗冰防護(hù)裝置需要直接保護(hù)鋼棧橋鋼管樁，劈裂隨水流而至的巨大冰塊，并導(dǎo)流碎裂的冰塊，盡可能避免冰塊對(duì)鋼棧橋鋼管樁產(chǎn)生沖擊作用。將相應(yīng)的抗冰防護(hù)裝置與鋼棧橋連接起來(lái)，保證鋼管樁在凌汛期間流冰的不斷沖擊作用下絕對(duì)安全的情況下盡可能挖掘鋼棧橋整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度潛力，以減少材料的用量和抗冰防護(hù)裝置的建立難度，降低抗冰防護(hù)裝置的造價(jià)，保證相應(yīng)結(jié)構(gòu)施工的經(jīng)濟(jì)性。截取鋼棧橋于河流中心處的兩跨鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為例，對(duì)鋼棧橋抗冰防護(hù)裝置的布置情況進(jìn)行說(shuō)明，如圖1所示。

圖1 河流中心處五跨鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段抗冰防護(hù)裝置布置圖

抗冰防護(hù)裝置布置在現(xiàn)有鋼棧橋的上游與鋼棧橋鋼管樁對(duì)應(yīng)區(qū)域，根據(jù)水流方向在鋼管樁逆水流方向布置破冰樁。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，將破冰樁布置在鋼棧橋靠近上游一側(cè)的鋼管樁3m位置處，且位于橫橋向一聯(lián)鋼管樁所連成的直線(xiàn)上。破冰樁所采用的規(guī)格和鋼管樁相同，采用整體制作方式，由施工現(xiàn)場(chǎng)多余鋼板焊接而成，與鋼棧橋鋼管樁相同采用的直徑為529mm，壁厚為8mm，使用Q235材質(zhì)，高度為12m，打入深度與鋼棧橋鋼管樁相同。破冰樁不是依靠鋼管樁自身的強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行破冰作業(yè)的，而是通過(guò)在相應(yīng)位置處加裝破冰裝置來(lái)進(jìn)行。破冰裝置的具體形式為由兩塊鋼板拼接而成，拼接角度為30°，從其平面布置圖上來(lái)看為錐狀布置，破冰裝置及破冰樁連接立面圖如圖2、3所示。

圖2 單根破冰樁破冰裝置布置圖（單位：mm）

圖3 破冰樁連接布置立面圖（單位：mm）

4 鋼棧橋抗冰加固方案有限元驗(yàn)證

為了對(duì)鋼棧橋抗冰加固方案進(jìn)行驗(yàn)證，運(yùn)用有限元軟件MIDAS Civil建立鋼棧橋加固后有限元模型，在模型中布置相應(yīng)的破冰裝置。鋼材屈服強(qiáng)度如表1所示。

表1 鋼材屈服強(qiáng)度表

考慮河冰厚度為達(dá)1.2m厚、撞擊力為80kN的最不利情況進(jìn)行驗(yàn)證。由于對(duì)鋼棧橋上游冰層進(jìn)行了預(yù)爆破處理，極大地減小了冰塊的撞擊力，本次模型驗(yàn)證中將此作為鋼棧橋的強(qiáng)度儲(chǔ)備，不考慮折減。并考慮荷載在破冰樁破冰裝置上滿(mǎn)布的極端情況，以保障鋼棧橋的安全。棧橋冰荷載以均布荷載形式加載至破冰裝置上，均布荷載大小為80kN/m2。有限元計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 加固后鋼棧橋應(yīng)力圖

由圖4可知，鋼棧橋上部貝雷梁基本不受應(yīng)力，鋼管樁設(shè)置破冰樁位置所受應(yīng)力比其他位置更大，破冰裝置所受應(yīng)力由尖部向尾部呈放大趨勢(shì)。鋼棧橋梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力為176MPa＜σs=235MPa，出現(xiàn)在部分鋼管樁頂部，破冰裝置最大應(yīng)力為46.7MPa＜σs=235MPa，出現(xiàn)在裝置尾部?？傮w來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)大部分所受應(yīng)力較小，證明提出的鋼棧橋加強(qiáng)措施能夠保證鋼棧橋在凌汛期間流冰作用下的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了河冰與鋼棧橋之間的相互作用形式，研究了河冰與鋼管樁之間的相互作用以及兩者之間的破壞形式，提出了一種鋼棧橋加強(qiáng)措施，并通過(guò)MIDAS Civil軟件建立鋼棧橋有限元模型，在模型中布置相應(yīng)的破冰裝置，研究鋼棧橋與破冰裝置在最不利情況作用下的受力，得到如下結(jié)論：

（1）封凍、解凍等期間，冰層與鋼管樁接觸形式的復(fù)雜性均會(huì)導(dǎo)致冰排對(duì)鋼管樁產(chǎn)生不同程度的破壞，解凍期流冰對(duì)鋼管樁的撞擊造成的危害最為嚴(yán)重。

（2）給出了神洞大橋鋼棧橋的抗冰加強(qiáng)措施，對(duì)相應(yīng)破冰樁的規(guī)格及建設(shè)方式作出了詳細(xì)的說(shuō)明，并考慮施工經(jīng)濟(jì)性，對(duì)破冰樁與鋼棧橋的連接形式作出了改進(jìn)。

（3）通過(guò)有限元模型計(jì)算結(jié)果可知，加固后鋼棧橋鋼管樁最大應(yīng)力為176MPa，破冰裝置最大應(yīng)力為46.7MPa，均小于鋼材屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足鋼棧橋抗擊流冰作用的需求。