一种涉水墩柱用气垫式抗冰防护结构、防护单元及其施工方法与流程

1.本发明涉及水利工程冰害防治技术领域，尤其是涉及一种涉水墩柱用气垫式抗冰防护结构、防护单元及其施工方法。


背景技术：

2.对寒区涉水结构而言，冰荷载通常为关键性的控制环境荷载，对于结构优化设计与安全运维均至关重要。用于消除或降低冰荷载影响的抗冰防护方法、装置或结构的研发一直是工程冰害防治技术研究领域的热点与难点。
3.寒区水域的河流、渠道、水闸的直立岸壁及桥墩、码头桩柱、海洋平台立柱等桩柱式结构，在冰期所遭受的冰荷载按方向可区分为水平向冰荷载和竖直向冰荷载。水平向冰荷载主要有膨胀力、推挤力及撞击力，竖直向冰荷载主要有上拔力及下拉力。水平向冰荷载由冰与结构发生水平向相对运动所产生，而竖直向冰荷载则有冰与结构发生竖直向相对运动所产生。具体而言，冰膨胀力由温度骤升所致，周围岸壁等边界约束的强弱会对膨胀力的大小产生很大影响，通常而言，当边界约束刚度越大时，冰面自由变形受束缚程度越强，在直立壁面上产生的膨胀力也越大。对于桩柱，当其周围冰面条件存在差异时，桩柱周围冰胀压力不均衡，可能形成较大的朝向薄弱侧的水平推力，导致桩柱发生弯拉破坏或剪切破坏。推挤力则是由平面尺寸较大的冰排受风、流驱动作用与壁面或桩柱长时间接触作用过程中所产生的一种水平向冰荷载，挤压力大小由环境动力、冰面尺度、冰压缩强度等因素决定。而当流冰以较大速度与壁面或桩柱发生撞击时，短时间内动量剧烈改变，产生较大撞击力，撞击力的大小与结构刚度、流冰尺度及初始速度等要素密切相关；通常而言，与冰发生撞击相互作用的接触面的刚度越大，则撞击历时越短，同初始动量的流冰所造成的撞击力会越大。竖直方向的上拔力或下拉力则主要是由冻结冰面随水位涨落而发生升降所引起，与冰-结构物接触面的冻结强度密切相关。
4.概言之，结构所受冰荷载除与由水文气候条件所决定的冰情等级密切相关，还与动力环境及结构本身等因素密切相关。改变水域水文状况以减轻冰情、破除冻结冰面以减少接触或优化结构性态以削弱冰力是发展抗冰防护技术的三种主要途径。目前国内外的抗冰防护方法或结构的作用机制大致可归纳为如下几类：(1)消冰式：通过导入热能方式提高结构周围局域温度，防止或减缓水体冻结；或通过鼓泡、搅动等方式机械扰动水体，延缓或破坏冰面初始冻结。(2)破冰式：通过人工方法或船舶等破冰设施定期主动破除并清理结构周围一定区域内冰面，使得结构周围形成清沟，避免冰面与结构粘结或接触，以断绝冰面与结构间的荷载传递路径。(3)涂覆式：通过在结构物表面涂覆疏冰类材料以降低冰与结构表面的粘结强度，实现结构表面覆冰量减少及粘附能力降低的功能。(4)斜坡式：通过在桩柱式结构上添加椎体或倒椎体装置或将直立边坡变为斜坡，使得冰面与壁面间的垂直相互作用转变为倾斜相互作用，冰与结构作用的破坏模式随之发生改变，由之前的挤压破坏变为弯曲破坏，实现冰与结构作用荷载的大幅降低。(5)缓冲式：通过在结构可能遭受冲击的部
位添加刚性缓冲装置或柔性缓冲材料以达到缓冲吸能目的，从而实现降低冰对结构的撞击力。
5.目前国内外所发展的用于桥墩、桩柱等结构的抗冰防护方法、装置或结构种类虽多，但在成本造价、适用范围、防护效果等方面尚有欠缺，有待进一步改进提升。消冰式与破冰式方法需要投入较多能耗或人力；涂覆式方法虽可有效降低冰与结构物表面的粘结强度，可降低冰与结构间的竖直向冰荷载，但涂覆层容易遭到破坏而失效，也无法降低水平向冰荷载。斜坡式结构对降低水平向冰荷载具有较好效果，但其无法降低竖直向冰荷载；缓冲式装置即适用于待建结构也适用于已建结构，适用性较好，但目前已有的缓冲式装置构造较为复杂、施工较为繁琐，且主要考虑对水平向冰荷载的缓冲作用。
6.因此，综合考虑抗冰防护性能、造价、实用等因素，研发一种即可有效降低水平向冰荷载又可有效降低竖直向冰荷载，且适用范围广、安装方便、成本低廉的抗冰防护结构对保障寒区结构工程安全具有重要意义。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明旨在提出一种涉水墩柱用气垫式抗冰防护结构、防护单元及其施工方法，从而解决现有技术的不足。
8.为实现上述目的，本发明提出的其中一个技术方案是：一种涉水墩柱用气垫式抗冰防护结构，所述防护结构由防护单元并排串联构成，为薄板状的模块化结构；
9.每一个防护单元并排着立式贴附于桥墩和/或桩柱结构上与冰面的接触作用区域；
10.相邻防护单元通过至少上下两道绳索穿过所述套槽绑定到桥墩和/或桩柱结构上，紧密排布。
11.进一步的，相邻防护单元间通过充气阀、排气阀、气管相互串联，任意一个防护单元内气体可通过排气阀经气管流入相邻防护单元，用于串联防护单元间的气压传递。
12.本发明提出的其中另一个技术方案是：一种防护单元，应用于上述的一种涉水墩柱用气垫式抗冰防护结构的使用中，防护单元，用于降低作用于桥墩和/或桩柱结构上的冰荷载，防护单元包括：
13.至少一个的上舱室，防护单元在充气后，用于承接作用于防护单元表面的冰荷载；
14.与所述上舱室下端相连接的至少一个的下舱室，防护单元在充气后，部分防护单元可置于水中，用于防护单元的配重。
15.进一步的，所述上舱室与所述下舱室可一体成型，所述上舱室与所述下舱室相连接的部分为舱室隔断层。
16.进一步的，所述上舱室内设有多层水平向的拉丝结构，用于所述上舱室充气后，所述上舱室的形态为薄板形态。
17.进一步的，所述上舱室设有至少一个充气阀、至少一个为排气阀及其至少一个安全阀。
18.进一步的，所述下舱室表面上设有开口，用于填充、排放配重物料。
19.进一步的，防护单元的外侧表面上设有至少一个的套槽，用于套接绳索固定防护单元。
20.本发明提出的其中另一个技术方案是：一种防护结构施工方法，该方法包括：
21.s1、根据桥墩和/或桩柱结构的横截面周长，确定上述一种防护单元的厚度、宽度以及防护单元数目；
22.s2、根据桥墩和/或桩柱结构所在工程水域的常年平均冰厚、水位变幅等要素确定防护单元的高度；
23.s3、下舱室灌沙及灌水配重：先往下舱室填充细沙，填充满后，再灌水，下舱室空间完全被细沙与水填充；
24.s4、利用气泵对上舱室进行充气，使气压达到0.05mpa；
25.s5、将已完成s3-s4步骤的防护单元运抵桥墩和/或桩柱结构所在区域，并排放置于墩和/或桩柱结构周围，确保水面与防护单元上舱室中间高度位置相对齐平；
26.s6、将上下两道绳索通过防护单元外侧面的套绳槽，将多个防护单元绑定于墩柱上，形成防护结构，防护结构在自重、配重、浮力、摩擦力的作用下达到平衡；
27.s7、通过气管将相邻防护单元串联起来，任意一个防护单元内气体可通过排气阀经气管流入相邻防护单元，实现串联防护单元间的气压传递。
28.进一步的，s7中，当上舱室的气压高于0.2mpa的内压阈值时，上舱室的安全阀会自动开启释放压力，待舱室内气压降低至0.2mpa以下后安全阀才会自动关闭，以避免气压过高而发生损毁。
29.本发明的有益效果是：
30.1、本发明的技术在墩柱与冰面之间构筑了韧性较强的缓冲变形带，不仅可以有效削弱冰膨胀力以及四周不均匀膨胀力所引发的冰推力，还可削弱由水位涨落带动冰面升降所产生的竖向作用力，特别适用于静水域墩柱的抗冰防护。
31.2、可以根据墩柱的实际尺寸，调整防护单元数量，防护单元具有通用性。
32.3、因其模块化特点，局部防护单元的损毁并不意味着防护结构整体的失效，非损毁单元还可独立正常发挥作用。
33.4、因其模块化特点，维护时只需对发生损毁的防护单元进行替换即可，节约成本，便于施工与维护，实用性大大增强。
附图说明
34.图1是本发明中实施例1-6的防护单元的内部结构示意图；
35.图2是本发明中实施例1-6的防护单元的外部结构示意图；
36.图3是本发明中实施例1-6的防护单元的外部结构侧视图；
37.图4是本发明中实施例7-8的防护结构的示意图；
38.图5是本发明中实施例7-8的防护结构布置在桥墩和/或桩柱结构上的俯视示意图；
39.图6是本发明中实施例9的防护结构布置在桥墩和/或桩柱结构上的侧立面剖视示意图；
40.其中，1、防护单元；2、上舱室；3、下舱室；4、舱室隔断层；5、拉丝结构；6、充气阀；7、排气阀；8、安全阀；9、开口；10、套槽；11、气管。
具体实施方式
41.为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。
42.实施例1
43.如图1-3所示，一种防护单元，防护单元1，用于降低作用于桥墩和/或桩柱结构上的冰荷载，防护单元1包括：
44.至少一个的上舱室2，防护单元在充气后，用于承接作用于防护单元表面的冰荷载；
45.与所述上舱室2下端相连接的至少一个的下舱室3，防护单元在充气后，部分防护单元1可置于水中，用于防护单元1的配重。
46.具体的，下舱室3所用的配重物质采用细沙及水。
47.具体的，当上舱室2与下舱室3分体设置时，上舱室2与下舱室3面料材质均为强弹耐磨耐寒的顺丁橡胶。
48.实施例2
49.如图1-3所示，在实施例1的结构基础上，进一步的，所述上舱室2与所述下舱室3可一体成型，所述上舱室2与所述下舱室3相连接的部分为舱室隔断层4。
50.具体的，当上舱室2与下舱室3一体设置时，上舱室2、下舱室3以及舱室隔断层4面料材质均为强弹耐磨耐寒的顺丁橡胶。
51.实施例3
52.如图1-3所示，在实施例1-实施例2的结构基础上，进一步的，所述上舱室2内设有多层水平向的拉丝结构5，用于所述上舱室2充气后，所述上舱室2的形态为薄板形态。
53.具体的，拉丝结构5为高强纤维层。
54.实施例4
55.如图1-3所示，在实施例1-实施例3的结构基础上，进一步的，所述上舱室2设有至少一个充气阀6、至少一个为排气阀7及其至少一个安全阀8。
56.实施例5
57.如图1-3所示，在实施例1-实施例3的结构基础上，进一步的，所述下舱室3表面上设有开口9，用于填充、排放配重物料。
58.实施例6
59.如图1-3所示，在实施例1-实施例3的结构基础上，进一步的，防护单元1的外侧表面上设有至少一个的套槽10，用于套接绳索固定防护单元。
60.实施例7
61.如图4-5所示，一种涉水墩柱用气垫式抗冰防护结构，所述防护结构由上述实施例1-实施例6任意一个实施例所述的一种防护单元并排串联构成，为薄板状的模块化结构；
62.如图4-5所示，每一个防护单元1并排着立式贴附于桥墩和/或桩柱结构上与冰面的接触作用区域；
63.如图4-5所示，相邻防护单元1通过至少上下两道绳索穿过所述套槽11绑定到桥墩和/或桩柱结构上，紧密排布。
64.实施例8
65.如图4-5所示，在实施例7的结构基础上，进一步的，相邻防护单元1间通过充气阀6、排气阀7、气管11相互串联，任意一个防护单元1内气体可通过排气阀7经气管11流入相邻防护单元1，用于串联防护单元1间的气压传递。
66.实施例9
67.如图6所示，一种防护结构施工方法，该方法包括：
68.s1、根据桥墩和/或桩柱结构的横截面周长，确定上述实施例1-实施例6任意一个实施例所述的一种防护单元的厚度、宽度以及防护单元数目；
69.具体的，防护单元1的厚度t(单位：m)以0.1-0.4m为宜，墩柱径向直径d(单位：m)较大时取大值，较小时取小值。具体而言，防护单元1厚度t与墩柱径向直d有如下关系：
[0070][0071]
s2、根据桥墩和/或桩柱结构所在工程水域的常年平均冰厚、水位变幅等要素确定防护单元1的高度；
[0072]
具体的，上舱室2高度(hu，单位：m)根据涉水墩柱所处水域常年平均冰厚(h
ice
，单位：m)及冬季平均水位变幅(δhw，单位：m)确定。上舱室2最上沿位置(z
uh
，单位：m)为冬季平均高水位(z
wh
，单位：m)再加上一个附加高度(δh
eh
，单位：m)，附加高度为1.0倍常年平均冰厚且附加高度不小于0.25m；上舱室2最下沿位置(z
ul
，单位：m)为冬季平均低水位(z
wl
，单位：m)再减去一个附加高度(δh
el
，单位：m)，附加高度为1.0倍常年平均冰厚且附加高度不小于0.25m。上舱室最2上沿与最下沿位置之差即为上舱室高度。以上各物理量间的数学关系式为：
[0073]hu
＝z
uh-z
ul
[0074]zuh
＝z
wh
δh
eh
[0075]
δh
eh
＝max(0.25，h
ice
)
[0076]zul
＝z
wl-δh
el
[0077]
δh
el
＝max(0.25，h
ice
)
[0078]
δhw＝z
wh-z
wl
[0079]
防护单元的上舱室2高度的最终表达式为：
[0080][0081]
下舱室3高度的确定方法为：在不考虑防护单元1自重及防护单元1与墩柱壁面摩擦力情形下，通过往下舱室3完全填充细沙及水配重后，防护单元1在配重及浮力作用下，水面位于上舱室2的中间高度位置。根据力平衡原理，上舱室2的高度hu和下舱室3的高度hd应满足如下关系式：
[0082]
ρ
wg·
(0.5hu hd)＝ρ
sg·
(1-n)hd ρ
wg·
nhd[0083]
其中：ρw为水的密度，可取1000kg/m3；ρs为泥沙密度，可取为2650kg/m3；g为重力加速度，可取为10.0m/s2；n为细沙堆积孔隙率，一般为0.4。
[0084]
化简得：
[0085][0086]
带入已知参数数值后得：
[0087]
hd＝0.505hu[0088]
实际设计时，下舱室3高度(hd)可设置为0.5倍上舱室2高度(hu)。
[0089]
防护单元1宽度(w)以防护单元1厚度(t)的3～5倍为宜，建议取值为4倍。针对直径为d的圆截面涉水墩柱，首先计算防护结构1中间厚度处周长(l)，然后再计算所需防护单元1数量(n)及防护单元宽度(w)，具体计算公式如下：
[0090]
l＝π(d t)
[0091][0092][0093]
s3、下舱室3灌沙及灌水配重：先往下舱室3填充细沙，填充满后，再灌水，下舱室3空间完全被细沙与水填充；
[0094]
s4、利用气泵对上舱室2进行充气，使气压达到0.05mpa；
[0095]
实际设计时，基于气垫式防护单元的几何尺寸、采用的内压阈值、面料的力学性能参数等系列已知参数，通过有限元分析可计算确定出满足设计要求的面料厚度ts。
[0096]
s5、将已完成s3-s4步骤的防护单元运抵桥墩和/或桩柱结构所在区域，并排放置于墩和/或桩柱结构周围，确保水面与防护单元1上舱室中间高度位置相对齐平；
[0097]
s6、将上下两道绳索通过防护单元1外侧面的套绳槽，将多个防护单元1绑定于墩柱上，形成防护结构；
[0098]
具体的，防护结构在墩柱上的稳固绑定通过调节绳索张紧力实现。
[0099]
s7、通过气管11将相邻防护单元串联起来，任意一个防护单元1内气体可通过排气阀7经气管11流入相邻防护单元1，实现串联防护单元1间的气压传递。
[0100]
进一步的，s7中，当上舱室2的气压高于0.2mpa的内压阈值时，上舱室2的安全阀会自动开启释放压力，待舱室内气压降低至0.2mpa后安全阀自动关闭，以避免气压过高而发生损毁。
[0101]
气垫式防护单元串联而成防护结构能够有效削弱竖向及水平向冰载，具体原理如下：
[0102]
(1)竖向荷载削弱原理：主要体现于防护单元径向的竖向变形(即防护单元的外侧面在竖向荷载作用下相对于内侧面会发生向上或向下的位移)可减小冰面涨落的相对位移，从而削弱因水面涨落而产生的竖向冰载。(2)水平向荷载削弱原理。主要体现于两个方面，其一为当流冰撞击墩柱时，因防护单元的缓冲作用，增加了流冰与墩柱的作用时长。根据动量定理，作用于墩柱的撞击力能够被有效削弱。其二，当墩柱周围存在不均衡冰胀挤压作用时，冰胀挤压力较大侧对应的防护单元内的气压会较高，而冰胀挤压力较小侧的防护单元内的气压会较低，压差驱动作用下，气流从高压防护单元往低压防护单元流动。最初高
压防护单元径向发生收缩，与周围冰面的挤压作用下降；而最初低压防护单元径向发生扩张，与周围冰面的挤压作用增强，最终可实现防护单元间压差降低，墩柱四周冰胀力亦可趋于均匀，从而避免在墩柱上形成较大的某一方向的冰推力。
[0103]
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。