桥墩冰荷载破坏稳定性分析

杨伟达

（河北省高速公路管理局 河北石家庄 050031）

关键字：桥墩 静冰挤压 流冰撞击 稳定性

1 引言

在我国北方境内，冬季河流冰冻现象时有发生[1]，而冰所产生的静冰挤压力、流冰撞击力等荷载对桥梁、涵闸、水库、堤防等水工建筑物会造成不同程度的破坏作用。在近代，由于桥梁缺少必要的防护措施而被冰破坏的现象时有发生[2]。桥墩破坏原因大致三方面：冰冻层范围内水的冻融循环导致混凝土破损、开裂，进而导致钢筋锈蚀，混凝土结构强度降低；桥墩周围被大面积的冰层围绕，冰层在水流、风的作用下，存在往某个方向移动的趋势，而桥墩阻碍冰层的整体移动，来自冰层的静载推力导致桥墩破坏；在融冰期，流动的冰排不断撞击桥墩产生冲击荷载，导致桥墩破坏。因此，怎样有效的保护桥墩，减少冰冻对桥墩的破坏是目前函待解决的问题，然而研究冰荷载与桥梁相互作用是实施桥梁防护措施的前提，据此，本文基于冬季我国某水库桥墩实际情况，针对桥墩可能受到的几种常见类型冰荷载作用力大小进行了计算，并采用数值模拟的方法，分别对静冰挤压和流冰撞击作用力下桥墩的稳定性进行了评价，针对最不利冰荷载作用下桥墩的破坏形式提出了一种桥墩冰荷载破坏防护措施。

图1 大桥布置图

2 工程概况

图2 6#桥墩计算模型

本文所研究的桥梁就坐落于北京永定河流域的某水库上。该桥为典型的简支桥梁，全长共202 m，图1为全桥示意图。

由于冬季该水库上、下游存在不定期开闸放水的特殊情况，在下部水流的带动下冰层整体会产生近0.5 m 距离的移动（方向与横桥向夹角为 42°），这将对桥梁产生不可预估的危害。根据该水库桥梁设计资料可知，整座桥梁中，6 #桥墩墩间距最大且墩身最高，因此选取最具代表性的6 #桥墩进行冰荷载受力分析。整个桥墩的计算模型网格剖分见图2，共计45 789个单元，材料参数的取值见表1。

表1 计算参数

3 冰荷载计算

根据《港口工程荷载规范》JTS 144—1—2010中第12.0.1的规定[3]，桥墩受到的冰荷载主要有以下几种：冰排对墩身的挤压力、孤立流冰的撞击力。

（1）冰排挤压力

根据《港口工程荷载规范》JTS 144—1—2010中第12.0.3～12.0.6的规定，计算公式如下：式中，冰的局部挤压系数I取最大值4.0，迎冰面形状系数m取0.9，冰与墩接触系数k取0.32，墩迎冰面投影宽度B取4.3 m，冰层厚度H取0.5 m，冰的单轴抗压强度σc取最大值750 kPa。由此得到冰排挤压力 FI=1857.6kN。该作用力方向与流水方向相同，即与横桥向的夹角为42°（流水方向见相关设计图）。

（2）流冰的撞击力

根据《港口工程荷载规范》JTS 144—1—2010中第12.0.3～12.0.8的规定，计算公式如下：

式中，流冰速度V取0.68 m/s(根据泄洪流量除以过水断面面积得到，取值见相关设计资料)；流冰块面积A取 200 m2，其它参数取值同上。由此得到流冰撞击力 FZ=330.7kN。该作用力方向与流水方向相同，即与横桥向的夹角为42°。

除了上述冰荷载，还需要考虑桥墩自身的重力以及桥帽顶部所受荷载，根据设计资料，桥帽顶部左侧垫块所受荷载为压应力，取0.98 MPa，右侧垫块为拉应力，取0.17 MPa。

4 冰排挤压力作用下桥墩稳定性验算

利用数值模拟软件，将上述第2节中冰排挤压力作用于桥墩常水位层处的迎冰面，计算结果见图3所示，由位移云图可知，桥墩在冰排挤压力作用下的最大位移约为2.0 mm，位移方向与横桥向具有一定的夹角，约为42°。最大主应力的大小约为3.2 MPa，为受压状态，位于墩身左侧的底部，该压应力小于墩身和加固层的抗压强度；最小主应力的大小约为2.0 MPa，为受拉状态，大于加固层混凝土的抗拉强度。为了充分评估桥墩的安全性，下面基于《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010相关规定取两个截面对桥墩进行正面承载力验算和裂缝控制验算[4]。两个截面分别为：加固层底部（弯矩最大位置处）、纵向钢筋布置变换处。

图3 冰排挤压力条件下计算结果云图

根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010附录E.0.4的规定，沿周边均匀配置纵向普通钢筋的圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件，其正截面受压承载力宜复合下列规定：

加固层底部的纵向应力等值线如图4所示，截面直径为5.2 m，最大压应力约为2.5 MPa，最大拉应力约为1.5 MPa。受压边缘至中性轴的距离约为3.45 m，受拉边缘至中性轴的距离约为1.75 m。沿截面周围均匀布置有82根直径为18 mm的纵向钢筋，钢筋保护层厚度取15 mm。主要计算参数如下：

把以上参数代入式（3）中得到右端项等于74 301.35 kN，大于N值，符合正截面受压要求；代入式（4）中得到右端项等于51 323.08 kN·m，左端项为48 614.36 kN·m，符合正截面抗弯要求。

纵向钢筋布置变换处的纵向应力等值线如图5所示。截面直径为4.5 m，最大压应力约为1.5 MPa，最大拉应力约为0.8 MPa。受压边缘至中性轴的距离约为3.063 m，受拉边缘至中性轴的距离约为1.437 m。沿截面周围均匀布置有41根直径为18 mm的纵向钢筋，钢筋保护层厚度取15 mm。主要计算参数如下：

把以上参数代入式（3）中得到右端项等于56 700.58 kN，大于N值，符合正截面受压要求；代入式（4）中得到右端项等于31 033.99 kN·m，左端项为23 522.02 kN·m，符合正截面抗弯要求。

根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010第7.1.1的要求，混凝土的纵向受拉应力不能超过混凝土的抗拉强度，否则不符合裂缝控制验算要求。由图4和图5可知，两处截面的最外缘受拉应力皆已超过混凝土的抗拉强度，因此，不符合裂缝验算要求。

图4 加固层底部纵向应力等值线

图5 纵向钢筋变换处纵向应力等值线

5 流冰撞击下桥墩稳定性验算

流冰撞击力总合力比冰排作用力要小，因此，在流冰撞击力的作用下，其安全性要高于第（1）种情况下—冰排挤压力作用下的安全性。对流冰撞击力总合力作用下桥墩稳定性进行数值模拟研究，具体计算结果云图见图6。

图6 流冰撞击力条件下计算结果云图

6 桥墩冰荷载破坏防护方案

静冰挤压作用下墩身底部结构明显存在抗拉强度不足的情况，因此需对墩身底部进行结构加固，综合考虑运行环境、工程施工、安全性和经济性等各方面因素，为经济高效的解决桥墩冰害问题，目前，常用的防护方法主要有：（1）人工破冰法，破冰危险性高，易发生事故，且不能保证破冰的及时性；（2）压缩空气扰动水面法，费用偏高，设备维护困难；（3）包裹塑料垫，此方法与冰冻期桥墩损伤机理不符，防护效果较差；（4）水泵扰动破冰法，需要准确的流量及流量损失计算和分析，方案设计过程较复杂，经济型一般。近些年，电热融冰法、破冰体防护法、射线照射融冰法、碳纤维布加固法等方法有了一定的研究，但理论及实验研究还不透彻，尤其是与工程实际缺乏联系，更不能很好的平衡运行环境、工程施工、安全性和经济性等各方面因素[5]。目前该水库一直采用人工破冰法通过不断敲除桥墩周围冰层来尽可能的避免上述冬季冰害对桥梁的危害，该种方法任务繁重，危险性较大。

因此，本文在上述常用防护方法的基础上经过优化，提出了一种主动与被动防御相结合的“轻型套筒”桥墩冰害防治方案，通过减小冰排对桥墩作用力的方式，最终实现了防护桥墩的目的[6、7]，具体实施方式如下：

图8 钢套筒

图7 装置俯视图

“轻型钢套筒”装置经过一定防锈处理，为方便现场施工，采用两个半圆钢筒结构拼接的方式，如下图7所示。轻型钢套筒端部分别具有连接螺栓板、链接内销，并且连接插头、连接内销上分别具有通孔，用于安装螺母后完成套筒装置的拼接，如图8所示。

“轻型钢套筒”装置外围通过固定端固定橡胶浮体，橡胶浮体内部具有封闭式气腔层。橡胶浮体一是提供浮力，保证装置与水位升降的同步，二是保证装置中间高度能与常水位层处齐平，起到相应对流冰的缓冲作用。轻型套筒装置内部是中空的并且预设相应孔洞，内部平行回旋缠绕电伴热带，如图9所示。电伴热带持续的加热可维持桥墩周围水域不结冰，这样一是防止冰层在水流或风力作用下造成冰层挤压桥墩，二是防止冰层冻融循环对混凝土桥墩的影响。橡胶板通过防水性环氧树脂类粘结剂紧紧包裹于墩身上，墩身外围的橡胶板与钢套筒之间有一定间隔，防止“套筒”装置在水位起伏下过度磨损桥墩[7]。

7 结论

根据本文的分析可知，最不利冰荷载为冰排挤压力。数值模拟结果表明，流冰撞击和静冰挤压情况下的冰荷载均不会造成6 #桥墩墩身发生整体性的失稳破坏，正截面承载符合验算要求。但是，在冰排挤压力作用下，验算截面的外缘拉应力皆高于混凝土的抗拉强度，在受拉侧出现张拉裂缝，不满足混凝土承压构件的耐久性要求。因此，需要加强对桥墩的保护。

图9 装置剖面图

本文提出的“轻型钢套筒”装置既解决了冬季桥墩冰排挤压力过大的技术难题，又达到了快速安装与检修的目的，为防治该水库桥墩冰害开辟了一条安全可靠的新途径。