張旭　田帥　陳一鳴

摘 要：寒區(qū)橋梁主梁下部容易形成覆冰，本文從本專業(yè)角度出發(fā)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及實(shí)地考察，對(duì)覆冰冰柱的形狀進(jìn)行研究和分析，給出冰柱消除的合理化建議。

關(guān)鍵詞：寒區(qū)；主梁下部；冰柱；形狀

1 冰柱的形成[ 1 ]

橋面融化的雪水是冰柱產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，雪水順著主梁下部緩慢流淌，在橋下冷空氣的作用下凝結(jié)，形成覆冰，隨著時(shí)間的發(fā)展，冰體繼續(xù)向下發(fā)展，形成冰柱，冰柱在達(dá)到極限的形狀時(shí)，會(huì)在風(fēng)荷載及自重作用下發(fā)生斷裂，從而冰柱破壞。

2 冰柱的調(diào)查統(tǒng)計(jì)

以東北地區(qū)為例，對(duì)其外形和尺寸調(diào)查研究，見圖1所示，圖1（b）來(lái)源于百度網(wǎng)。

通過(guò)調(diào)查可知，冰柱形成于大雪后，溫度在0℃左右時(shí)形成。主梁下部并不是局限在冰柱形式上，多數(shù)是以冰排形式出現(xiàn)，即若干根冰柱根部連接在一起，共同形成和發(fā)展。

主梁下部的冰排長(zhǎng)度在1.0m左右的較為常見，但長(zhǎng)度在2.0m以上的，也有很多。以圖1（b）中的單根冰柱為例，該冰柱長(zhǎng)度至少在2.0m以上，最大截面處的直徑至少為5cm。另外，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，冰柱的形狀近似以圓錐體為主。

3 冰柱的物理實(shí)驗(yàn)[ 2 ]

制作7cm×7cm×17.5cm的試件，進(jìn)行冰體的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，在0℃時(shí)，測(cè)出冰體的抗壓強(qiáng)度為1.61Mpa。制作10cm×5cm×35 cm的試件，進(jìn)行冰體的彎曲實(shí)驗(yàn)，在0℃時(shí)，測(cè)出冰體的抗彎強(qiáng)度為1.02Mpa。制作3cm×12cm的試件，進(jìn)行冰體的拉伸實(shí)驗(yàn)，在0℃時(shí)，測(cè)出冰體的拉伸強(qiáng)度為0.53Mpa。從冰體的強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以看出，冰柱的拉伸強(qiáng)度最小，約為抗壓強(qiáng)度的1/3。實(shí)際冰柱中，冰體不密實(shí)，所以冰柱的強(qiáng)度按實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度的0.5倍取值，即冰柱抗彎強(qiáng)度為0.51 Mpa，拉伸強(qiáng)度為0.26 Mpa。

4 冰柱在自重作用下的外形尺寸分析

假設(shè)冰柱根部直徑為D，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，g為9.8N/kg，冰的密度為0.9g/cm3，根據(jù)G=ρVg，可求出冰柱的重力，根據(jù)應(yīng)力的推導(dǎo)關(guān)系式，可整理出冰柱自重與其拉應(yīng)力的關(guān)系式：

很顯然，冰柱的長(zhǎng)度L與根部直徑D無(wú)關(guān)。當(dāng)[？滓拉]取0.26Mpa時(shí)，冰柱的極限長(zhǎng)度為88m。這個(gè)數(shù)據(jù)是不可能的，首先橋面融化的雪水不可能流到這個(gè)長(zhǎng)度；其次，橋梁也沒(méi)有這個(gè)建筑高度；另外，當(dāng)冰柱的長(zhǎng)度超過(guò)3m時(shí)，很容易發(fā)生彎折斷裂。

5 冰柱在風(fēng)載作用下的外形尺寸分析[ 3 ]

風(fēng)荷載按照公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范選取，公式為FWh=k0K1K3Wd AWh。其中，K0、K1、K2均取1.0，風(fēng)速按取31.4m/s，風(fēng)壓取0.5KN/m2，迎風(fēng)面積按照冰柱側(cè)面積的一半計(jì)算。圓錐的重心距離圓錐底面 H/4 處。

根據(jù)應(yīng)力的推導(dǎo)關(guān)系式，可整理出冰柱受力與其彎折應(yīng)力的關(guān)系式：

很顯然，冰柱的長(zhǎng)度L與根部直徑D相關(guān)。當(dāng)[？滓彎折]取0.51 Mpa，D為5cm時(shí)，L為1.12m。當(dāng)[？滓彎折]取0.51 Mpa，L為2m時(shí)，D為8.9cm。很顯然，按照風(fēng)載做計(jì)算，冰柱的外形尺寸與實(shí)際調(diào)查十分接近。

遼東地區(qū)是以遼東半島為代表的遼河以東地區(qū)，本節(jié)是按照鞍山地區(qū)取的風(fēng)速和風(fēng)壓，因此冰柱在鞍山地區(qū)的最大長(zhǎng)度可為2m，根部最大直徑為8.9cm。

6 冰柱消除的合理化建議

在市政橋梁中，冰柱在發(fā)展到1.0m長(zhǎng)度時(shí)，必須將其鏟除。從設(shè)計(jì)角度上講，橋梁上部要做好防護(hù)欄和防撞墻的設(shè)計(jì)，特別是伸縮縫處，以減小雪水向下的流淌來(lái)源，這樣主梁下部的冰柱會(huì)更小，不至于傷人傷車。

參考文獻(xiàn)：

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附注說(shuō)明：

本文為遼寧科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)201510146023）的階段性研究成果。