王月新

摘 要：我國(guó)幅員遼闊，北緯35°以北地區(qū)水域均會(huì)發(fā)生冰凍現(xiàn)象，并可能形成局部的冰層。處在水域之中的橋墩常常因冰壓力造成破壞，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大地威脅，因此，橋梁的建設(shè)與管理單位應(yīng)采取必要的防護(hù)措施。本文介紹冰壓力的主要成因，并總結(jié)幾種比較常用的防護(hù)措施可供參考。

關(guān)鍵詞：橋墩；冰壓力；防治措施

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）32-0193-01

引 言

凍害現(xiàn)象直接關(guān)系著結(jié)構(gòu)本身的安全與壽命等要素[1]，我國(guó)松花江地區(qū)一個(gè)水文年中的封凍時(shí)期長(zhǎng)達(dá)四個(gè)半月[2]。經(jīng)歷一個(gè)完整的冬季，隨著外界氣溫的變化，冰層將對(duì)橋墩產(chǎn)生不同形式的作用力，主要可分為靜冰壓力與動(dòng)冰壓力。針對(duì)兩種形式的作用力，減小冰壓力的原理也不盡相同，針對(duì)不同類型冰壓力應(yīng)采取與之相適應(yīng)的手段。

1 冰壓力的主要成因

1.1 靜冰壓力

冰層的靜冰壓力指的是指冰層在外界氣溫的影響下，受熱產(chǎn)生體積膨脹，而水域中的水工結(jié)構(gòu)物阻止了冰層的自由變形，因而冰層對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的擠壓作用。當(dāng)冰層厚度不大時(shí)，靜冰壓力不會(huì)很大；當(dāng)冰層厚度達(dá)到一定的規(guī)模時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大的壓力，長(zhǎng)期如此會(huì)導(dǎo)致混凝土表面酥松剝落，導(dǎo)致橋墩強(qiáng)度下降。

1.2 動(dòng)冰壓力

冰層的動(dòng)冰壓力指冰層在春初時(shí)開(kāi)始融化，解凍為大小不一的冰排，在水流和風(fēng)的共同作用下自由漂浮，對(duì)阻礙其運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的沖擊壓力。根據(jù)調(diào)查表明，由于設(shè)計(jì)中忽視動(dòng)冰壓力的作用而造成橋墩剪切破壞的例子屢見(jiàn)不鮮，冰排體積越大，往往對(duì)橋墩產(chǎn)生的剪切力也越大，影響橋墩的穩(wěn)定性。

2 冰壓力的主要防治措施

在橋梁的設(shè)計(jì)階段，冰壓力應(yīng)當(dāng)給予充分的重視，設(shè)計(jì)階段主要控制方向有：原材料、混凝土配合比、環(huán)境因素、施工和養(yǎng)護(hù)條件、設(shè)計(jì)構(gòu)造因素。但是由于我國(guó)對(duì)冰壓力研究起步較晚且認(rèn)識(shí)不足，很多橋梁未把冰壓力作為設(shè)計(jì)的影響因素考慮進(jìn)去，針對(duì)這些橋梁，可采用以下方法減輕冰壓力：

2.1 人工破冰法

此方法適用于防治靜冰壓力，一般每隔2～3d，采取人工或者機(jī)械在橋墩周圍開(kāi)鑿0.5～1.5m寬的水槽，從而避免冰層與橋墩的接觸，隔斷冰壓力的傳遞。開(kāi)槽后產(chǎn)生的碎冰要及時(shí)撈出，否則會(huì)繼續(xù)凍結(jié)。如果運(yùn)用機(jī)械開(kāi)鑿，要求考慮冰層能承受機(jī)械的重力，防止意外發(fā)生。

2.2 設(shè)置破冰體法

此方法是在橋墩周圍設(shè)置錐形的破冰體，同時(shí)適用于防治靜冰壓力與動(dòng)冰壓力。破冰體可把冰層對(duì)結(jié)構(gòu)的水平力分解為水平力和垂直力，同時(shí)利用冰層的撓曲減小冰壓力。冰壓力隨著破冰體的豎向前棱傾角角度減小而減小。若每年水域的水位變化幅度不大，可設(shè)置固定的破冰體；若水位變化較大，可設(shè)置浮式破冰體。

2.3 塑料薄膜引滑法

此方法是在河岸堤壩處設(shè)置表面光滑且具有一定的柔性的塑料薄膜，在堤壩處形成光滑的表面，使冰層在堤壩斜面處可以相對(duì)滑動(dòng)，使冰層成為自由面，從而把冰層積蓄的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為對(duì)水體做功，釋放冰層的靜冰壓力。實(shí)踐證明此方法簡(jiǎn)單可行，成本低廉，效果明顯。

2.4 防凍吹冰法

在冰層下面的水流溫度隨著深度的增加而升高，一般可達(dá)0～4℃。防凍吹冰法就是利用這一特性，用壓縮空氣從水域深處射出溫暖的水流射向冰層，這股水流可以融化水域表面的冰層。在橋墩周圍使用這種方法，可持續(xù)保障橋墩不受冰層的影響。這種方法與人工破冰法相比成本更高，耗電量大，但是避免了人工作業(yè)的危險(xiǎn)。對(duì)防治靜冰壓力有較好的效果。

2.5 壓力水射流法

壓力水射流法是通過(guò)冰層下部水通過(guò)潛水泵高壓噴射沖擊冰體，從而使冰層破壞，且水流會(huì)不斷擾動(dòng)水體，形成部分不結(jié)冰的部分。同時(shí)還有將社水管安裝于水面以上的做法，稱為噴淋式。射水孔直徑一般在3～12mm，孔距0.5～1.0m，射水管一般埋置在在冰層下表面2～5m范圍內(nèi)。此方法安裝簡(jiǎn)單，射水水源可直接取自冰下水域，可有效的減少靜冰壓力。

2.6 保溫板法

保溫板法通常采用聚苯乙烯泡沫板做水面保溫，適用于防治靜冰壓力，聚苯乙烯材料具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)，良好的力學(xué)性能，能夠持續(xù)保持橋墩附近的水面溫度場(chǎng)的穩(wěn)定。一般選用的保溫板寬度為1.5～3m，厚度為10～15cm，鋪設(shè)時(shí)保溫板之間應(yīng)連接緊密，不得留有間隙，周圍應(yīng)牢固固定防止位移。實(shí)踐表明，在保溫板附近水域可形成部分不結(jié)冰的區(qū)域。但是保溫板的安裝質(zhì)量受人工操作水平限制較大且暫不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

3 結(jié) 論

在設(shè)計(jì)階段應(yīng)提高對(duì)冰壓力的認(rèn)識(shí)，在防治冰壓力的實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)首先判斷冰壓力的類型，采取針對(duì)性的防治措施。同時(shí)，方法的選取要針對(duì)當(dāng)?shù)氐臈l件，因地制宜的采取措施。此外，在橋梁的建設(shè)與日常管理階段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管，及時(shí)處理，從源頭消除危害。

參考文獻(xiàn)

[1]任玉平，趙立志.水工建筑物凍害分析及防治措施分析探討[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2017（30）：182～183.

[2]黃 焱，史慶增，宋 安.冰溫度膨脹力的有限元分析[J].水利學(xué)報(bào)，2005，36（3）：314～320.

收稿日期：2018-9-21