寒區(qū)橋梁主梁下部覆冰的冰柱形狀研究

張旭　田帥　陳一鳴

摘 要：寒區(qū)橋梁主梁下部容易形成覆冰，本文從本專業(yè)角度出發(fā)，通過室內(nèi)試驗及實地考察，對覆冰冰柱的形狀進行研究和分析，給出冰柱消除的合理化建議。

關(guān)鍵詞：寒區(qū)；主梁下部；冰柱；形狀

1 冰柱的形成[ 1 ]

橋面融化的雪水是冰柱產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，雪水順著主梁下部緩慢流淌，在橋下冷空氣的作用下凝結(jié)，形成覆冰，隨著時間的發(fā)展，冰體繼續(xù)向下發(fā)展，形成冰柱，冰柱在達到極限的形狀時，會在風(fēng)荷載及自重作用下發(fā)生斷裂，從而冰柱破壞。

2 冰柱的調(diào)查統(tǒng)計

以東北地區(qū)為例，對其外形和尺寸調(diào)查研究，見圖1所示，圖1（b）來源于百度網(wǎng)。

通過調(diào)查可知，冰柱形成于大雪后，溫度在0℃左右時形成。主梁下部并不是局限在冰柱形式上，多數(shù)是以冰排形式出現(xiàn)，即若干根冰柱根部連接在一起，共同形成和發(fā)展。

主梁下部的冰排長度在1.0m左右的較為常見，但長度在2.0m以上的，也有很多。以圖1（b）中的單根冰柱為例，該冰柱長度至少在2.0m以上，最大截面處的直徑至少為5cm。另外，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，冰柱的形狀近似以圓錐體為主。

3 冰柱的物理實驗[ 2 ]

制作7cm×7cm×17.5cm的試件，進行冰體的單軸壓縮實驗，在0℃時，測出冰體的抗壓強度為1.61Mpa。制作10cm×5cm×35 cm的試件，進行冰體的彎曲實驗，在0℃時，測出冰體的抗彎強度為1.02Mpa。制作3cm×12cm的試件，進行冰體的拉伸實驗，在0℃時，測出冰體的拉伸強度為0.53Mpa。從冰體的強度數(shù)據(jù)可以看出，冰柱的拉伸強度最小，約為抗壓強度的1/3。實際冰柱中，冰體不密實，所以冰柱的強度按實驗強度的0.5倍取值，即冰柱抗彎強度為0.51 Mpa，拉伸強度為0.26 Mpa。

4 冰柱在自重作用下的外形尺寸分析

假設(shè)冰柱根部直徑為D，長度為L，g為9.8N/kg，冰的密度為0.9g/cm3，根據(jù)G=ρVg，可求出冰柱的重力，根據(jù)應(yīng)力的推導(dǎo)關(guān)系式，可整理出冰柱自重與其拉應(yīng)力的關(guān)系式：

很顯然，冰柱的長度L與根部直徑D無關(guān)。當(dāng)[？滓拉]取0.26Mpa時，冰柱的極限長度為88m。這個數(shù)據(jù)是不可能的，首先橋面融化的雪水不可能流到這個長度；其次，橋梁也沒有這個建筑高度；另外，當(dāng)冰柱的長度超過3m時，很容易發(fā)生彎折斷裂。

5 冰柱在風(fēng)載作用下的外形尺寸分析[ 3 ]

風(fēng)荷載按照公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范選取，公式為FWh=k0K1K3Wd AWh。其中，K0、K1、K2均取1.0，風(fēng)速按取31.4m/s，風(fēng)壓取0.5KN/m2，迎風(fēng)面積按照冰柱側(cè)面積的一半計算。圓錐的重心距離圓錐底面 H/4 處。

根據(jù)應(yīng)力的推導(dǎo)關(guān)系式，可整理出冰柱受力與其彎折應(yīng)力的關(guān)系式：

很顯然，冰柱的長度L與根部直徑D相關(guān)。當(dāng)[？滓彎折]取0.51 Mpa，D為5cm時，L為1.12m。當(dāng)[？滓彎折]取0.51 Mpa，L為2m時，D為8.9cm。很顯然，按照風(fēng)載做計算，冰柱的外形尺寸與實際調(diào)查十分接近。

遼東地區(qū)是以遼東半島為代表的遼河以東地區(qū)，本節(jié)是按照鞍山地區(qū)取的風(fēng)速和風(fēng)壓，因此冰柱在鞍山地區(qū)的最大長度可為2m，根部最大直徑為8.9cm。

6 冰柱消除的合理化建議

在市政橋梁中，冰柱在發(fā)展到1.0m長度時，必須將其鏟除。從設(shè)計角度上講，橋梁上部要做好防護欄和防撞墻的設(shè)計，特別是伸縮縫處，以減小雪水向下的流淌來源，這樣主梁下部的冰柱會更小，不至于傷人傷車。

參考文獻：

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[2] 蔡之瑞，孫柏濤，郭世榮，等.冰荷載的實驗研究與計算方法[J].地震工程與工程振動，1997，17（4）：49-56.

[3] 中交公路規(guī)劃設(shè)計院.JTG D60-2004.公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社.

附注說明：

本文為遼寧科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（項目編號201510146023）的階段性研究成果。