水庫橋墩冰荷載效應(yīng)與防護(hù)措施

郭威

（中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京西工務(wù)段，北京 102300）

1 研究背景

橋梁因橋墩結(jié)構(gòu)受冰荷載作用發(fā)生破壞的事件時(shí)有發(fā)生。1957—1967年官廳水庫內(nèi)京包線媯水河大橋橋墩在10年內(nèi)被上游冰排先后剪斷；1962年春季，黃河武開江形成的大塊冰排流經(jīng)三道坎大橋時(shí)，對(duì)橋墩的擠壓使該橋振幅達(dá)到2 cm以上，凌汛部門緊急使用炸藥爆破炸開大面積冰排以及冰排堆積的冰壩才保證了大橋安全。對(duì)于冰荷載對(duì)橋墩破壞機(jī)理及防護(hù)方案的研究，國外起步較早，研究較為深入，提出了一些經(jīng)驗(yàn)公式、理論模型；我國研究起步雖晚，但近些年發(fā)展較快，很多研究內(nèi)容寫入相應(yīng)規(guī)范，指導(dǎo)橋墩采取相應(yīng)防冰措施。

水庫結(jié)冰對(duì)橋墩危害［1］大致有以下幾種形式：一是墩體上游大面積冰層向下游整體呈移動(dòng)趨勢，橋墩阻擋，冰層橫向靜載推力過大導(dǎo)致墩體受到破壞；二是在春季冰層開始融化時(shí)，上游流動(dòng)的冰排不斷撞擊墩體致使橋墩受到破壞；三是墩體在周圍冰體凍融循環(huán)作用下引起墩體裂紋、掉塊，引發(fā)墩體表層鋼筋生銹，進(jìn)而引起整個(gè)墩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變小。

豐沙鐵路永定河四號(hào)大橋（下行14#橋、上行16#橋），修建在北京永定河落坡嶺水庫之上，落坡嶺水庫上游地勢較高，下游地勢較低，落差較大，周圍山體環(huán)繞，地勢險(xiǎn)要。該橋修建時(shí)間較早，下行14#橋?yàn)檑毓?，修建?971年，全長244.1 m，上行16#橋?yàn)殇摌颍藿ㄓ?955年，2座橋修建初期未考慮冰荷載對(duì)墩體的影響。為預(yù)防水庫結(jié)冰對(duì)橋墩產(chǎn)生影響，工務(wù)段對(duì)2座橋安裝風(fēng)動(dòng)機(jī)擾動(dòng)墩體周圍活水，進(jìn)行風(fēng)動(dòng)破冰。但風(fēng)動(dòng)破冰耗能較大，且冰體容易堵塞風(fēng)動(dòng)管路，維修困難，后續(xù)還需人工破冰，綜合考慮后暫停該種方法，采用人工破冰方法（見圖1）。但是人工破冰存在工作效率低、重復(fù)勞動(dòng)、危險(xiǎn)性高、占用維修工時(shí)多等諸多缺點(diǎn)。因此，亟需研究冬季水庫內(nèi)冰層對(duì)橋墩擠壓破壞機(jī)理，提出可靠的破冰措施，并驗(yàn)證其可行性。

圖1 工人破冰作業(yè)

落坡嶺水庫處于華北較為寒冷地區(qū)，最低溫度-20℃左右，11月底墩體周圍開始結(jié)冰，水庫封凍，橋墩周圍冰層厚度最大為0.6 m，且橋體周圍山體環(huán)繞，冰層不容易融化，一般在來年3月中旬開始融化，封凍持續(xù)時(shí)間較長。

2 落坡嶺橋橋墩冰荷載計(jì)算

2.1 橋梁冰荷載基礎(chǔ)計(jì)算資料[2]

2.1.1 設(shè)計(jì)水位

根據(jù)工務(wù)段多年觀測，橋墩結(jié)冰線位置跟檔案資料相符合，距離橋墩底部8.7 m，該位置水位高度與檔案資料中的常水位線相符合，此處橋墩橫截面直徑為4.3 m。

2.1.2 冰厚度

一般取百年一遇最大冰厚度的0.8倍，結(jié)合水文資料，實(shí)際結(jié)冰厚度0.6 m，計(jì)算厚度為0.5 m。

2.1.3 冰強(qiáng)度

參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［3］要求，該處墩體周圍冰體強(qiáng)度為750 kN/m2。

2.1.4 墩形系數(shù)

我國規(guī)范大多根據(jù)墩形系數(shù)計(jì)算冰荷載，取值見表1。該處迎冰面墩體是圓弧形，取系數(shù)為0.90。

表1 橋墩平面形狀與墩形系數(shù)

2.1.5 其他

根據(jù)水庫管理部門多年實(shí)測冰的流速取值0.68 m/s。流冰尺寸根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》要求，假定為正方形，取3#橋墩為試驗(yàn)墩，橋梁孔徑32 m作為邊長。橋墩受到冰層橫向作用力方向與水流方向相同，橫橋向夾角42°。

2.2 橋墩冰荷載計(jì)算

2.2.1 上游側(cè)冰排擠壓力

（1）依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，通用冰荷載為：

式中：Fi為冰荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；m為墩形系數(shù)，參照表1；Ct為冰溫系數(shù)，取1.0；b為迎冰面投影寬，m；t為冰厚，m；Rik為冰抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取0℃時(shí)最大值750 kN/m2。

計(jì)算后得到冰排擠壓力Fi=1 451.3 kN。

（2）依據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》［4］中冰排對(duì)橋墩產(chǎn)生的極限擠壓冰力標(biāo)準(zhǔn)值為：

式中：FI為極限擠壓冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；I為冰局部擠壓系數(shù)，取3.8；m為墩形系數(shù)，參照表1；k為接觸條件系數(shù)，取0.32；B為迎冰面投影寬，m；H為冰厚，m；σc為冰抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取0℃時(shí)最大值750 kN/m2。

計(jì)算后得到冰排擠壓力FI=1 764.72 kN。

在建立模型時(shí)，冰排擠壓力選取最不利荷載的數(shù)值，因此，3#橋墩所受冰排擠壓力為1 764.72 kN，其作用方向與流水方向一致，橫橋向夾角42°。

2.2.2 上游側(cè)流冰撞擊力

（1）依據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》中流冰撞擊力為：

式中：Fz為流冰撞擊力，kN；H為冰厚，m；V為冰流速，取0.68 m/s；I為冰局部擠壓系數(shù)，取3.8；k為接觸條件系數(shù)，取0.32；A為冰塊計(jì)算面積，m2；σc為冰抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取0℃時(shí)最大值750 kN/m2。

計(jì)算后得到流冰撞擊力為729.42 kN。

（2）依據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］，動(dòng)冰壓力為：

式中：Fi1為冰塊撞擊橋墩產(chǎn)生的動(dòng)冰壓力，kN；v為冰流動(dòng)速度，m/s；δi為冰厚，m；A為冰塊面積，m2；fic為冰的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取0℃時(shí)最大值0.75 MPa。

計(jì)算后得到流冰撞擊力為659.56 kN。

在建立模型時(shí)冰排擠壓力選取最不利荷載的數(shù)值，因此，3#橋墩所受流冰撞擊力為729.42 kN，其作用方向與流水方向一致，橫橋向夾角42°。

2.2.3 橋墩周圍冰層產(chǎn)生的溫度膨脹力

依據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》中溫度膨脹力為：

式中：Fi2為靜冰擠壓力，kN；m為墩形系數(shù)，參照表1；fib為冰的抗擠壓強(qiáng)度，取0℃時(shí)最大值750 kN/m2；B為迎冰面投影寬，m；δi為冰厚，m。

計(jì)算后得到溫度膨脹力為1 451.3 kN。

2.2.4 靜冰作用引起的豎向附加力

依據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》與《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，根據(jù)冰與墩身的溫度膨脹力作法向力，再乘以摩擦系數(shù)作為豎向附加力，橋墩與冰層摩擦系數(shù)取值為0.3，溫度膨脹力為1 451.3 kN時(shí)，靜冰作用下引起的豎向附加力為435.4 kN。

2.2.5 墩體抗傾覆驗(yàn)算

依據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》［6］與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定，按照作用于橋墩的冰荷載取最不利荷載冰排擠壓力1 764.72 kN進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算；經(jīng)過計(jì)算得到抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)4.2，大于規(guī)范中要求的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)1.5，符合要求。

3 豐沙鐵路永定河四號(hào)大橋橋墩冰荷載破壞分析

3.1 模型建立

采用三維實(shí)體單元建立3#橋墩立體模型（見圖2），各部位之間通過綁定銜接。結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用與技術(shù)檔案一致，橋墩外圍加固層鋼筋與墩體密切接觸，橋墩底部采用固定方式作為邊界條件。

圖2 3#橋墩立體模型

3.2 墩體冰荷載數(shù)值分析

3.2.1 冰排擠壓力作用下的數(shù)值

利用有限元模擬軟件，模擬上游側(cè)大面積冰排擠壓力作用下3#橋墩的穩(wěn)定性。同時(shí)，3#橋墩受到自身重力作用，加之橋面部分傳遞的荷載作用，查閱技術(shù)檔案資料，墩頂左側(cè)支撐墊石拉應(yīng)力為0.17 MPa，墩頂右側(cè)支撐墊石壓應(yīng)力為0.98 MPa，對(duì)橋墩模型添加上述荷載。利用ABAQUS/Standard求解器，對(duì)建立的冰橋模型進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，得到冰排擠壓力時(shí)程曲線見圖3。冰排與橋墩接觸初期，冰排作用力迅速變大，快速達(dá)到冰層的屈服強(qiáng)度，冰排與橋墩作用中后期增大幅度變慢，最大冰排擠壓力值可到1 400 kN。

圖3 冰排擠壓力時(shí)程曲線

3.2.2 冰排擠壓力作用下的受力

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］條文規(guī)定，3#橋墩設(shè)定為鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件，經(jīng)過模型分析計(jì)算，3#橋墩在冰排擠壓力作用下受到的正截面受壓承載力，符合規(guī)范中正截面受壓和正截面抗彎檢算要求。

根據(jù)模型模擬得到的3#橋墩體底部應(yīng)力云圖見圖4，3#橋墩體結(jié)構(gòu)最外側(cè)混凝土受到的縱向拉應(yīng)力是0.82 MPa，大于C10混凝土自身的抗拉強(qiáng)度0.71 MPa，因此，不符合裂縫驗(yàn)算要求。

圖4 3#橋墩體底部應(yīng)力云圖

4 船頭式破冰體防護(hù)裝置設(shè)計(jì)及預(yù)期應(yīng)用效果

4.1 船頭式破冰體結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)

船頭式破冰體方案設(shè)計(jì)理念來源于破冰船的破冰原理，在上游側(cè)橋墩墩身冰層位置安裝一個(gè)尖端形狀結(jié)構(gòu)裝置，落坡嶺水庫放水條件下，上游大面積冰排向下移動(dòng)，擠壓橋墩。該結(jié)構(gòu)裝置利用尖端作用于冰層面，而后續(xù)冰層繼續(xù)向橋墩兩側(cè)分散作用力，減小對(duì)橋墩的作用力。船頭式破冰體結(jié)構(gòu)立面見圖5。

圖5 船頭式破冰體結(jié)構(gòu)立面

破冰體設(shè)置于墩體上游側(cè)迎冰面，破冰尖面向上游側(cè)，冰面以上外漏1.25 m，冰面以下1.25 m；迎冰面破冰尖背部弧形板采用整體式鋼板，背對(duì)冰面?zhèn)炔捎?道圍板（抱箍）與前端連接；破冰體外層鋼板采用10 mm厚鋼板，破冰體尖端安裝后為斜坡形式，尖端對(duì)接焊縫；破冰體鋼板內(nèi)側(cè)加勁肋采用150 mm×10 mm鋼板，加勁肋與鋼板采用貼邊焊接；為增加破冰體穩(wěn)定性，在兩側(cè)鋼板上、中、下水平面各采用200 mm×100 mm不等邊角鋼和75 mm等邊角鋼進(jìn)行加固連接處理；橋墩圍板（抱箍）采用6 mm厚鋼板，高0.4 m，間距0.65 m，設(shè)置3道；每道圍板（抱箍）用2個(gè)半圓拼接而成，拼接螺栓直徑24 mm；每道圍板（抱箍）與橋墩用12個(gè)直徑24 mm膨脹螺栓與橋墩相連；圍板與破冰體貼邊焊接處理；破冰尖端與抱箍焊接處增設(shè)加強(qiáng)鋼板；破冰體所有鋼構(gòu)件均采用防銹漆防腐處理，2遍底漆，2遍面漆。

4.2 破冰體結(jié)構(gòu)裝置理論預(yù)期應(yīng)用效果

通過對(duì)在3#橋墩上安裝破冰體結(jié)構(gòu)裝置建立的模型進(jìn)行分析，得到安裝破冰體前后冰排擠壓力分析步時(shí)長對(duì)比曲線（見圖6）。通過比較可知，最大冰排擠壓力值為1 087 kN，比未安裝破冰體結(jié)構(gòu)裝置時(shí)橋墩受冰排擠壓力1 400 kN減小了將近22.3%，說明破冰體結(jié)構(gòu)裝置起到了積極作用。

圖6 安裝破冰體前后冰排擠壓力分析步時(shí)長對(duì)比曲線

數(shù)值模擬分析3#橋墩最底部截面的正面承載能力和進(jìn)行裂縫控制計(jì)算（見圖7），墩身底部截面上最大壓應(yīng)力1.12 MPa，小于C10混凝土自身抗壓強(qiáng)度；最大拉應(yīng)力0.45 MPa，小于C10混凝土自身抗拉強(qiáng)度，符合裂縫驗(yàn)算要求［8］。該處截面的最大、最小主應(yīng)力均小于未安裝防護(hù)裝置條件下的應(yīng)力，故不再進(jìn)行正面承載力驗(yàn)算。

圖7 墩身底部截面應(yīng)力云圖

由此可知，安裝船頭式破冰體結(jié)構(gòu)裝置能夠滿足橋墩結(jié)構(gòu)受力的要求，下一步應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證其可行性［9］。

5 破冰體結(jié)構(gòu)裝置實(shí)際應(yīng)用效果

為驗(yàn)證3#橋墩安裝上船頭式破冰體結(jié)構(gòu)后，在水庫中冰層作用下與理論分析效果一致，保證其防護(hù)作用，現(xiàn)場也采用對(duì)比試驗(yàn)研究方法，選取3#橋墩安裝“破冰體”結(jié)構(gòu)裝置，4#橋墩不安裝“破冰體”結(jié)構(gòu)裝置，“破冰體”與3#橋墩之間設(shè)置壓力傳感器（見圖8），4#橋墩與冰層之間設(shè)置壓力傳感器。

圖8 壓力傳感器及其安裝點(diǎn)位設(shè)置

5.1 防護(hù)裝置安裝對(duì)比

結(jié)構(gòu)安裝過程中，為保證作業(yè)人員安全，選擇在該地區(qū)最冷的2018年1月，也是冰層最厚的時(shí)間段進(jìn)行安裝。防護(hù)結(jié)構(gòu)制作安裝施工順序?yàn)椋汗S加工構(gòu)件→運(yùn)送至水庫上游指定地點(diǎn)→冰層表面人工拉運(yùn)至橋墩附近→墩頂安裝倒鏈→破冰體結(jié)構(gòu)構(gòu)件就位、組裝→橋墩打眼、安裝背部套環(huán)連接螺栓（見圖9（a））。

為了與3#橋墩安裝結(jié)構(gòu)裝置形成對(duì)比，在相鄰工況條件下的4#橋墩與冰層間只安裝壓力傳感器，以便接受同樣條件下冰層的作用力（見圖9（b））。

圖9 3#橋墩和4#橋墩現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比

5.2 數(shù)據(jù)收集與分析

當(dāng)?shù)貧鉁貤l件對(duì)冰層厚度影響較大，為盡量捕捉冰體抗壓強(qiáng)度最大值，選擇在每天8：00，分別讀取3#橋墩和4#橋墩各部位壓力傳感器數(shù)值，并記錄。通過21 d有效觀測數(shù)據(jù)分析，第19 d時(shí)，水庫管理部門對(duì)上游珍珠湖水庫進(jìn)行放水，3#橋墩處所上游冰層向下游移動(dòng)，結(jié)構(gòu)裝置尖端冰層被頂裂。

通過對(duì)比分析3#橋墩和4#橋墩壓力傳感器數(shù)值，得到監(jiān)測點(diǎn)總壓力曲線（見圖10）。

圖10 3#、4#橋墩監(jiān)測點(diǎn)總壓力曲線

3#橋墩安裝防護(hù)裝置后，橋墩所受到的冰排擠壓力為280.5 kN，比未安裝防護(hù)裝置的4#橋墩受到的冰排擠壓力393.5 kN減小了28%，與有限元模型分析的降低橋墩受力22.3%的結(jié)論相符?？梢?，裝置可以有效解決橋墩受冰排擠壓力作用而破損的冰害問題［10］。

6 結(jié)束語

豐沙鐵路落坡嶺水庫中的永定河四號(hào)大橋采用了船頭式“破冰體”結(jié)構(gòu)裝置防護(hù)，破冰體與橋墩形成了一個(gè)整體防護(hù)，同時(shí)結(jié)構(gòu)前端將上游側(cè)冰層頂裂，減小橋墩受力［11］，能夠有效避免橋墩受上游冰排擠壓力作用而發(fā)生的開裂破壞問題［12］，現(xiàn)場使用效果良好（見圖11）。可消除鐵路工務(wù)部門人工破冰作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約維修用工，依靠技術(shù)創(chuàng)新，提高了橋隧管理水平［13］，該項(xiàng)技術(shù)成果在類似的水庫冰凍期橋墩冰害分析及防護(hù)措施方面具有較高的推廣和借鑒價(jià)值。

圖11 “破冰體”結(jié)構(gòu)現(xiàn)場使用效果