冰载荷对桥墩的作用(Dynamic Ice Forces on Piers)

1 引言

2021年3月28日夜里，黑龙江蚂蚁河突发特大凌汛，3月29日5时40分，方正县新兴大桥(又称蚂蚁河大桥)一号桥板发生下沉，桥东头下沉30cm左右. 3月29日上午11点40分, 新兴大桥2、3号桥墩坍塌，中断桥梁数十米, 但未造成交通事故和人员伤亡。该桥于2007年10月1日建成, 设有双向两车道.

冰凌撞击导致蚂蚁河大桥桥墩坍塌

事故发生后方正县交通运输局委托相关工程质量检测公司对桥梁缺损状况进行检查。

检查结果如下: (1)由于蚂蚁河河面冰凌撞击，新兴大桥方正县一侧，2号墩、3号墩倒塌，致第2跨、第3跨、第4跨主梁发生坍塌，桥梁行车已中断；(2)该桥第1跨、第5跨主梁产生横向变位，主梁已掉落至支座垫石外侧；(3)该桥第6跨至第15跨河道淤塞，致使主河道改道，造成堤岸冲刷严重。

这个笔记简要描述了冰载荷对桥墩的影响以及规范中规定的冰载荷计算方法.

2 JTG D60-2015冰压力的计算方法

<公路桥涵设计通用规范JTG D60-2015>(P32-P33) 以非常简短的篇幅讨论了冰压力的计算方法, 如下所述.  

4.3.10 位于外海,海湾,海峡的桥梁结构, 下部结构设计必要时应考虑波浪力的作用影响. 宜开展专题研究确定波浪力的大小.

4.3.11 对具有竖向前棱的桥墩, 冰压力可按下列规定取用:

(1) 冰对桩或墩产生的冰压力标准值可按下式计算:

式中: Fi---冰压力标准值(kN);

m---桩或墩迎冰面形状系数,可按表4.3.11-1取用;

Ct---冰温系数,可按表4.3.11-2取用;

b---桩或墩迎冰面投影宽度(m);

t---计算冰厚(m),可取实际调查的最大冰厚或开河期堆积冰厚;

Rik---冰的抗压强度标准值(kPa),可取当地冰温0度时的冰抗压强度;当缺乏实测资料时, 对海冰可取Rik=750kPa;对河冰,流冰开始时Rik=750kPa,最高流冰水位时可取Rik=450kPa.

3 冰载荷对桥墩的影响

显然,公路桥涵设计通用规范建议的冰载荷计算方法过于简单, AASHTO从学术的角度给出了更加详细的考虑因素和计算方法.

(1) 有效冰压碎强度

有效冰压碎强度(Effective Ice Strength) 即上式中的Rik, AASHTO给出了一个更为详细的推荐值, 如下图所示. (1ksf=47.8kPa). 有效的冰强度主要取决于冰的温度和粒径, 冰的抗压强度取决于温度，但抗拉强度对温度不敏感。由于许多冰的破坏是弯曲时分裂或拉伸破坏的结果，而且由于颗粒大小、裂缝和其他缺陷各不相同，因此只能粗略地接近冰的强度。因此，温度不是规范中设定有效冰强度的考虑因素。

(2) 冰的粉碎和弯曲

AASHTO提供了一个经验公式计算流动冰产生的压力, 计算过程相对复杂, 在此不作详细描述. 这个经验公式是基于上世纪80年代在加拿大Alberta的两个桥墩的现场测量提出的. 假设作用在桥墩上的力受冰的粉碎或弯曲强度(Crushing and Flexing) 控制, 浮冰和桥墩之间的相互作用取决于浮冰的大小和强度以及它如何撞击桥墩。据报道，一个大约60米大小的浮冰如果正面撞到桥墩，通常会因压碎而破坏。如果一个30米大小的浮冰没有正面撞击桥墩，它通常在桥墩周围旋转然后流到下游，只有很少的局部粉碎。

桥墩的形状会影响冰对桥墩的冲击力, 试验显示子弹头形状的桥墩比其他形状的桥墩更能减少冰力. 在确定桥墩上的冰力时，冰层厚度是最大的未知数。设计应该基于极端的，而不是平均的冰厚度。桥墩的高程对于计算倾覆弯矩非常重要。 

冰载荷对桥墩作用更详细的描述参看AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (Fifth Edition, 2010). 

关键词: 水平载荷; 动载荷; 桥梁

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