寒区钢栈桥抗流冰加强措施探究

孙世鑫，邹纯帅

（1.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150006；2.哈尔滨市众泰众利建筑工程技术咨询有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

钢栈桥作为运输材料、设备以及人员而修建的临时桥梁设施，在桥梁施工中起着重要作用。因流冰而造成的钢栈桥垮塌事故，给国家带来巨大的经济损失，威胁到人民的生命安全，所以流冰事故引起了政府有关部门的高度重视。我国大多数水利部门很早就投入到冰凌、凌汛的数据的采集工作中。长期观测北方野外的冰情，并对观测的数据进行分析，开展防、抗、治冰研究和冰情预报工作，加固桥梁、防洪大堤、修建分洪引洪工程、在凌汛期采取破冰排冰措施，为最大程度上防治和降低流冰破坏奋斗。

不同于针对普通桥梁抗冰研究，钢栈桥与河冰之间的相互作用以及钢栈桥在流冰环境下的加强措施及验证研究难度较大。本文以黑龙江省牡丹江神洞大桥工程为背景，对钢栈桥在流冰作用下的破坏形式、流冰与钢栈桥之间的相互作用以及钢栈桥的加强措施进行了分析与有限元验证，为类似工程提供参考。

1 工程概况

神洞大桥位于黑龙江省东南部牡丹江东宁市中东部，该地域受海陆巨大热力差异的影响，形成海洋（半湿润型）中温带季风气候特征，年平均气温6.1℃，历史最低气温-33℃，冬季时间长，河流形成冰层较厚，不利于施工。

施工临时钢栈桥采用装配式公路钢桥，全长162m。钢栈桥下部钢管桩直径529mm，壁厚8mm，在流冰作用下易发生屈曲变形，进而引发倒塌事故。

2 流冰与钢栈桥的相互作用

2.1 流冰对钢栈桥的作用形式

高纬度地区临时钢栈桥在春季融冰时期面临冰排挤压、流冰撞击、温度膨胀的影响。对于内陆江河的钢栈桥，冬季时节冰情演变分为结冰期、封冻期、解冻期三个阶段。

结冰期期间，水面开始封冻，封冻期间钢管桩周边被大面积冰层紧密环绕，在冰面下水流及冰面上风的作用下产生整体移动趋势，钢管桩会不断受到具有移动趋势冰层的挤压，使冰层产生破碎；此外，在封冻期间，钢管桩周边冰层密度和体积并不均匀，使相应的冰层膨胀，对钢管桩产生温度膨胀力；附着在钢管桩的大体积冰层还会对钢管桩产生竖向附加力，导致冰层上下浮动；在解冻期，冰凌面积达到上百平方公里，细碎的冰块随流水不断对钢管桩进行撞击，相当于钢管桩指定区域位置不断承受流冰撞击荷载，对材料性质会产生很大影响。以上都是河冰对钢栈桥的作用形式。

2.2 钢栈桥在流冰作用下的破坏形式

冰荷载在钢栈桥钢管桩上的作用极为复杂，且荷载的作用大小与钢管桩接触的冰的破坏形式有关。根据国外统计资料，钢管桩在流冰作用下常见的破坏形式包括的形式如下：最为常见的是冰排撞击对钢管桩表面的损伤，可见的损伤包括钢管桩表面材料的脱落，出现窝孔和剥落，或流冰冲击导致钢管桩变形，甚至导致单桩发生垮塌破坏。

另一种破坏形式则主要发生在冰封期期间，气候极为寒冷，河道冰层冻结程度极高，冰排与钢管桩紧密接触，温度变化使冰排产生体积膨胀或体积收缩使，从而使钢管桩受到冰排的缓慢挤压作用，冰排对钢管桩的挤压作用相对于钢管桩整体为剪切作用，当冰排体积极大冻结程度非常高时，甚至可能会使钢栈桥整体发生剪切破坏。

3 钢栈桥抗冰加固方案

为了确保钢栈桥的绝对安全，同时兼顾施工的经济性，决定在原有钢栈桥基础上加设抗冰防护装置。抗冰防护装置需要直接保护钢栈桥钢管桩，劈裂随水流而至的巨大冰块，并导流碎裂的冰块，尽可能避免冰块对钢栈桥钢管桩产生冲击作用。将相应的抗冰防护装置与钢栈桥连接起来，保证钢管桩在凌汛期间流冰的不断冲击作用下绝对安全的情况下尽可能挖掘钢栈桥整体结构的强度潜力，以减少材料的用量和抗冰防护装置的建立难度，降低抗冰防护装置的造价，保证相应结构施工的经济性。截取钢栈桥于河流中心处的两跨钢栈桥标准节段为例，对钢栈桥抗冰防护装置的布置情况进行说明，如图1所示。

图1 河流中心处五跨钢栈桥标准节段抗冰防护装置布置图

抗冰防护装置布置在现有钢栈桥的上游与钢栈桥钢管桩对应区域，根据水流方向在钢管桩逆水流方向布置破冰桩。经过现场实验和理论计算，将破冰桩布置在钢栈桥靠近上游一侧的钢管桩3m位置处，且位于横桥向一联钢管桩所连成的直线上。破冰桩所采用的规格和钢管桩相同，采用整体制作方式，由施工现场多余钢板焊接而成，与钢栈桥钢管桩相同采用的直径为529mm，壁厚为8mm，使用Q235材质，高度为12m，打入深度与钢栈桥钢管桩相同。破冰桩不是依靠钢管桩自身的强度来进行破冰作业的，而是通过在相应位置处加装破冰装置来进行。破冰装置的具体形式为由两块钢板拼接而成，拼接角度为30°，从其平面布置图上来看为锥状布置，破冰装置及破冰桩连接立面图如图2、3所示。

图2 单根破冰桩破冰装置布置图（单位：mm）

图3 破冰桩连接布置立面图（单位：mm）

4 钢栈桥抗冰加固方案有限元验证

为了对钢栈桥抗冰加固方案进行验证，运用有限元软件MIDAS Civil建立钢栈桥加固后有限元模型，在模型中布置相应的破冰装置。钢材屈服强度如表1所示。

表1 钢材屈服强度表

考虑河冰厚度为达1.2m厚、撞击力为80kN的最不利情况进行验证。由于对钢栈桥上游冰层进行了预爆破处理，极大地减小了冰块的撞击力，本次模型验证中将此作为钢栈桥的强度储备，不考虑折减。并考虑荷载在破冰桩破冰装置上满布的极端情况，以保障钢栈桥的安全。栈桥冰荷载以均布荷载形式加载至破冰装置上，均布荷载大小为80kN/m2。有限元计算结果如图4所示。

图4 加固后钢栈桥应力图

由图4可知，钢栈桥上部贝雷梁基本不受应力，钢管桩设置破冰桩位置所受应力比其他位置更大，破冰装置所受应力由尖部向尾部呈放大趋势。钢栈桥梁单元最大应力为176MPa＜σs=235MPa，出现在部分钢管桩顶部，破冰装置最大应力为46.7MPa＜σs=235MPa，出现在装置尾部。总体来说，结构大部分所受应力较小，证明提出的钢栈桥加强措施能够保证钢栈桥在凌汛期间流冰作用下的安全。

5 结语

本文分析了河冰与钢栈桥之间的相互作用形式，研究了河冰与钢管桩之间的相互作用以及两者之间的破坏形式，提出了一种钢栈桥加强措施，并通过MIDAS Civil软件建立钢栈桥有限元模型，在模型中布置相应的破冰装置，研究钢栈桥与破冰装置在最不利情况作用下的受力，得到如下结论：

（1）封冻、解冻等期间，冰层与钢管桩接触形式的复杂性均会导致冰排对钢管桩产生不同程度的破坏，解冻期流冰对钢管桩的撞击造成的危害最为严重。

（2）给出了神洞大桥钢栈桥的抗冰加强措施，对相应破冰桩的规格及建设方式作出了详细的说明，并考虑施工经济性，对破冰桩与钢栈桥的连接形式作出了改进。

（3）通过有限元模型计算结果可知，加固后钢栈桥钢管桩最大应力为176MPa，破冰装置最大应力为46.7MPa，均小于钢材屈服强度，满足钢栈桥抗击流冰作用的需求。