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
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.
[2] 蔡之瑞,孙柏涛,郭世荣,等.冰荷载的实验研究与计算方法[J].地震工程与工程振动,1997,17(4):49-56.
[3] 中交公路规划设计院.JTG D60-2004.公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社.
附注说明:
本文为辽宁科技大学创新创业项目(项目编号201510146023)的阶段性研究成果。