[发明专利]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

说明书

本发明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,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，特别适用于降低静水域墩柱的抗冰防护。此外，防护结构模块单元化的构成方式便于施工与维护，实用性大大增强。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容