寒区桥梁主梁下部覆冰的冰柱形状研究

2017-05-30张旭田帅陈一鸣

科技风 2017年5期

关键词：冰柱寒区形状

张旭　田帅　陈一鸣

摘要：寒区桥梁主梁下部容易形成覆冰，本文从本专业角度出发，通过室内试验及实地考察，对覆冰冰柱的形状进行研究和分析，给出冰柱消除的合理化建议。

关键词：寒区；主梁下部；冰柱；形状

1 冰柱的形成[ 1 ]

橋面融化的雪水是冰柱产生的物质基础，雪水顺着主梁下部缓慢流淌，在桥下冷空气的作用下凝结，形成覆冰，随着时间的发展，冰体继续向下发展，形成冰柱，冰柱在达到极限的形状时，会在风荷载及自重作用下发生断裂，从而冰柱破坏。

2 冰柱的调查统计

以东北地区为例，对其外形和尺寸调查研究，见图1所示，图1（b）来源于百度网。

通过调查可知，冰柱形成于大雪后，温度在0℃左右时形成。主梁下部并不是局限在冰柱形式上，多数是以冰排形式出现，即若干根冰柱根部连接在一起，共同形成和发展。

主梁下部的冰排长度在1.0m左右的较为常见，但长度在2.0m以上的，也有很多。以图1（b）中的单根冰柱为例，该冰柱长度至少在2.0m以上，最大截面处的直径至少为5cm。另外，通过调查发现，冰柱的形状近似以圆锥体为主。

3 冰柱的物理实验[ 2 ]

制作7cm×7cm×17.5cm的试件，进行冰体的单轴压缩实验，在0℃时，测出冰体的抗压强度为1.61Mpa。制作10cm×5cm×35 cm的试件，进行冰体的弯曲实验，在0℃时，测出冰体的抗弯强度为1.02Mpa。制作3cm×12cm的试件，进行冰体的拉伸实验，在0℃时，测出冰体的拉伸强度为0.53Mpa。从冰体的强度数据可以看出，冰柱的拉伸强度最小，约为抗压强度的1/3。实际冰柱中，冰体不密实，所以冰柱的强度按实验强度的0.5倍取值，即冰柱抗弯强度为0.51 Mpa，拉伸强度为0.26 Mpa。

4 冰柱在自重作用下的外形尺寸分析

假设冰柱根部直径为D，长度为L，g为9.8N/kg，冰的密度為0.9g/cm3，根据G=ρVg，可求出冰柱的重力，根据应力的推导关系式，可整理出冰柱自重与其拉应力的关系式：

很显然，冰柱的长度L与根部直径D无关。当[？滓拉]取0.26Mpa时，冰柱的极限长度为88m。这个数据是不可能的，首先桥面融化的雪水不可能流到这个长度；其次，桥梁也没有这个建筑高度；另外，当冰柱的长度超过3m时，很容易发生弯折断裂。

5 冰柱在风载作用下的外形尺寸分析[ 3 ]

风荷载按照公路桥涵设计通用规范选取，公式为FWh=k0K1K3Wd AWh。其中，K0、K1、K2均取1.0，风速按取31.4m/s，风压取0.5KN/m2，迎风面积按照冰柱侧面积的一半计算。圆锥的重心距离圆锥底面 H/4 处。

根据应力的推导关系式，可整理出冰柱受力与其弯折应力的关系式：

很显然，冰柱的长度L与根部直径D相关。当[？滓弯折]取0.51 Mpa，D为5cm时，L为1.12m。当[？滓弯折]取0.51 Mpa，L为2m时，D为8.9cm。很显然，按照风载做计算，冰柱的外形尺寸与实际调查十分接近。

辽东地区是以辽东半岛为代表的辽河以东地区，本节是按照鞍山地区取的风速和风压，因此冰柱在鞍山地区的最大长度可为2m，根部最大直径为8.9cm。

6 冰柱消除的合理化建议

在市政桥梁中，冰柱在发展到1.0m长度时，必须将其铲除。从设计角度上讲，桥梁上部要做好防护栏和防撞墙的设计，特别是伸缩缝处，以减小雪水向下的流淌来源，这样主梁下部的冰柱会更小，不至于伤人伤车。

参考文献：

[1] 蔡琳，等.中国江河冰凌[M].郑州：黄河水利出版社，2008.