流冰

流冰撞击对桥梁墩台的风险研究
1.研究背景
位于北方寒冷地区的河流随着气温升高，冰层化解，并随江河流水顺流而下，形成浩浩荡荡的春季流冰，有时会造成对桥梁墩台严重作用的流冰荷载。

桥梁常受到春季流冰的威胁，特别是冰情严重的年份，冰害时有发生。

冰荷载作为桥梁和水工结构物设计依据的主要外荷载之一，在桥墩和桥台的设计、使用阶段，必须考虑流冰的作用。

我们需要开展流冰撞击力及其防撞措施的研究，从而准确估算流冰撞击力，计算桥梁结构在流冰作用下的位移响应，对桥梁设计和保证结构的安全具有重要意义。

2.应对措施
流冰对桥墩的危害主要表现在大面积流冰对桥墩的撞击力和大面积流冰堆积现象以及流冰对桥墩的磨损。

对此，在中等以上流冰河道(冰厚大于0.5 m，流水速度1 m/s左右)及有大量漂流物的河道，应在迎水方向设置破冰棱体。

航运繁忙的河道，船只往往因突发原因引起航行失控，或是因能见度低造成船舶与桥墩相撞。

桥墩在设计中不但要有一定抵抗冲击荷载的能力，还要考虑采用缓冲装置和保护系统，改变冲击荷载的方向或减少对桥墩的冲击荷载，不使其破坏。

在桥墩设计中，桥墩类型和截面形状的选择，需要考虑河流中有无流冰、流木、船舶或其他漂流物对桥墩的撞击、磨损。

在进行水文、气象资料调查时，设计和施工水位的流量与流速；流冰与流木情况；当地气温，冻结深度等都是需要搜集的资料。

对于流冰，防护对策是破碎、缓冲、保护，我们通常从以下三方面采取措施：
(1) 在桥梁上游拦截，减少漂浮物撞到桥梁的可能性；
(2) 加强桥梁迎水面各危险部位构件，提高其防撞能力；
(3) 在迎水面的主要构部件上施加耗能减振防撞设施，以减轻漂浮物对桥梁的破坏作用。

设置破冰体常采用，分离式、非分离式破冰棱、破冰罩，桩支承，人工岛，漂浮式，系缆桩和防护板。

此外，还可采用如炮轰、飞机投弹、人工爆破等来减小流冰的体积，以减轻流冰对桥梁墩台撞击力大小等有效方法。

3.桥梁工程实例
在古代的桥梁中，我们也可以找到人们针对流冰撞击做出的防护措施。

为了抵御流水漂木、流冰等的撞击，山区河流上的石拱桥设计多半采用厚墩，如果一个桥墩被冲垮，只影响左右两孔而不影响别的孔。

中国北方厚墩联拱桥著名的是北京卢沟桥。

卢沟桥全长266.5米，宽7.5米，最宽处可达9.3米。

有桥墩十座，共11孔，整个桥体都是石结构，关键部位均有银锭铁榫连接，为华北最长的古代石桥。

特别是桥墩造法颇有特色，墩平面呈船形，迎水面用石料砌成分水尖，像一个尖尖的船头，尖长4.5-5.2米，尺寸较大，约占整个桥墩尺寸的十分之四。

它的作用是为抗击洪水和冰块的冲击，因为永定河自怀来以下经过高山峡谷，水流十分湍急，而卢沟桥正当其冲，再加之每当春季上游冰雪溶化，水势猛涨，河面上又有大量冰块顺流急下，撞击桥墩。

为减少冰块的威胁，在分水尖尖端垂直安装三角
形铁包柱，三角铁柱边长约26厘米，尖形的铁包柱用于抵御急流和破碎流冰，能起到保护桥墩的作用，人们把三角铁称为“斩龙剑”。

桥墩顺水一面做成流线型，向内收进如船尾，使水流一出就分散，大大减少了券洞内的水流挤压力。

加拿大全境位于北纬45°以北，冰问题尤为突出，是世界上对冰问题研究最广泛的国家。

下图(图1)是加拿大联邦大桥的桥墩组成图，桥墩采用节段预制拼装施工，由于处于高寒地区，为了应对流冰的撞击作用，在墩身水位变动区采用加厚的防冰体，这座桥的防冰设计可视为现代大跨桥梁的典范。

图1 联邦大桥桥墩组成图
4.规范、试验及监测
为了消除冰带来的灾害，早在100多年前人们就开始了对冰的研究。

前苏联是最早开展河冰研究的国家，并首次在桥梁涵洞设计中提出了冰对桥墩作用的计算公式。

流冰能撞到桥梁墩台，可按桥梁墩台受水平荷载作用验算截面强度、墩台稳定性、基础抗滑等。

在我国现行的《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004 )中，提出了对具有竖向前棱的桥墩，冰压力的取用规定，还给出了建议的结构形式。

虽然规范提出了一些较为具体的要求和说明，但对具体地区尚缺乏一些具体的规定。

对冰荷载的规定尚不完善，而且采用的计算公式是参考苏联相应成果给出的，与我国冰情现状有一定的差距，且随着环境气候条件的变化，流冰时期的温度条件亦发生了变化等等。

因此在借鉴国内外有关河冰荷载研究的基础上，我们要推导出适合我国冰情的冰荷载计算公式，并与实测资料进行比较，论证该冰荷载计算公式的准确性。

目前对动冰研究除了有现场冰力测量及理论分析之外，还发展了室内模型试
验。

在国内，许多水利部门己普遍开展冰情的野外观测，冰条件数据采集，并依据这些观测数据，开展冰情预报研究及防治冰灾害研究等，为更好的防治和减轻冰灾害做出了贡献。

在试验观测中，为了解流冰对大桥的撞击力，以及在流冰作用下大桥的动力反应，在流冰撞击破冰体位置处安装压力传感器，测量流冰撞击力，并在桥墩顶部安装位移测量仪器，测量了流冰撞击作用下上部结构的振动特性。

整个试验过程可通过微机控制并进行数据自动存储。

为了确保大桥在流冰撞击下的安全运营，还有必要对桥梁进行安全监测，建议监测内容为：①观测大桥的动力性能变化；②观测流冰作用下桥墩墩顶桥面水平与竖向最大动位移；③观测流冰撞击力；④检查大桥各部位结构部件的使用情况。

参考文献：
[1] JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[2] 张谢东，郭俊峰，张群，吴翚，赵钱欢.凌汛期冰载作用下桥墩受力分析研
究.交通科技，2009，02.
[3]卢远兴，卢远芳.流冰对佳木斯松花江公路桥梁的动力反应王颖.交通科技与
经济，2003，04.
[4] 陈宝喜，于天来.ANSYS在流冰对桥墩撞击仿真中应用.低温技术，2008，
04.。