松花江河冰荷載計算的主要方法

松花江河冰荷載計算的主要方法

1冰的抗壓強度冰-冰結(jié)構(gòu)的相互作用一直是研究冰工程最重要的課題，主要集中在冰壓力的測量和確定上。無論是國內(nèi)還是國外,因春季內(nèi)河流冰造成橋梁和水工建筑破壞的事例時有發(fā)生。前蘇聯(lián)幅員遼闊,大部國土地處高緯度的寒冷地區(qū),對內(nèi)陸河川的冰荷載研究起始較早,還有加拿大、美國、芬蘭、日本、英國、德國和挪威等國冰荷載的計算均有專門的規(guī)定。隨著國際海洋油氣資源的開發(fā),許多學者從河冰轉(zhuǎn)向海冰研究,現(xiàn)將回顧、收集到的近40年來國內(nèi)外主要有關(guān)河冰與海冰的工程實用冰荷載計算公式分別列出如下:(1)Korzhavin公式(1962)F=Ι(VV0)-13mΚDΗσc(1a)F=I(VV0)?13mKDHσc(1a)式中:F為冰荷載力;I為局部擠壓系數(shù),當冰排寬度大于樁經(jīng)15倍時,取I=2.5;V為冰速(m/s),即冰的流動速度;V0為參照冰速,取V0=1.0m/s;m為樁柱形狀系數(shù),對園柱,取0.86,方柱取1.0;K為接觸條件系數(shù),取0.4～0.7,高冰速時,取較小值;D和H分別為樁柱迎冰面寬度和冰厚度;σc為在所關(guān)心的加載速率下,冰的單軸抗壓強度。因為春季開江(或河)時,流冰冰排的運動速度往往較低,因而可不考慮冰速(或加載速率)對冰強度的影響,此時式(1a)簡化為F=ΙmΚDΗσc(1b)F=ImKDHσc(1b)(2)Afanasev公式(1971)F=ΙmDΗσc(2)F=ImDHσc(2)式中符號意義同前(以下不再說明),I取值如下:Ι={(1+5ΗD)12當1＜DΗ≤6時2.5當DΗ=1.0時4.17-1.67DΗ當0.1＜DΗ＜1.0時4.0當DΗ=0.1時I=???????????????(1+5HD)122.54.17?1.67DH4.0當1＜DH≤6時當DH=1.0時當0.1＜DH＜1.0時當DH=0.1時(3)加拿大標準協(xié)會CAS公式(1974)F=DΗσc(3)F=DHσc(3)式中,σc為冰壓力的有效值,取0.689～2.76MPa。(4)加拿大燈塔規(guī)范公式(1975)F=m′DΗσc(4)式中:m′為考慮形狀、接觸條件的綜合系數(shù),取0.4～0.7;σc為冰的單軸抗壓強度,取1.38～1.72MPa。(5)加拿大公路橋墩上冰的設(shè)計力。由CAS標準CAN3-S6-M78條款F=CnDΗσc(5)式中,Cn為橋墩迎冰面前緣傾斜系數(shù),取法為:前緣傾斜角為0°～15°時,Cn=1.0;傾斜角為15°～30°時,Cn=0.75;傾斜角為30°～45°時,Cn=0.5。前緣傾斜角大于30°時,可根據(jù)冰的有效彎曲強度計算。(6)前蘇聯(lián)規(guī)范(SNIP-11-57-75)(1975)水平和豎向冰荷載分別為FΗ=mΚσwΗ2(6a)FV=FΗ/tanβ(6b)式中:m為結(jié)構(gòu)前緣傾斜系數(shù)(對水平角的正切)取1.4;K為結(jié)構(gòu)幾何系數(shù),通常取1.0,對錐體結(jié)構(gòu),Κ=1+0.05DΗ;β為橋墩斜棱對水平線的傾角;σw為冰的彎曲強度。(7)前蘇聯(lián)規(guī)范(1983)F=ΙmDΗσc(7)式中:I為局部擠壓系數(shù),取值可查表;m為形狀系數(shù),對圓柱為0.9,方柱為1.0。(8)俄羅斯公式(SHIP2.06.04-82)(1982)●作用于橋墩上的冰荷載,應(yīng)根據(jù)建橋地區(qū)冰作用最大期間冰的原始資料確定,野外觀測不應(yīng)少于5年,冰的抗壓強度極限應(yīng)由試驗資料確定,當無試驗資料時,容許采用以下值:I類地區(qū),冰情最輕,取冰的抗壓強度極限σc=735kPa或441kPa,冰的抗彎強度σw=0.7σc;地區(qū)界限及其對應(yīng)的地區(qū)系數(shù)由查表確定。對零度以下解凍的河流,應(yīng)采用不低于2.0的地區(qū)系數(shù)?！癖奢d的合力必須作用在計算冰水位以下0.3H處,H為冰的計算厚度,取百年一遇的冬季最大冰厚度的0.8倍。●作用于橋墩豎直前墩面上的冰荷載,按以下公式確定:當冰排被橋墩剪斷時F1=Κnφ1DΗσc(8a)當冰排被橋墩阻塞時F2=1.253VΗ√Κnφ2Aσc(8b)式中:Kn為地區(qū)系數(shù);φ1,φ2為按表確定的橋墩型式系數(shù);A為冰排面積(m2)。●在冰的作用區(qū)內(nèi),對有傾斜面的橋墩上作用的冰荷載為FΗ=φσwΗ2(8c)FV=FΗ/tanβ(8d)式中,φ為系數(shù),取0.2D/H值,但不小于1.0。(9)我國固定式海洋平臺規(guī)范公式(1983)F=ΙmΚDΗσc(9)式中:I為局部擠壓系數(shù),取2.5;m為形狀系數(shù),對園柱取0.9;K為接觸系數(shù),取0.45。(10)美國API規(guī)范公式(1980)F=CAσc(10)式中:C為系數(shù),決定于冰力作用的速度、形式等,通常取0.3～0.7;A為冰的擠壓面積;σc為冰的抗壓強度,隨冰的溫度、鹽度、加載速率等變化,其數(shù)值范圍為1.38～3.45MPa。(11)美國API2A規(guī)范公式(1984)F=CDΗσc(11)式中:C為綜合流冰力影響系數(shù),取決于橋墩的直徑D和冰厚度H之比,及樁柱形狀、冰速等,取值為0.3～0.7;σc為冰的單軸抗壓強度,取1.12～2.81MPa。(12)美國APIRP2N規(guī)范公式(1988)F=ΙΚDΗσc(12)式中:I為嵌入系數(shù),實為局部擠壓系數(shù),也包括結(jié)構(gòu)形狀的影響;K為接觸系數(shù),也計及形狀的影響,規(guī)范建議對美國阿拉斯加庫克灣海域取1.45。(13)加拿大規(guī)范(1975)及美國ASCE建議公式(1981)F=ΙmDΗσc(13)式中:I為嵌入系數(shù)(也稱壓痕系數(shù));m為傾斜系數(shù),有表可查。(14)德國Schwarz公式(1976,1991)F=3.57D0.5Η1.1σc(14)式中,D,H的單位為cm,σc的單位為kN/cm2。(15)渤海石油公司與德國漢堡航舶模型水池公司合作項目公式(1991)對平整冰F=0.5D0.5Η1.1σc(15a)對重疊冰F=0.36D0/5Η1.1σc(15b)我國領(lǐng)土范圍內(nèi),主要是平整冰,只是偶爾在寒冬過后開江時,有少量重疊冰。(16)渤海冰對直立柱的作用力F=0.95DΗσc(16)(17)日本Hamayaka公式(1974)F=CD0.5Ησc(17)式中,C為系數(shù),對園形截面取5.0,矩形截面取6.8。(18)我國海洋局海洋環(huán)境保護研究所公式F=ΙmΚDΗσc(18)式中:I為寬厚比(D/H)系數(shù),取2.5～3.0;K為接觸系數(shù),全部接觸時,K=1.0,大部分接觸時K為0.6～0.8;m為結(jié)構(gòu)物形狀系數(shù),對方形m=1.0,園形m=0.9。(19)我國現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計規(guī)范(JTJ021-89)公式F=mDΗσc(19)式中,m為墩臺形狀系數(shù),隨上游端墩臺形狀而定,對半園形取0.9,三角形按分水尖角2α值查表確定。尚有其它類似的計算公式,因篇幅所限,不再一一列舉。就上述公式而言,其中有些公式應(yīng)用于海冰,如式(3),(4),(9)～(18),有些公式是由冰的實驗研究得到的,適用于河冰,如式(1a)～(2),(5)～(8d),(19);有些僅適用于海洋結(jié)構(gòu),有些適用于內(nèi)河的橋梁結(jié)構(gòu),但以上所有公式都可統(tǒng)一表示為:F=CF[H,D,p(σc,H)]的形式,式中C是綜合系數(shù),是考慮地區(qū)、擠壓、形狀、接觸條件等綜合影響的值,p(σc,H)是描述冰壓力隨冰厚度(H)和冰強度(σc)變化的函數(shù)。上述公式盡管形式相似,其計算結(jié)果卻相差甚遠,以哈爾濱松花江公路大橋的冰條件:冰厚H=30cm,橋墩直徑D=360cm,冰的抗壓強度σc=1.47MPa為例,用上述公式計算冰力的結(jié)果,比較如圖1。2冰的結(jié)構(gòu)及冰的力學性質(zhì)冰-結(jié)構(gòu)相互作用中,形成的冰荷載大小通常取決于:結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、形狀,冰排的尺寸、形狀,冰的力學性質(zhì),冰與結(jié)構(gòu)的相對運動速率,結(jié)構(gòu)的剛性,冰感應(yīng)的破壞形式,環(huán)境驅(qū)動力,冰與結(jié)構(gòu)之間的連續(xù)性,以及冰和結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng)等。2.1基本數(shù)據(jù)資料在冰環(huán)境中的結(jié)構(gòu),自然會受到冰的作用,這種作用包括兩個重要方面:一方面在冰的生成過程中及凍結(jié)后,冰和冰蓋對結(jié)構(gòu)具有靜冰擠壓破壞作用;另一方面在冰體解凍融化過程中,由于水流作用,冰具有沖擊、摩擦的動力作用。冰對橋墩的作用包括:河流中在風和流作用下的運動冰排產(chǎn)生的動冰壓力;在大面積水體上由連續(xù)穩(wěn)定冰排熱運動產(chǎn)生的靜冰壓力;冰阻塞產(chǎn)生的靜冰壓力及在擾動水面上導致粘附冰靜力升降的冰荷載作用等。本文著重考慮春季風和流形成的流冰的動冰壓力作用。為計算現(xiàn)場實際橋梁的動冰壓力,需要收集確定以下基本數(shù)據(jù)資料:●設(shè)計最高、最低流冰水位;●設(shè)計流冰厚度和有效冰厚度;●設(shè)計冰強度(冰的抗壓和抗彎強度);●橋梁墩臺的幾何形狀和尺寸大小等。2.2確定各保障人位當橋址選定后,對橋的設(shè)計來說,無論是要確定橋的型式,還是橋的尺寸大小等,對橋址現(xiàn)場的冰條件,特別是在考慮未來冰力作用時對冰力作用高度的估價是一個重要的設(shè)計控制因素。因此要求通過走訪當?shù)氐睦献艉陀嘘P(guān)部門的技術(shù)人員,以及勘察河段兩岸樹桿疤痕、堤岸槽印或其他野外標記以及航空攝影中的某些特殊標記,來了解歷年冰情及較高、較低冰水位,確定相應(yīng)冰水位作為設(shè)計流冰的最高冰水位和最低冰水位。若橋址附近有水文站,或公路、鐵路及水電站的水文管理部門,則建議根據(jù)常年觀測的流冰水位,按頻率為1/50(或1/100)的最高或最低冰水位作為相應(yīng)的設(shè)計冰水位。2.3材料或設(shè)計冰厚度的估計設(shè)計冰厚度是計算極限冰壓力、流冰沖擊力和冰堆整體推移靜壓力等的重要參數(shù),應(yīng)根據(jù)每年觀測的該河段最大冰厚度及其逐年變化情況加以考慮。在某些地區(qū)可采用當?shù)氐谋涗?還可根據(jù)有限的局部觀測數(shù)據(jù)和所掌握的影響冰生長因素的知識來估計,對相應(yīng)于橋位現(xiàn)場的浮冰冰排流經(jīng)的河流長度也應(yīng)給予考慮。在缺少冰厚度觀測數(shù)據(jù)的地區(qū),可據(jù)當?shù)貧夂驐l件作出適當?shù)脑u價。設(shè)計冰厚度一般取頻率為1/100的冬季河心最大冰厚度的0.7～0.8倍。當缺乏足夠年份的觀測資料時,可由現(xiàn)場勘測確定最大冰厚度。如果工程設(shè)計任務(wù)緊迫,無條件勘測時,也可采用有關(guān)經(jīng)驗公式確定。每當春季開江出現(xiàn)流冰冰排時,因天氣已由寒轉(zhuǎn)春暖,經(jīng)過了較長時間的融化過程,流冰的實際有效厚度通常應(yīng)取設(shè)計冰厚度的0.30～0.45倍。如松花江哈爾濱河段,每年3月中下旬,江中已是一片汪洋,甚至泛舟游江者甚眾,但往往要到4月上中旬,上游的冰排才姍姍來遲,自然,流經(jīng)哈爾濱河段的冰厚度較之一月份的冰厚度已減薄了許多。2.4冰強度與冰狀態(tài)的關(guān)系河冰的強度對橋梁橋墩結(jié)構(gòu)作用的影響最為明顯,但大量的觀測試驗結(jié)果表明,河冰強度的變動范圍相當大,影響因素也非常復(fù)雜。實驗室測得的試驗值與實際河冰的強度值往往有很大差別。所在的地區(qū)不同,冰強度值會有很大差異;即使在相同條件下,也很難測到穩(wěn)定的冰強度值,其離散性遠大于其他一般工程材料,其中的原因是多方面的,這和冰的溫度、冰結(jié)晶體的受力方向、幾何尺寸、雜質(zhì)含量、流冰時節(jié)的氣象條件、冰排與結(jié)構(gòu)形狀、運動接觸狀態(tài)等等都有一定的聯(lián)系。表1給出了加拿大、美國有關(guān)規(guī)程中提出的冰強度取值與冰狀態(tài)的關(guān)系。2800kPa的最高值是在1975年前給定的。最近的研究表明,對許多橋址來說,這一值不必得取如此高。美國AASHTO標準1994年的冰強度取值比加拿大S6標準20世紀70年代的取值有明顯要低,后者只取前者的近一半值。這顯然是個巨大的進步,說明在保證橋梁結(jié)構(gòu)安全的條件下可大大節(jié)省建橋成本,表2給出本文計算方法與美國、加拿大及前蘇聯(lián)規(guī)范計算結(jié)果的比較。2.5墩形系數(shù)的確定橋墩幾何形狀及尺寸的選擇主要取決于河流、湖泊或水庫的冰情、通航、漂流物、上部構(gòu)造尺寸、受力情況及橋墩本身的構(gòu)造要求等。墩形系數(shù)視迎冰面平面及立面幾何形狀而定,具體取值列于表3。這里的墩形系數(shù)是根據(jù)橋墩迎水面形狀確定的,而加拿大和美國則是按橋墩破冰棱傾角確定的,并稱之為傾斜系數(shù)。3冰壓計算公式3.1冰壓力根據(jù)松花江哈爾濱河段河冰物理力學性質(zhì)的調(diào)研和壓縮、彎曲試驗,以及松花江流冰對松花江公路大橋3號橋墩的冰壓力實測結(jié)果,并在大量收集、分析各國冰壓力計算方法的基礎(chǔ)上,抓住冰壓力計算的主要影響因素(如D,H和σc),略去一些次要因素(如冰晶結(jié)構(gòu)受力方向、流速、風速等)本文提出一個冰壓力計算公式。公式中采用地區(qū)系數(shù)考慮所在地區(qū)影響,綜合系數(shù)C包括墩形、擠壓、接觸及結(jié)構(gòu)幾何形狀尺寸等綜合影響,以墩形系數(shù)(表3)為主,參照其他因素給以相應(yīng)修正。公式沿用了文的形式,故橋梁設(shè)計人員易于理解掌握,操作簡單。這里給出黑龍江省流冰對橋墩作用的冰壓力計算公式為對豎直墩∶F=aCDΗσc(20)對傾斜墩∶水平力FΗ=aσwΗ2tanβ(21a)豎直力FV=aσwΗ2(21b)式中,a為地區(qū)系數(shù);C為綜合系數(shù);σc,σw分別為冰的抗壓和抗彎強度極限;D為橋墩在流冰水位上的寬度(m);H為設(shè)計冰厚度(m);β為橋墩破冰棱對水平線的傾角,當β>82°時只考慮冰的擠壓力,按式(20)計算。3.2流冰強度計算的算例算例1:哈爾濱松花江公路大橋3號橋墩,破冰棱傾角α>82°,設(shè)計流冰水位上的墩寬D=3.6m,冰厚度H=1.0m,地區(qū)系數(shù)a=1.0,綜合系數(shù)C=0.9,冰的抗壓強度為1470kPa(冰溫-10℃,氣溫零度以下)。試計算流冰對橋墩的冰壓力。解:按本文給出的公式式(20)F=aCDΗσc=1.0×0.9×3.6×1.0×1470=4763(kΝ)按前蘇聯(lián)公式式(7)F=ΙmDΗσc=1.9×0.9×3.6×1.0×1470=9049(kΝ)按美國、加拿大公式式(13)F1=ΙmDΗσc=0.9×1.0×3.6×1.0×2800=9072(kΝ)F2=0.9×1.0×3.6×1.0×1470=4763kΝ上式中,F1由σc=2800kPa求得,F2由σc=1470kPa求得。算例2:某橋擬定為具有半園形傾斜破冰體的實體墩,將建于黑龍江省黑河地區(qū),傾角β為55°,設(shè)計流冰水位上的墩寬為2m,計算冰厚度為1m,冰的抗壓強度為1470kPa(冰溫-10℃,氣溫零下),試求流冰對橋墩產(chǎn)生的冰壓力。解:按本文給出的公式(21)水平力FΗ=aσwΗ2tanβ=2.0×1470×0.7×1.02×tan55°=2938(kΝ)豎直力FV=aσwΗ2=2.0×1470×0.7×1.02=2058(kΝ)按前蘇聯(lián)公式式(6)水平力FΗ=mΚσwΗ2=1.4×(1+0.05×2.01.0)×1470×0.7×1.02=1585(kΝ)豎直力FV=FΗ/tanβ=1110(kΝ)按美國、加拿大公式,則由表2可知,σc=2800kPa,當D/H=2.0時,Ca=1.0,當傾角β=55°時,查表可得傾斜系數(shù)Cn=0.5,于是得到:水