分析冰膨脹變形下木棧道的受力情況,應(yīng)用物理學(xué)論文大連東港商務(wù)區(qū)景觀帶位于鉆石港灣的臨海區(qū)域，其東西長6km,南北80m,主要由休閑路、景觀廣場、綠化帶組成，木棧道作為靠近護(hù)岸防波堤內(nèi)側(cè)的景觀休閑道路。即便在冬季，大連的海面不能封凍。假如風(fēng)浪較大，波浪破碎后會越過防波堤胸墻，進(jìn)入木棧道〔見圖1〕;而這部分進(jìn)來的海水在木棧道下部無法排出，假如碰到嚴(yán)寒天氣，它就有可能在木棧道下凍結(jié)，給木棧道施加向上的冰凍脹作用力。

冰對構(gòu)造物的作用有多種方式，詳細(xì)與冰性質(zhì)、冰與構(gòu)造物的接觸方式和建筑材料在低溫下的性能是分不開的[1].對于木棧道這種特殊構(gòu)造形式，其水平方向有固定金屬龍骨約束，在水結(jié)冰膨脹與冰升溫膨脹時會對木棧道板條產(chǎn)生向上的擠壓力，很可能使得板條脫離龍骨造成失穩(wěn)。文獻(xiàn)研究表示清楚在冰膨脹力方面的最新成果是考慮冰層膨脹時對構(gòu)造物產(chǎn)生的水平作用力[2,3],而垂直方向上的冰膨脹力研究很少。這樣對于防波堤內(nèi)側(cè)木棧道這種組合式構(gòu)造受豎向冰膨脹力影響的研究尚沒有相關(guān)規(guī)范或經(jīng)歷體驗(yàn)公式以供參考。但是關(guān)于凍土地區(qū)的凍土膨脹對建筑物的影響是有充分研究的[4,5],且對于凍土的凍脹敏感性試驗(yàn)研究的方式方法在不斷改良[6,7],給我們的研究提供技術(shù)方式方法上的借鑒。文中試驗(yàn)研究利用大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的組合式低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的動態(tài)水體冰生消模擬水槽和鋼制淺水水槽對木棧道構(gòu)造進(jìn)行凍脹試驗(yàn)；利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行卡扣拉拔能力試驗(yàn)。所得結(jié)果能夠指導(dǎo)大連東港木棧道的設(shè)計施行方案。

2、試驗(yàn)方案

木棧道試件由3條110cm長的木棧道板條與4根鋁合金龍骨〔龍骨間距為35cm〕,組裝而成。4根鋁合金龍骨上固定3根木棧道四孔板條。外側(cè)板條使用木螺絲與龍骨相連，內(nèi)側(cè)板條采用卡扣連接，龍骨焊接在1.5cm厚的鋼板上。

〔1〕凍脹試驗(yàn)。僅考慮垂直凍脹最大情況〔即木棧道板條下方積滿水與木棧道板條被水淹沒情形，遇劇烈降溫天氣所產(chǎn)生凍脹〕,設(shè)計如下3種方案進(jìn)行木棧道構(gòu)造垂直凍脹情況下變形量的比照試驗(yàn)。

方案1:木棧道置于動態(tài)水體冰生消模擬水槽中，水面與木棧道板條端面齊平，試驗(yàn)溫度-18℃。

方案2:加工鋼制淺水水槽，將木棧道放在水槽中，水面與木棧道板條凹槽中心齊平，試驗(yàn)溫度-18℃。

方案3:木棧道試件放置在鋼制淺水水槽內(nèi)，水面高于木棧道板條端面1.5cm,試驗(yàn)溫度-18℃。

操作經(jīng)過：①將木棧道放置在試驗(yàn)水槽中，開場迅速降溫并凍結(jié)到底，垂直凍脹變形量到達(dá)最大；②采用高精度激光測距儀測量棧道中間板條中心點(diǎn)的變形量；③凍脹持續(xù)一定時間后，開場升溫融冰。

〔2〕模擬拉拔毀壞承載力試驗(yàn)。為了解木棧道與卡扣之間的拉拔能力，結(jié)合已完成的凍脹試驗(yàn)結(jié)果，分別選取凍脹變形速率穩(wěn)定區(qū)域的數(shù)據(jù)得出平均變形速率，并作為加載速率利用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

〔3〕反復(fù)凍融試驗(yàn)。在冬季木棧道可能會經(jīng)歷數(shù)次凍融經(jīng)過，為探究其對木棧道的最終影響，進(jìn)行了反復(fù)凍融試驗(yàn)。將木棧道試件放置于鋼制水槽中，水槽中放水到與木棧道下外表齊平。以之前凍脹變形試驗(yàn)與加載毀壞試驗(yàn)的結(jié)果為基礎(chǔ)，同時考慮到冰溫會對凍脹變形產(chǎn)生影響，試驗(yàn)采用0.01℃分辨率的溫度數(shù)據(jù)采集器對冰溫進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測〔溫度測點(diǎn)布置見圖2〕,共進(jìn)行三次凍融經(jīng)過。

3、試驗(yàn)結(jié)果和分析

〔1〕凍脹試驗(yàn)。凍脹試驗(yàn)結(jié)果見表1,測點(diǎn)最大垂直凍脹變形量為3.8mm,方案二是將木棧道試件放置于鋼制淺水水槽中，該水槽的平面尺度與木棧道原型尺度一樣，相當(dāng)于對木棧道原型側(cè)向設(shè)置約束。為此板條下方的水體在結(jié)冰經(jīng)過中，僅允許其冰的凍脹向上部擴(kuò)展，為此測點(diǎn)的最大垂直凍脹變形量較大，接近于理論上的最大垂直凍脹變形量。

〔2〕模擬拉拔毀壞承載力試驗(yàn)。結(jié)合表1,分別選取垂直凍脹變形速率穩(wěn)定區(qū)域的數(shù)據(jù)得出平均變形速率0.005mm/min、0.03mm/min,并作為加載速率進(jìn)行試驗(yàn)。通過4組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)構(gòu)造失穩(wěn)時，木棧道板條與龍骨無損傷，但連接木棧道板條與龍骨的卡扣產(chǎn)生了較大的變形，致使木棧道板條脫離龍骨。

在0.03mm/min位移速率下，木板條未發(fā)生毀壞，但卡扣在4.369mm的位移下失穩(wěn)，即不能抵抗外力。如從木板條底面到龍骨底面之間的距離是30mm,水凍成冰后，遭到側(cè)邊約束，高度方向最大增長9%,即2.7mm的總位移，這時對應(yīng)到卡扣上的作用力是1817.4N,加之壓板重力57N,共為1874.4N,安全系數(shù)1.31.其它三次試驗(yàn)同樣可獲得上述數(shù)據(jù)，見表2.

〔3〕反復(fù)凍融試驗(yàn)。通過對三次凍脹變形試驗(yàn)結(jié)果比照分析，第二次凍脹變形量最大〔表1〕,所以選在鋼制淺水水槽中進(jìn)行試驗(yàn)。木棧道板條中心點(diǎn)處的測點(diǎn)隨時間的凍融變形經(jīng)過曲線見圖3,冰溫-時間曲線見圖4.

通過第一周期的凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的整理分析，發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)位移首先在水完全凍結(jié)時刻到達(dá)一個極大值4.57mm,在冰溫回升至0℃時刻到達(dá)第二個極大值5.22mm,這兩個時刻可視為危險點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)束后木棧道試件外表上沒有發(fā)現(xiàn)損傷，也沒有發(fā)現(xiàn)松動現(xiàn)象，但將木棧道板條與龍骨拆卸開之后，發(fā)現(xiàn)6號和7號卡扣變形比擬嚴(yán)重，且出現(xiàn)了損傷。

第二與第三周期經(jīng)過與第一周期基本一致，只縮短了回溫時間。

通過三個周期的凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的整理分析，測點(diǎn)位移在水完全凍結(jié)時刻到達(dá)的極大值為6mm,這個變形是水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的相變膨脹導(dǎo)致的，在冰溫回升至0℃時刻到達(dá)第二個極大值6.37mm,這個變形是由冰的熱脹效應(yīng)導(dǎo)致的，理論上是整個試驗(yàn)經(jīng)過的最大變形。由于前兩個周期凍融結(jié)束后，測點(diǎn)殘存余留位移2.49mm無法恢復(fù)，所以第三周期的最大測點(diǎn)變形量為8.86mm,這個變形量是此次反復(fù)凍融試驗(yàn)的最大變形量。試驗(yàn)結(jié)束后木棧道試件板條與龍骨沒有發(fā)現(xiàn)損傷，但發(fā)現(xiàn)木棧道板條與龍骨的連接已出現(xiàn)明顯松動松動，且所有卡扣變形明顯。

結(jié)合之前加載毀壞試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)6號和7號卡扣的變形量分別為7mm與5.3mm,已經(jīng)超出了試件加載毀壞后卡扣的變形量3.8mm,可講明這兩個卡扣已經(jīng)失去效用，通過模擬拉拔毀壞承載力試驗(yàn)可知木棧道試件的毀壞失穩(wěn)是由于一側(cè)卡扣的變形導(dǎo)致的，板條與龍骨本身并無損傷，且經(jīng)過三次凍融試驗(yàn)后，木棧道板條與中間兩根龍骨已明顯松動，木棧道試件中間部位已經(jīng)失穩(wěn)。

4、結(jié)束語

〔1〕通過實(shí)驗(yàn)室凍脹試驗(yàn)的變形量測量和對木棧道原型凍脹后的現(xiàn)象觀察，得出木棧道原型的最大凍脹變形量為3.8mm,沒有發(fā)現(xiàn)木棧道板條與龍骨之間有松動的現(xiàn)象。

但通過模擬拉拔毀壞承載力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單個卡扣的承載能力只要0.5kN.在卡扣超過一定變形時，卡扣的根部會發(fā)生斷裂。這是在水位到達(dá)木板條底面時反復(fù)凍融下存在失穩(wěn)的最大隱患。

〔2〕針對水面到達(dá)木板條底面水位，進(jìn)行反復(fù)凍融試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)卡扣變形后木板條存在融化后不能回復(fù)到原初始位置，在三次反復(fù)凍融中，累計殘留變形，超過力學(xué)試驗(yàn)得到的失穩(wěn)變形。通過對卡扣的觀測，事實(shí)上卡扣也確實(shí)發(fā)生了斷裂，導(dǎo)致木棧道失穩(wěn)。

〔3〕在實(shí)際情況中木棧道構(gòu)造中的金屬材料在沿海地區(qū)極容易受潮生銹，同時木材也會腐蝕、發(fā)霉，對構(gòu)造穩(wěn)定性造成影響，因而后期維護(hù)也特別重要。

【以下為參考文獻(xiàn)】

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