寒區鋼棧橋抗流冰加強措施探究

孫世鑫，鄒純帥

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

鋼棧橋作為運輸材料、設備以及人員而修建的臨時橋梁設施，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，給國家帶來巨大的經濟損失，威脅到人民的生命安全，所以流冰事故引起了政府有關部門的高度重視。我國大多數水利部門很早就投入到冰凌、凌汛的數據的采集工作中。長期觀測北方野外的冰情，并對觀測的數據進行分析，開展防、抗、治冰研究和冰情預報工作，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境下的加強措施及驗證研究難度較大。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措施進行了分析與有限元驗證，為類似工程提供參考。

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（半濕潤型）中溫帶季風氣候特征，年平均氣溫6.1℃，歷史最低氣溫-33℃，冬季時間長，河流形成冰層較厚，不利于施工。

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

2 流冰與鋼棧橋的相互作用

2.1 流冰對鋼棧橋的作用形式

高緯度地區臨時鋼棧橋在春季融冰時期面臨冰排擠壓、流冰撞擊、溫度膨脹的影響。對于內陸江河的鋼棧橋，冬季時節冰情演變分為結冰期、封凍期、解凍期三個階段。

結冰期期間，水面開始封凍，封凍期間鋼管樁周邊被大面積冰層緊密環繞，在冰面下水流及冰面上風的作用下產生整體移動趨勢，鋼管樁會不斷受到具有移動趨勢冰層的擠壓，使冰層產生破碎；此外，在封凍期間，鋼管樁周邊冰層密度和體積并不均勻，使相應的冰層膨脹，對鋼管樁產生溫度膨脹力；附著在鋼管樁的大體積冰層還會對鋼管樁產生豎向附加力，導致冰層上下浮動；在解凍期，冰凌面積達到上百平方公里，細碎的冰塊隨流水不斷對鋼管樁進行撞擊，相當于鋼管樁指定區域位置不斷承受流冰撞擊荷載，對材料性質會產生很大影響。以上都是河冰對鋼棧橋的作用形式。

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雜，且荷載的作用大小與鋼管樁接觸的冰的破壞形式有關。根據國外統計資料，鋼管樁在流冰作用下常見的破壞形式包括的形式如下：最為常見的是冰排撞擊對鋼管樁表面的損傷，可見的損傷包括鋼管樁表面材料的脫落，出現窩孔和剝落，或流冰沖擊導致鋼管樁變形，甚至導致單樁發生垮塌破壞。

另一種破壞形式則主要發生在冰封期期間，氣候極為寒冷，河道冰層凍結程度極高，冰排與鋼管樁緊密接觸，溫度變化使冰排產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，冰排對鋼管樁的擠壓作用相對于鋼管樁整體為剪切作用，當冰排體積極大凍結程度非常高時，甚至可能會使鋼棧橋整體發生剪切破壞。

3 鋼棧橋抗冰加固方案

為了確保鋼棧橋的絕對安全，同時兼顧施工的經濟性，決定在原有鋼棧橋基礎上加設抗冰防護裝置。抗冰防護裝置需要直接保護鋼棧橋鋼管樁，劈裂隨水流而至的巨大冰塊，并導流碎裂的冰塊，盡可能避免冰塊對鋼棧橋鋼管樁產生沖擊作用。將相應的抗冰防護裝置與鋼棧橋連接起來，保證鋼管樁在凌汛期間流冰的不斷沖擊作用下絕對安全的情況下盡可能挖掘鋼棧橋整體結構的強度潛力，以減少材料的用量和抗冰防護裝置的建立難度，降低抗冰防護裝置的造價，保證相應結構施工的經濟性。截取鋼棧橋于河流中心處的兩跨鋼棧橋標準節段為例，對鋼棧橋抗冰防護裝置的布置情況進行說明，如圖1所示。

圖1 河流中心處五跨鋼棧橋標準節段抗冰防護裝置布置圖

抗冰防護裝置布置在現有鋼棧橋的上游與鋼棧橋鋼管樁對應區域，根據水流方向在鋼管樁逆水流方向布置破冰樁。經過現場實驗和理論計算，將破冰樁布置在鋼棧橋靠近上游一側的鋼管樁3m位置處，且位于橫橋向一聯鋼管樁所連成的直線上。破冰樁所采用的規格和鋼管樁相同，采用整體制作方式，由施工現場多余鋼板焊接而成，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，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度來進行破冰作業的，而是通過在相應位置處加裝破冰裝置來進行。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證

為了對鋼棧橋抗冰加固方案進行驗證，運用有限元軟件MIDAS Civil建立鋼棧橋加固后有限元模型，在模型中布置相應的破冰裝置。鋼材屈服強度如表1所示。

表1 鋼材屈服強度表

考慮河冰厚度為達1.2m厚、撞擊力為80kN的最不利情況進行驗證。由于對鋼棧橋上游冰層進行了預爆破處理，極大地減小了冰塊的撞擊力，本次模型驗證中將此作為鋼棧橋的強度儲備，不考慮折減。并考慮荷載在破冰樁破冰裝置上滿布的極端情況，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。有限元計算結果如圖4所示。

圖4 加固后鋼棧橋應力圖

由圖4可知，鋼棧橋上部貝雷梁基本不受應力，鋼管樁設置破冰樁位置所受應力比其他位置更大，破冰裝置所受應力由尖部向尾部呈放大趨勢。鋼棧橋梁單元最大應力為176MPa＜σs=235MPa，出現在部分鋼管樁頂部，破冰裝置最大應力為46.7MPa＜σs=235MPa，出現在裝置尾部。總體來說，結構大部分所受應力較小，證明提出的鋼棧橋加強措施能夠保證鋼棧橋在凌汛期間流冰作用下的安全。

5 結語

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措施，并通過MIDAS Civil軟件建立鋼棧橋有限元模型，在模型中布置相應的破冰裝置，研究鋼棧橋與破冰裝置在最不利情況作用下的受力，得到如下結論：

（1）封凍、解凍等期間，冰層與鋼管樁接觸形式的復雜性均會導致冰排對鋼管樁產生不同程度的破壞，解凍期流冰對鋼管樁的撞擊造成的危害最為嚴重。

（2）給出了神洞大橋鋼棧橋的抗冰加強措施，對相應破冰樁的規格及建設方式作出了詳細的說明，并考慮施工經濟性，對破冰樁與鋼棧橋的連接形式作出了改進。

（3）通過有限元模型計算結果可知，加固后鋼棧橋鋼管樁最大應力為176MPa，破冰裝置最大應力為46.7MPa，均小于鋼材屈服強度，滿足鋼棧橋抗擊流冰作用的需求。