水库桥墩冰荷载效应与防护措施

郭威

（中国铁路北京局集团有限公司 北京西工务段，北京 102300）

1 研究背景

桥梁因桥墩结构受冰荷载作用发生破坏的事件时有发生。1957—1967年官厅水库内京包线妫水河大桥桥墩在10年内被上游冰排先后剪断；1962年春季，黄河武开江形成的大块冰排流经三道坎大桥时，对桥墩的挤压使该桥振幅达到2 cm以上，凌汛部门紧急使用炸药爆破炸开大面积冰排以及冰排堆积的冰坝才保证了大桥安全。对于冰荷载对桥墩破坏机理及防护方案的研究，国外起步较早，研究较为深入，提出了一些经验公式、理论模型；我国研究起步虽晚，但近些年发展较快，很多研究内容写入相应规范，指导桥墩采取相应防冰措施。

水库结冰对桥墩危害［1］大致有以下几种形式：一是墩体上游大面积冰层向下游整体呈移动趋势，桥墩阻挡，冰层横向静载推力过大导致墩体受到破坏；二是在春季冰层开始融化时，上游流动的冰排不断撞击墩体致使桥墩受到破坏；三是墩体在周围冰体冻融循环作用下引起墩体裂纹、掉块，引发墩体表层钢筋生锈，进而引起整个墩体结构强度变小。

丰沙铁路永定河四号大桥（下行14#桥、上行16#桥），修建在北京永定河落坡岭水库之上，落坡岭水库上游地势较高，下游地势较低，落差较大，周围山体环绕，地势险要。该桥修建时间较早，下行14#桥为圬工桥，修建于1971年，全长244.1 m，上行16#桥为钢桥，修建于1955年，2座桥修建初期未考虑冰荷载对墩体的影响。为预防水库结冰对桥墩产生影响，工务段对2座桥安装风动机扰动墩体周围活水，进行风动破冰。但风动破冰耗能较大，且冰体容易堵塞风动管路，维修困难，后续还需人工破冰，综合考虑后暂停该种方法，采用人工破冰方法（见图1）。但是人工破冰存在工作效率低、重复劳动、危险性高、占用维修工时多等诸多缺点。因此，亟需研究冬季水库内冰层对桥墩挤压破坏机理，提出可靠的破冰措施，并验证其可行性。

图1 工人破冰作业

落坡岭水库处于华北较为寒冷地区，最低温度-20℃左右，11月底墩体周围开始结冰，水库封冻，桥墩周围冰层厚度最大为0.6 m，且桥体周围山体环绕，冰层不容易融化，一般在来年3月中旬开始融化，封冻持续时间较长。

2 落坡岭桥桥墩冰荷载计算

2.1 桥梁冰荷载基础计算资料[2]

2.1.1 设计水位

根据工务段多年观测，桥墩结冰线位置跟档案资料相符合，距离桥墩底部8.7 m，该位置水位高度与档案资料中的常水位线相符合，此处桥墩横截面直径为4.3 m。

2.1.2 冰厚度

一般取百年一遇最大冰厚度的0.8倍，结合水文资料，实际结冰厚度0.6 m，计算厚度为0.5 m。

2.1.3 冰强度

参考《公路桥涵设计通用规范》［3］要求，该处墩体周围冰体强度为750 kN/m2。

2.1.4 墩形系数

我国规范大多根据墩形系数计算冰荷载，取值见表1。该处迎冰面墩体是圆弧形，取系数为0.90。

表1 桥墩平面形状与墩形系数

2.1.5 其他

根据水库管理部门多年实测冰的流速取值0.68 m/s。流冰尺寸根据《公路桥涵设计通用规范》要求，假定为正方形，取3#桥墩为试验墩，桥梁孔径32 m作为边长。桥墩受到冰层横向作用力方向与水流方向相同，横桥向夹角42°。

2.2 桥墩冰荷载计算

2.2.1 上游侧冰排挤压力

（1）依据《公路桥涵设计通用规范》，通用冰荷载为：

式中：Fi为冰荷载标准值，kN；m为墩形系数，参照表1；Ct为冰温系数，取1.0；b为迎冰面投影宽，m；t为冰厚，m；Rik为冰抗压强度标准值，取0℃时最大值750 kN/m2。

计算后得到冰排挤压力Fi=1 451.3 kN。

（2）依据《港口工程荷载规范》［4］中冰排对桥墩产生的极限挤压冰力标准值为：

式中：FI为极限挤压冰压力标准值，kN；I为冰局部挤压系数，取3.8；m为墩形系数，参照表1；k为接触条件系数，取0.32；B为迎冰面投影宽，m；H为冰厚，m；σc为冰抗压强度标准值，取0℃时最大值750 kN/m2。

计算后得到冰排挤压力FI=1 764.72 kN。

在建立模型时，冰排挤压力选取最不利荷载的数值，因此，3#桥墩所受冰排挤压力为1 764.72 kN，其作用方向与流水方向一致，横桥向夹角42°。

2.2.2 上游侧流冰撞击力

（1）依据《港口工程荷载规范》中流冰撞击力为：

式中：Fz为流冰撞击力，kN；H为冰厚，m；V为冰流速，取0.68 m/s；I为冰局部挤压系数，取3.8；k为接触条件系数，取0.32；A为冰块计算面积，m2；σc为冰抗压强度标准值，取0℃时最大值750 kN/m2。

计算后得到流冰撞击力为729.42 kN。

（2）依据《水工建筑物抗冰冻设计规范》［5］，动冰压力为：

式中：Fi1为冰块撞击桥墩产生的动冰压力，kN；v为冰流动速度，m/s；δi为冰厚，m；A为冰块面积，m2；fic为冰的抗压强度标准值，取0℃时最大值0.75 MPa。

计算后得到流冰撞击力为659.56 kN。

在建立模型时冰排挤压力选取最不利荷载的数值，因此，3#桥墩所受流冰撞击力为729.42 kN，其作用方向与流水方向一致，横桥向夹角42°。

2.2.3 桥墩周围冰层产生的温度膨胀力

依据《水工建筑物抗冰冻设计规范》中温度膨胀力为：

式中：Fi2为静冰挤压力，kN；m为墩形系数，参照表1；fib为冰的抗挤压强度，取0℃时最大值750 kN/m2；B为迎冰面投影宽，m；δi为冰厚，m。

计算后得到温度膨胀力为1 451.3 kN。

2.2.4 静冰作用引起的竖向附加力

依据《港口工程荷载规范》与《公路桥涵通用设计规范》规定，根据冰与墩身的温度膨胀力作法向力，再乘以摩擦系数作为竖向附加力，桥墩与冰层摩擦系数取值为0.3，温度膨胀力为1 451.3 kN时，静冰作用下引起的竖向附加力为435.4 kN。

2.2.5 墩体抗倾覆验算

依据《铁路桥涵设计基本规范》［6］与《公路桥涵设计通用规范》规定，按照作用于桥墩的冰荷载取最不利荷载冰排挤压力1 764.72 kN进行抗倾覆稳定计算；经过计算得到抗倾覆稳定系数4.2，大于规范中要求的抗倾覆稳定系数1.5，符合要求。

3 丰沙铁路永定河四号大桥桥墩冰荷载破坏分析

3.1 模型建立

采用三维实体单元建立3#桥墩立体模型（见图2），各部位之间通过绑定衔接。结构混凝土强度等级采用与技术档案一致，桥墩外围加固层钢筋与墩体密切接触，桥墩底部采用固定方式作为边界条件。

图2 3#桥墩立体模型

3.2 墩体冰荷载数值分析

3.2.1 冰排挤压力作用下的数值

利用有限元模拟软件，模拟上游侧大面积冰排挤压力作用下3#桥墩的稳定性。同时，3#桥墩受到自身重力作用，加之桥面部分传递的荷载作用，查阅技术档案资料，墩顶左侧支撑垫石拉应力为0.17 MPa，墩顶右侧支撑垫石压应力为0.98 MPa，对桥墩模型添加上述荷载。利用ABAQUS/Standard求解器，对建立的冰桥模型进行有限元模拟计算，得到冰排挤压力时程曲线见图3。冰排与桥墩接触初期，冰排作用力迅速变大，快速达到冰层的屈服强度，冰排与桥墩作用中后期增大幅度变慢，最大冰排挤压力值可到1 400 kN。

图3 冰排挤压力时程曲线

3.2.2 冰排挤压力作用下的受力

依据《混凝土结构设计规范》［7］条文规定，3#桥墩设定为钢筋混凝土偏心受压构件，经过模型分析计算，3#桥墩在冰排挤压力作用下受到的正截面受压承载力，符合规范中正截面受压和正截面抗弯检算要求。

根据模型模拟得到的3#桥墩体底部应力云图见图4，3#桥墩体结构最外侧混凝土受到的纵向拉应力是0.82 MPa，大于C10混凝土自身的抗拉强度0.71 MPa，因此，不符合裂缝验算要求。

图4 3#桥墩体底部应力云图

4 船头式破冰体防护装置设计及预期应用效果

4.1 船头式破冰体结构装置设计

船头式破冰体方案设计理念来源于破冰船的破冰原理，在上游侧桥墩墩身冰层位置安装一个尖端形状结构装置，落坡岭水库放水条件下，上游大面积冰排向下移动，挤压桥墩。该结构装置利用尖端作用于冰层面，而后续冰层继续向桥墩两侧分散作用力，减小对桥墩的作用力。船头式破冰体结构立面见图5。

图5 船头式破冰体结构立面

破冰体设置于墩体上游侧迎冰面，破冰尖面向上游侧，冰面以上外漏1.25 m，冰面以下1.25 m；迎冰面破冰尖背部弧形板采用整体式钢板，背对冰面侧采用3道围板（抱箍）与前端连接；破冰体外层钢板采用10 mm厚钢板，破冰体尖端安装后为斜坡形式，尖端对接焊缝；破冰体钢板内侧加劲肋采用150 mm×10 mm钢板，加劲肋与钢板采用贴边焊接；为增加破冰体稳定性，在两侧钢板上、中、下水平面各采用200 mm×100 mm不等边角钢和75 mm等边角钢进行加固连接处理；桥墩围板（抱箍）采用6 mm厚钢板，高0.4 m，间距0.65 m，设置3道；每道围板（抱箍）用2个半圆拼接而成，拼接螺栓直径24 mm；每道围板（抱箍）与桥墩用12个直径24 mm膨胀螺栓与桥墩相连；围板与破冰体贴边焊接处理；破冰尖端与抱箍焊接处增设加强钢板；破冰体所有钢构件均采用防锈漆防腐处理，2遍底漆，2遍面漆。

4.2 破冰体结构装置理论预期应用效果

通过对在3#桥墩上安装破冰体结构装置建立的模型进行分析，得到安装破冰体前后冰排挤压力分析步时长对比曲线（见图6）。通过比较可知，最大冰排挤压力值为1 087 kN，比未安装破冰体结构装置时桥墩受冰排挤压力1 400 kN减小了将近22.3%，说明破冰体结构装置起到了积极作用。

图6 安装破冰体前后冰排挤压力分析步时长对比曲线

数值模拟分析3#桥墩最底部截面的正面承载能力和进行裂缝控制计算（见图7），墩身底部截面上最大压应力1.12 MPa，小于C10混凝土自身抗压强度；最大拉应力0.45 MPa，小于C10混凝土自身抗拉强度，符合裂缝验算要求［8］。该处截面的最大、最小主应力均小于未安装防护装置条件下的应力，故不再进行正面承载力验算。

图7 墩身底部截面应力云图

由此可知，安装船头式破冰体结构装置能够满足桥墩结构受力的要求，下一步应进行现场实践验证其可行性［9］。

5 破冰体结构装置实际应用效果

为验证3#桥墩安装上船头式破冰体结构后，在水库中冰层作用下与理论分析效果一致，保证其防护作用，现场也采用对比试验研究方法，选取3#桥墩安装“破冰体”结构装置，4#桥墩不安装“破冰体”结构装置，“破冰体”与3#桥墩之间设置压力传感器（见图8），4#桥墩与冰层之间设置压力传感器。

图8 压力传感器及其安装点位设置

5.1 防护装置安装对比

结构安装过程中，为保证作业人员安全，选择在该地区最冷的2018年1月，也是冰层最厚的时间段进行安装。防护结构制作安装施工顺序为：工厂加工构件→运送至水库上游指定地点→冰层表面人工拉运至桥墩附近→墩顶安装倒链→破冰体结构构件就位、组装→桥墩打眼、安装背部套环连接螺栓（见图9（a））。

为了与3#桥墩安装结构装置形成对比，在相邻工况条件下的4#桥墩与冰层间只安装压力传感器，以便接受同样条件下冰层的作用力（见图9（b））。

图9 3#桥墩和4#桥墩现场试验对比

5.2 数据收集与分析

当地气温条件对冰层厚度影响较大，为尽量捕捉冰体抗压强度最大值，选择在每天8：00，分别读取3#桥墩和4#桥墩各部位压力传感器数值，并记录。通过21 d有效观测数据分析，第19 d时，水库管理部门对上游珍珠湖水库进行放水，3#桥墩处所上游冰层向下游移动，结构装置尖端冰层被顶裂。

通过对比分析3#桥墩和4#桥墩压力传感器数值，得到监测点总压力曲线（见图10）。

图10 3#、4#桥墩监测点总压力曲线

3#桥墩安装防护装置后，桥墩所受到的冰排挤压力为280.5 kN，比未安装防护装置的4#桥墩受到的冰排挤压力393.5 kN减小了28%，与有限元模型分析的降低桥墩受力22.3%的结论相符。可见，装置可以有效解决桥墩受冰排挤压力作用而破损的冰害问题［10］。

6 结束语

丰沙铁路落坡岭水库中的永定河四号大桥采用了船头式“破冰体”结构装置防护，破冰体与桥墩形成了一个整体防护，同时结构前端将上游侧冰层顶裂，减小桥墩受力［11］，能够有效避免桥墩受上游冰排挤压力作用而发生的开裂破坏问题［12］，现场使用效果良好（见图11）。可消除铁路工务部门人工破冰作业的风险，节约维修用工，依靠技术创新，提高了桥隧管理水平［13］，该项技术成果在类似的水库冰冻期桥墩冰害分析及防护措施方面具有较高的推广和借鉴价值。

图11 “破冰体”结构现场使用效果