中国冰荷载实验研究概况

中国冰荷载实验研究概况

1海洋平台的冰荷载在中国黄河以北，尤其是新疆、内蒙古和东北三省的山区，冬季覆盖范围低于季节。特别是在黑龙江省的偏远地区，一年中只有100天。每年4月和11月开始融化。位于高寒地区中的河流上的各种建筑物和构筑物在设计建造时,作为重要外荷载之一的冰荷载必须考虑。从50年代起我国许多地方的工程结构物在冰荷载的作用下遭到破坏。例如1957年位于官厅水库中的桥梁的墩台被剪断,密云水库中桥梁墩台也是这样被冰力剪断的;60年代渤海湾中的海洋平台2号,4号平台的烽火台被冰荷载撞倒;每年春季黄河均产生冰凌,对位于河中的水坝、桥梁造成很大威胁,因而必须在形成流冰冰凌地方进行爆破或动用飞机空投炸弹将大片冰凌炸碎,如1996年1月～2月间黄河的冰凌就是用空军投炸弹破碎的。凡此种种事例很多。为保护海洋平台免遭冰荷载的破坏,每年冬季渤海石油总公司就组织有关设计、施工建设单位联合科研部门研究减少冰荷载作用的措施和保护现有海洋平台的正常运作。此外,松花江的依兰县境内的一段,春季经常被流冰堆聚在一起,使河道堵塞。国外流冰引起桥梁和水工建筑破坏者时有发生。如1991年春,美国缅因州的一座钢筋混凝土大桥因被流冰撞击而倒毁。流冰对海洋平台造成的危害更是屡屡可见。为此美国石油部所属研究所还专门制订了导管架平台在冰环境中的规划设计、施工规程。前苏联制订了专门的标准冰荷载规定,对冰荷设有计算公式,不同地区有相应的调正系数。又如日本北海道大学有专门从事冰荷载研究的人员,对冰荷载也有规定和计算公式。此外,如加拿大、德国、英国、挪威等均设有冰荷载的专门规定。英国在北海中的RC平台就考虑了冰荷载的作用。应该指出的是,国外研究冰荷载多为研究海洋冰,但前苏联内陆幅员辽阔,对内陆河川冰荷载研究很重视。我国研究冰荷载的单位多数是对海洋冰进行研究实验,只有少数几个科研单位专门研究河川冰荷载。我国研究海洋冰力学、冰荷载的单位有大连理工大学、天津大学等、它们都有冰力学实验室,开展实验研究。2关于冰负荷的规定和表达形式(1)冰的抗压碎强度1)冰的极限强度应根据实验确定,当无实验资料时,容许采用以下值:对国内Ⅰ类地区:a)冰的抗压碎(考虑局部挤压)极限强度R21:流冰的开始阶段(最初移动)——735千帕(75tf/m2);流冰的最高水位——441千帕(45tf/m2);b)冰的抗弯极限强度Rm1为冰的抗压碎极限强度的70%(按(a)项):对国内其他地区根据以下公式确定:Rzn=KnRzl(1)Rmn=0.7Rzn(2)Rzn=ΚnRzl(1)Rmn=0.7Rzn(2)式中n,国内各地区的地区系数。地区界限及其对应的地区系数应根据表1确定。在此情况下对零度以下解冻的河流,应采用不低于2的地区系数。对于冰冻到河底的河流,如果流冰开始于春季开江冰流过之后,冰的抗压碎强度极限应根据实际资料取值(考虑解冻对冰强度的削弱影响),但不小于流冰最高水位时所规定的数值。2)冰荷载的合力必须加在计算水位以下0.3t的地方,t-冰的计算厚度(m)取百年一遇的冬季最大冰厚的0.8倍。3)作用于桥墩竖直前墩面上的流动冰排荷载,必须采用按下述公式确定的最小数值;当冰排被桥墩剪断时:F1=φ1Rznbt,kt,N(t−f)F1=φ1Rznbt,kt,Ν(t-f)当冰排被桥墩阻塞时,F2=1.253vtφ2ARzn−−−−−−−√,(kN,t−f)F1=0.4vtφ2ARzn−−−−−−−√(4)F2=1.253vtφ2ARzn,(kΝ,t-f)F1=0.4vtφ2ARzn(4)式中,φ1\,φ2——按表2确定的型式系数;Rzn——建筑地区冰的抗压碎强度(t-f/m2);b——冰作用高程处桥墩宽度(m);t——冰厚(m);v——冰排流动速度(m/s),根据野外观测数据确定,当缺乏观测数据时,采用水流速度;A——冰排面积(m2),由冰排流过处或它附近的野外观测确定。当缺乏野外观测数据时,冰排面积允许采用A=1.75l2,l——跨度值(m),而水面部分的倾斜i≧0.007时,A=1.02tRmn(A=10tRmn)(5)A=1.02tRmn(A=10tRmn)(5)式中,Rmn——建筑地区冰抗弯极限强度,千吨(tf/m2)。4)当流动冰排与桥轴所成角度φ≤80°时,作用于桥墩竖直面上的冰荷载必须乘以sinφ予以降低。5)在冰的作用区对有倾斜面的桥墩上作用的冰压力,应按如下规定确定:a)水平分量Fx,千牛吨(吨力),按下述公式取其中的最小值Fx=φRmnt2(6)Fx=φRmnt2(6)b)竖向分量Fz,千牛吨(吨力),按公式:Fz=Fxtgβ(7)Fz=Fxtgβ(7)式中:φ——系数,用0.2b/t,但不小于1;β——桥墩斜肋对水平线的倾角;Rmn,b,t上面已提及:6)在复杂的冰环境地区设计桥梁时,必要时应考虑如下荷载:推聚在桥墩上的冰排,它们除受冰流外,还应考虑凤对冰排的作用;冰的挤压力;水位变动时,冻结于桥墩(桩或群桩)上的冰层;冰层的温度膨胀和桥墩一侧存在的冰缝,上述荷载应按CH2.06.04—82确定。(2)冰的流冰强度规定凡属存在冰害危险地区均须确定冰排撞击平台(应考虑群桩产生的遮蔽作用)时的冰厚、冰的强度以及冰速。假设冰作用于结构上的力等于:F=CfcAF=CfcA式中:F——冰力|b[N]|;C——系数;fc——冰的抗压强度psi(MPa);A——冰的挤压面积in2(mm2)。冰的强度。fc随冰的温度、盐度、荷载率等变化。其数值范围在200至500psi(1.38和3.45MPa)之间,系数C决定于冰力作用的速度、形式等,为0.3～0.7。作用于单桩柱上的流冰力为:式中:F——流冰力(kg);C——流冰力系数;B——桩柱直径(cm);h——冰的厚度(cm);σ——海冰的单轴抗压强度(kg/cm2)流冰力系数C与结构物的直径和冰厚之比与桩柱的形状等有关。与冰厚比较,柱腿直径愈大,流冰力系数愈小。采用了美国API中的C值为0.3～0.7,同时,σ值采用(14～35kg/cm2)。(3)日本公式冰荷载有两种形式,即结冰时造成的压力和流冰时与结构物之间的撞击力,都以冰的破坏强度为基础。1冰的破坏强度fq结冰压力FQ以下式表述式中:Q0——冰的破坏强度,用28kg/cm2;B——结构物宽度(cm);h——冰厚(cm)。2风场系数撞击力FP用下式表述式中,C为结构物形状及冰排撞击速度的系数,A为撞击面积(cm2)。综合上述可看出,不论哪种公式,在形式上均大同小异。3流冰密度和冰压力(1)公路与桥涵设计规范p.45附录四(1989)中的冰荷载附录2-3冰压力的计算。当设计可能遭受流冰影响的桥梁墩台时,应考虑作用于墩台轴线方向的冰块撞击力。1)对于具有竖直边缘的墩台,冰压力按下式计算:H=mRabh(t)Η=mRabh(t)式中:h为冰厚(m),为频率1/50的冬季最大冰厚的0.8倍。当缺乏足够的观测资料时,可按实地调查的最大结冰厚度采用;b为墩台在流冰水位线上的宽度(m);m为墩台形状系数,随墩台上游端的平台形状而定:半圆形0.9.三角形,应根据分水尖角2α按附表2-1采用;Ra为考虑局部受压时冰的极限抗压强度,当缺少试验资料时其值等于:初融流冰水位75t/m2;最高流冰水位45t/m2。注:当冰在零下解冻,且水温为-10°C及以下的地区,冰的极限抗压强度应提高一倍。2)具有倾斜破冰棱的墩台,其冰压力按下式计算:竖向冰压力水平冰压力式中:β——破坏梭与水平线的倾角;Rw——冰的挠曲极限强度(t/m2),按0.7Rn采用。注:当β>82°时,冰压力与1)同。漂流物撞击力可按下式估算:P=WVgT(t)Ρ=WVgΤ(t)式中,W——漂流物重量(t)(kN),应根据河流中漂流物情况按实地调查确定;V——水流速度(m/s);T——撞击时间(s);g——9.81(m/s2)。4中国冰载荷实验的研究(1)自1988年2月以来，首先在哈尔滨松花江上观察到了以下内容1)松花江层冰的动力特性;2)层冰与桥梁结构物之间的相互作用;3)流冰对桥墩的撞击;4)层冰的抗压强度。(2)流冰及抗压强度1)层冰的动力性质。冰层厚度约为20cm时,①层冰固有频率在2.0-20Hz之间,即具有多阶频率,其卓越频率为2.95Hz;②层冰与桥墩之间相互作用,其耦联频率为4.0-9.0Hz之间;③流冰对桥墩的撞击力,根据现场实地目测并按公式P=WV/gT估算得撞击力P约为20t;④冰为脆性材料,具有不等向性;⑤冰的抗压强度垂直结晶体为1.0MPa;平行结晶体为0.7MPa。(3)流冰撞击力1)1988年研究了层冰的动力性质、层冰与桥墩之间的相互作用、流冰对桥墩的撞击力。2)1989年到佳木斯松花江公路大桥施工现场观测竖立在河床中的10号墩的动力性质、在流冰作用下的位移及10号墩的刚度以及按桥涵与隧洞设计规范算得撞击力的大小F1989=3,422kN。3)1990年4月赴佳木斯公路大桥现场观测按上述同样方法实测得大桥桥墩所承受的流冰撞击力F1990=3,526kN.4)1993年实验研究工作佳木斯公路大桥现场实验:a)流冰撞击力F1993=1,162.7kN;b)层冰抗压强度现场取样试验,结果为:冰层的抗压强度垂直于结晶体加力为1.0MPa;平行于结晶体加力为0.71MPa。5)1994年工作在佳木斯公路大桥实测得流冰撞击力P1994=7,241.8kN为“武开江”流冰撞击力,其特征是:a)流冰速度快,速度为1.5m/s以上;b)流冰充满河床并涨水淹没岸边房屋;c)流冰将佳木斯松花江航运港口中的船舶抬起,撞翻,互相叠起。6)1995年工作a)流冰撞击力F1995=605.5kN,为“文开江”,流冰对大桥无威胁;撞击力F1995小的原因为:①流冰冰速较小,为0.9m/s;②流冰冰块小,并呈泡沫状;③天气晴朗,无风雨。b)“武开江”,1994年实验的收获为:①流冰撞击力,即冰荷载最大F1994=7,241.8kN;②流冰撞击桥墩时所取得墩项的反应时程曲线如下图所示。5层冰的振动性质(1)河川层冰的抗压强度①垂直于结晶体加力σpv=1.0MPa;②平行于结晶体加力σph=0.7MPa。(2)层冰的振动性质①多阶频率为1.0～20Hz;②卓越频率为