雨雪气候变化引起的桥下冰柱对道路工程运营的影响
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摘 要：针对桥下冰柱的安全隐患问题，对全国各城市桥下冰柱进行了统计分析，在实验室开展了0℃～-10℃下冰体的强度实验，以辽宁东部地区为例，预测了该地区冰柱的最大尺寸及重量，并从多个方面分析了冰柱脱落引发车辆及行人事故的规律，最后对冰柱的防治措施提出合理化的建议。研究结果表明：辽宁东部地区冰柱的最大长度可为2m，根部最大直径为8.9cm，冰柱长度与根部直径之间的关系为22.5倍;冰柱长为1m以上时，对行人有损伤，应尽量绕行;在今后的桥梁设计中应考虑冰柱问题，从设计角度将冰柱安全隐患降低到最低程度。
关键词：道路工程;雨雪气候;桥下冰柱;运营影响;防治措施
冬季，我国北方地区随处可见一些悬挂在高架桥下方的冰柱。别看这些冰柱一个个长得晶莹剔透，可近些年来，它坠下砸伤的路人和车辆还真不少，直接影响道路工程运营。在易发生冰柱的立交桥位置，如何防范和减小冰柱危害，方便车辆及行人通行，具有一定的现实意义。
1 冰柱病害的统计分析
从近些年新闻报道上统计，选取冰柱病害较为典型的城市进行汇总统计，其结果见下表。
我国冰柱典型病害问题统计表城市冰柱严重程度产生冰柱的主要原因南京桥檐下垂着的冰柱，最长的有一米多长，有膀子粗细。桥梁漏水管水结成冰，变成冰柱倒挂着。
武汉被摔断的冰柱长1.5米，重约30斤桥梁漏水管水结成冰，变成冰柱。
宁波铁路桥掉十几斤重的冰柱，穿过挡风玻璃砸断司机手臂。天气冷，漏水管的水结成了冰，变成冰柱倒挂着。
乌鲁木齐冰柱在桥下随处可见，最长约有一米，多数位于连接处及梁体缝隙间。连日雨雪袭城，覆盖在桥上的积雪融化后，在桥体下侧形成了冰柱。
太原小的只有十几厘米长，大的长度能达到一米。每隔几十米就倒挂着个冰柱子。空气中本身有水蒸汽，会凝结成霜、雾附着在桥面上，时间长了就积少成多，最后凝结成冰柱。
沈阳很多1米长的冰柱悬挂在桥梁下，随时有脱落的危险。覆盖在桥面上的积雪融化后，在桥体下侧形成了冰柱。
从上表可以看出，冰柱的重量较大，如果冰柱从桥上脱落，将影响道路工程运营，并可能引发5种事故模式：伤行人、伤车、伤车后砸伤驾驶员、伤车后车撞人、众车连撞，而且每种事故模式都不能小觑，都可能引起财产损失甚至是人身伤亡。从统计得出，在降雪量较大的地区，冰柱问题较为突出;在降雪量较小，但有冷空气作用的地区，也存在冰柱问题;在没有降雪量、只有短时间冷空气作用的地区，也会出现冰柱问题;位于长江以南的城市，不用考虑桥下冰柱问题。因此，我国城市桥下冰柱分布大体可以分为四个区：冰柱严重地区、冰柱较重地区、冰柱轻微地区、冰柱可忽略地区。
2 冰柱的物理力学性能及冰害分析
2.1 冰柱的物理力学性能试验[1-3]
基于冰柱产生所需的雨雪气候条件，开展0℃～-10℃区间内的冰体强度实验，其应变速率取5.7×10-3.S-1。首先，制作7cm×7cm×17.5 cm的试件，进行冰体的单轴压缩实验。冰体在0℃时的抗压强度为1.61Mpa，在-5℃时，抗压强度为3.01Mpa，由于冰柱在0℃时会融化脱落伤人伤车，因此冰柱抗压强度取1.61Mpa。其次，制作10cm×5cm×35 cm的试件，进行冰体的抗折强度实验。冰体在0℃时的抗折强度为1.02Mpa，在-5℃时，抗折强度为1.6Mpa，按冰体0℃时融化脱落考虑，冰柱抗折强度取1.02Mpa。最后，制作3cm×12cm的试件，进行冰体的拉伸实验。在0℃时，测出冰体的拉伸强度为0.563Mpa。
从冰体的强度数据可以看出，冰柱的拉伸强度最小，约为抗压强度的1/3。由于实验室冻制的冰体密实，而实际冰柱差之，实际强度会有较低。因此，冰柱的强度按0℃实验强度的0.5倍取值，即拉伸强度为0.28MPa。
2.2 冰害分析
以長春市冰柱伤人报导为例，冰柱重量约0.27kg，长度约0.7m，冰柱位置高度为33m，撞击到行人时的速度为25m/s，动量为6.75kg.m/s，将其换算为桥梁净高5m时，冰柱长度为11m，重量为0.7kg。该结论在乌鲁木齐市的伤人报导中可验证。因此，当行人在有冰柱的桥梁下行走时，当目测冰柱长度在1m以上时，应尽量绕行。
考虑车辆临时停车情况，以宁波市冰柱伤车报导为例，通过该事故的冰柱重量可反推出冰柱长度为2.2m，即冰柱长度达到2m以上、冰柱位置高度为5m时，对车辆的挡风玻璃及司机造成损伤，伤车时的速度为9.8m/s。以奉化地区报导为例，冰柱长度为1.3m左右，可推出冰柱质量为1.2kg，冰柱位置高度为5m，伤车时的速度为9.8m/s，冰柱将车辆挡风玻璃击碎。因此，冰柱在1m左右时，对车辆挡风玻璃有损伤。但当冰柱长度为2m以上时，除挡风玻璃受到损失外，司机也有受伤的风险。
3 冰柱病害的防治措施
3.1 预防措施
对于立交桥，可以考虑改性沥青伸缩缝，减小伸缩缝处的漏水问题;对于降雪量较大的地区，可以在梁体侧面涂抹憎水、憎冰体的涂料，其涂料可以按照电力设施的防冰涂料来选取;对于秦岭淮河与长江以北之间的地区，可以从泄水管材料上考虑，选择憎水、憎冰体材料的泄水管。
3.2 清除措施
清理冰柱的方法可以考虑：直接用棍子敲打、用捆着钢筋的竹竿敲打，坐在升降车或高空作业车上将冰柱敲下。
3.3 警示措施
在易发生冰柱的立交桥地区，可在桥的梁体上附加警示措施，或在前方100m处设置警示标志，给司机及行人以提醒。此类警示措施交通部并未设计，应合理加设相应的警示标志。
4 结论
（1）经冰柱病害统计，我国桥下冰柱分为冰柱严重地区、冰柱较重地区、冰柱轻微地区、冰柱可忽略地区，在今后桥梁设计中应结合冰柱分区问题有效开展冰柱的防治设计;
（2）经冰体强度实验，得出冰柱的拉伸强度最小，约为抗压强度的1/3，0℃时冰柱拉伸强度可取0.28Mpa，抗折强度取0.51MPa;
（3）辽宁东部地区冰柱的最大长度可为2m，根部最大直径为8.9cm，冰柱长度与根部直径之间的关系为22.5倍;
（4）冰柱长为1m以上时，对行人有损伤。
参考文献：
[1]蔡琳，等.中国江河冰凌[M].郑州：黄河水利出版社，2008.
[2]蔡之瑞，孙柏涛，郭世荣，等.冰荷载的实验研究与计算方法[J].地震工程与工程振动，1997，17（4）：49-56.
[3]中交公路规划设计院.JTG D60-2004.公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社.
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