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        寒區(qū)橋梁主梁下部覆冰的冰柱形狀研究

        2017-05-30 04:59:08張旭田帥陳一鳴
        科技風(fēng) 2017年5期
        關(guān)鍵詞:冰柱寒區(qū)形狀

        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):

        [1] 蔡琳,等.中國(guó)江河冰凌[M].鄭州:黃河水利出版社,2008.

        [2] 蔡之瑞,孫柏濤,郭世榮,等.冰荷載的實(shí)驗(yàn)研究與計(jì)算方法[J].地震工程與工程振動(dòng),1997,17(4):49-56.

        [3] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60-2004.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社.

        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。

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