Влияние снега и ледяных нагрузок на строительную безопасность моста

Понимание структурных рисков снега и льда на мостах

Мосты служат основными артериями для торговли, аварийных служб и ежедневных поездок, но зимняя погода создает уникальные проблемы для их структурной целостности. В отличие от статических нагрузок от транспортных средств или ветра, снег и лед нагрузок динамичны, варьируют с интенсивностью осадков, температурными циклами и дрейфом, приводимыми в действие ветром. Когда эти нагрузки превышают проектные пороги, они могут вызывать концентрацию напряжения, усталость и даже катастрофический сбой. Инженеры должны поэтому рассматривать снег и лед не как случайные неприятности, а как повторяющиеся параметры конструкции, требующие тщательного анализа и активного управления.

Типы снега и льда на мостах

Снег и лед накапливаются в нескольких различных формах, каждая с различной плотностью, адгезией и характеристиками распределения.Понимание этих типов имеет решающее значение для точного моделирования нагрузки.

Снежная накопленность

Свеже выпавший сухой снег имеет плотность примерно 0,05–0,15 г/см3, но по мере его уплотнения или переплавки и замораживания его плотность может приближаться к 0,4 г/см3 или выше. Мокрый снег от штормов вблизи морозов особенно опасен, поскольку сочетает высокую плотность с сильной адгезией к поверхностям палубы. Снег также может дрейфовать в глубокие сваи на мостовых палубах и смежных пролетах подхода, создавая неравномерную нагрузку, которая напрягает специфические конструктивные элементы.

Лед от замерзающего дождя

Ледяные бури производят прозрачный, плотный лед (≈0,9 г / см3), который прилипает к каждой открытой поверхности - суслам, кабелям, перилам и палубе. Ледяные нагрузки от замерзающего дождя могут увеличить мертвую нагрузку моста на 20% или более в одном событии, как видно в таких регионах, как Тихоокеанский Северо-Запад и Северо-восток Соединенных Штатов.

Ледяные дамбы и ледяные круги

На мостах с дренажными системами лед может образовывать плотины, блокирующие поток воды, что приводит к прудированию, которое добавляет живую нагрузку и ускоряет повреждение отморозки. Сосульки, висящие на надстройках, представляют собой концентрированную массу, которая может отрываться и представлять опасность для движения внизу, но их вес также добавляет к локализованной нагрузке.

Критические факторы, влияющие на величину нагрузки на снег и лед

Точное прогнозирование снега и льда требует учета нескольких экологических и проектных переменных.

Географическое положение и климат

Мосты в северных широтах, горных районах и снежных поясах, воздействующих на озера, испытывают более высокие устойчивые нагрузки. Например, в Сьерра-Неваде и Скалистых горах регулярно наблюдаются снежные нагрузки, превышающие 300 псф (14,4 кПа). Прибрежные мосты, получая меньше снега, сталкиваются со ледяными бурями из влагозагруженного воздуха, встречающего холодные фронты.

Мостовая геометрия и ориентация

Мосты дальнего пролета, высокие фермы и кабельные конструкции представляют собой большие горизонтальные поверхности и сложные закоулки, где снег и лед собираются неравномерно.Направление ветра относительно оси моста регулирует паттерн дрейфа; ветер, перпендикулярный пролету, может глубоко сваливать снег на перила, создавая асимметричные нагрузки, которые вызывают кручение.

Колебания температуры

Повторяющиеся циклы замораживания-оттаивания приводят к тому, что снег становится компактным, а лед — расти. При повторном замораживании талой воды в трещинах она расширяется и может разрушать бетонные или стальные соединения. Эти циклы также увеличивают плотность накопленного снега, повышая значения нагрузки в течение дней или недель.

Поверхностный материал и дренаж

Асфальтовые палубы сохраняют тепло иначе, чем бетон, влияя на накопление снега. Плохой дренаж приводит к объединению воды, которая замерзает в толстые ледяные щиты, добавляя как вес, так и потенциальные опасности скольжения. Использование палубы с открытой сеткой на некоторых старых мостах позволяет снегу падать, уменьшая нагрузки, но также подвергает подструктуры капающей воде, которая образует лед.

Структурное воздействие чрезмерных нагрузок снега и льда

Снежные и ледовые нагрузки влияют на каждый компонент моста, от палубы до фундамента.Основные структурные проблемы включают перенапряжение в элементах надстройки, перегрузку фундамента и усталость от циклической нагрузки.

Слаб и галстук перенапряжение

Палубы мостов рассчитаны на однородные живые нагрузки от движения, но снег может создавать более тяжелые, более однородные мертвые нагрузки. При сочетании со льдом общая сила падения может превышать гибкую способность палубы, вызывая растрескивание или отклонение. Постоянная деформация может привести к обдумыванию, что со временем ухудшает погрузку.

Бык и брус Buckling

Стальные балки особенно уязвимы к боково-торсионному пристегиванию при комбинированных гравитационных нагрузках. Неровное распределение снега на одной стороне палубы может производить крутящий момент, который скручивает балки, усиливая напряжения при фланце-веб-соединениях. Накопления льда на верхних фланцах увеличивают локальное напряжение и могут инициировать пристегивание в тонкостенных элементах.

Кабель и стресс суспендера

На кабельно-пристёгнутых и подвесных мостах накопление льда на кабели резко увеличивает мёртвую нагрузку и сопротивление ветра. Лед может удвоить диаметр кабеля, что умножает как вес, так и сопротивление ветра. Более того, добавленная масса снижает естественные частоты, делая мост более восприимчивым к аэродинамическому трепету и вихревому сбрасыванию.

Нанесение и расширение совместного ущерба

Снег и лед накапливаются вокруг подшипников и расширительных соединений ограничивает тепловое движение. Когда мост пытается сжиматься при низких температурах, запертые суставы передают большие силы на пирсы и примыкания, потенциально вызывая отказ подшипника или растрескивание бетона. Лед внутри суставных карманов также может разрушаться во время тепловых циклов.

Фонд и перегрузка из-за злоупотреблений

Основы должны поддерживать полную мертвую нагрузку надстройки плюс снег и лед. В районах с глубоким морозопроницаемостью ледяные линзы могут образовываться в грунте под ногами, подтягивая их вверх. И наоборот, оттаивание может снизить несущую способность, приводя к заселению. В сочетании с вертикальными снежными нагрузками эти движения грунта рискуют дифференциальным заселением и структурными искажениями.

Стандарты проектирования и положения кодекса для снега и льда

Инженеры-строители полагаются на установленные коды для расчета минимальных нагрузок на снег и лед. В Соединенных Штатах основным руководящим документом являются спецификации проектирования мостов AASHTO LRFD, которые включают положения о единообразных и дрейфующих снеговых нагрузках на основе карт наземной снеговой нагрузки от ASCE 7-22. Спецификация AASHTO требует, чтобы единообразная снежная нагрузка не менее 20 псф (0,96 кН/м2) применялась к мостовым колодам с более высокими значениями в горных регионах. Однако многие существующие мосты были спроектированы в соответствии со старыми кодами, которые не полностью учитывали накопление льда.

Для ледовых нагрузок ААШТО рекомендует нагрузку 5 псф для вертикального накопления льда и дополнительные нагрузки для льда на кабели, линии электропередач и перила. Нагрузка от замерзающего дождя обычно рассматривается как нагрузка экстремального события в сочетании с уменьшенными живыми нагрузками. Инженеры также должны учитывать факторы сочетания нагрузки для ветра и снега одновременно, так как лед может увеличить воздействие ветра.

За пределами США коды, такие как Еврокод EN 1991-1-3 и Канадский мостовой кодекс (CSA S6), предоставляют аналогичные методы, но часто включают более высокие коэффициенты нагрузки для аккреции сосульки. Спецификации Японской дорожной ассоциации для автомобильных мостов включают подробное руководство по снегу и ледовым нагрузкам для районов с сильным снегом Хоккайдо и Японских Альп.

Стоит отметить, что многие старые мосты (до 1970-х годов) могут иметь рейтинги нагрузки, которые не учитывают современные карты снеговой нагрузки, которые увеличились из-за обновлений климатических данных. Анализ рейтинга нагрузки с использованием руководящих принципов Федерального управления автомобильными дорогами (FHWA) может определить уязвимые пролеты.

Тематические исследования снега и льда привели к сбоям моста

Несколько известных инцидентов иллюстрируют разрушительный потенциал снега и ледяных нагрузок.

Крик Шохари (Schoharie Creek Bridge Collapse) (1987)

В то время как цинго было основной причиной, тяжелое весеннее таяние снега и ледяные пробки способствовали провалу. Накопление снега и льда на структуре увеличило мертвые нагрузки, а льдины ударили о причалы, усугубив цингу. Эта трагедия подстегнула изменения в практике осмотра моста.

I-35W Миссисипи Ривер Бридж (2007)

Хотя обвал был обусловлен прежде всего конструктивными недостатками, следователи отметили, что сильное нагромождение снега и льда на палубе в момент выхода из строя добавляло значительную нагрузку.Гуссетные плиты были уже недопроектированы, а зимняя нагрузка толкала их за пределы.

Снежные виадуки Японии

В северной Японии несколько стальных виадуков испытали локальное скручивание перекрёстных балок и стрингеров после рекордных снегопадов в 2011 и 2015 годах. Инженеры обнаружили, что дрейфующий снег свалился на глубину более двух метров, создавая нагрузки в два-три раза превышающие проектные значения. Модернизация включала в себя добавление снежных заборов и нагревательных кабелей.

Системы мониторинга и раннего предупреждения

Проактивный мониторинг может обнаружить опасные нагрузки на снег и лед до того, как сбой станет неизбежным. Современные сенсорные сети включают в себя нагрузочные ячейки, тензодатчики и системы взвешивания в движении, которые отслеживают живые нагрузки и помогают различать трафик и снег.

Контроль веса в движении и напряжения

Постоянно измеряя нагрузку в критических местах (проме балок, кабельных креплений), инженеры могут рассчитать общую нагрузку на мост. Алгоритмы отфильтровывают дорожные нагрузки для изоляции снега и льда. Оповещения в режиме реального времени могут отправляться при превышении порогов нагрузки.

Погодные станции и датчики глубины снега

На месте метеостанции, измеряющие осадки, температуру, скорость ветра и относительную влажность, подают в модели, предсказывающие скорость накопления и таяния снега. Ультразвуковые датчики глубины снега, установленные на палубе, обеспечивают прямые измерения. Интеграция этих данных со структурными системами мониторинга здоровья позволяет своевременно проводить операции по удалению.

Тепловая визуализация и обнаружение льда

Инфракрасные камеры могут отображать градиенты температуры поверхности для определения образования льда, особенно на кабельных опорах и стальных фермах. Датчики обнаружения льда, которые измеряют изменения частоты в вибрирующих проводах, также используются на кабельных мостах для предупреждения обслуживающих бригад, когда толщина льда достигает критического уровня.

Стратегии смягчения последствий для управления снегом и ледяной нагрузкой

Сокращение или устранение накопленного снега и льда является самым прямым способом защиты мостов.Стратегии варьируются от проектно-фазных регулировок до активного обледенения во время штормов.

Структурные изменения дизайна

Инженеры могут более эффективно определять материалы и конфигурации, которые сбрасывают снег. Например, использование 2%-ного поперечного наклона на палубах стимулирует сток талой воды и уменьшает накопление льда. Открытые палубные сетки (где это разрешено) позволяют снегу падать, резко снижая живую нагрузку. Стальные надстройки могут быть окрашены с покрытием с низким трением, которое предотвращает слипание льда. Структурная избыточность - такая как несколько путей нагрузки - обеспечивает безопасность, если один член перегружается.

Активные системы де-лизинга

Нагретые мостовые палубы с использованием электрических кабелей сопротивления или труб с подогревом жидкости были установлены на критических мостах в холодных регионах. При высокой стоимости эксплуатации они предотвращают накопление льда или снега, сохраняя конструкционную мертвую нагрузку. Химические деикерсы (хлорид натрия, хлорид магния, ацетат кальция) распространены, но требуют тщательного применения, чтобы избежать коррозии стали и экологического ущерба для окружающих водных путей. Предварительно влажная соль улучшает прилипание к палубе и уменьшает отходы.

Механическое удаление

Снежные плуговые патрубки, оборудованные резиновыми лопастями, используются для расчистки палуб без повреждения поверхности. Для приподнятых конструкций вынос снега должен согласовываться с управлением движением во избежание перегрузки моста тяжелым снегоуборочным оборудованием. Удаление сосульки из кабельных стоянок и башен требует специализированного персонала с использованием изолированных инструментов для предотвращения электрических опасностей от бродячих токов.

Снежные заборы и ветровые щиты

Установка снежных заборов на подъездных набережных и по ширине моста может уменьшить дрейф. Твердые ветровые щиты по бокам препятствуют уплотнению снега против перил, но они могут увеличить образование льда за счет снижения циркуляции воздуха. Стратегическое размещение требует компьютерного моделирования динамики текучей среды для каждого участка.

Изменение климата: повышение неопределенности нагрузки

Глобальное изменение климата изменяет характер осадков, делая исторические данные о снеговой нагрузке менее надежными. Многие регионы испытывают более интенсивные зимние штормы с более высоким содержанием влаги, что приводит к более влажному, более тяжелому снегу. Например, на востоке Соединенных Штатов наблюдается увеличение экстремальных снежных явлений на 15-20% за последние 50 лет, согласно Национальной оценке климата.

В то же время, потепление приводит к увеличению циклов замораживания-оттаивания, увеличению плотности и сцепления снега и льда. Мосты в районах, ранее не затронутых значительными снежными нагрузками, теперь, возможно, придется рассмотреть их в дизайне. Инженеры должны проконсультироваться с обновленными картами наземной снежной нагрузки из ASCE 7 Hazard Tool и включить сценарии изменения климата при оценке существующих структур.

Для новых мостов подход должен учитывать потенциальное увеличение снежных нагрузок в течение 50-75 лет жизни конструкции. Это может означать повышение проектных снежных нагрузок на 20-30% или необходимость активных систем удаления. Адаптивное управление - мониторинг фактических нагрузок и корректировка планов технического обслуживания - становится экономически эффективной стратегией.

Заключение: Призыв к комплексному управлению зимними мостами

Снежные и ледовые нагрузки — это не просто зимние неудобства; они являются серьезным структурным фактором безопасности, который может протолкнуть мосты за пределы их проектных ограничений. В то время как современные коды обеспечивают прочную основу для проектирования, многие существующие мосты были построены под менее строгими требованиями и теперь подвергаются изменению погодных условий. Решение заключается в сочетании обновленных оценок нагрузки, непрерывного мониторинга и агрессивного зимнего обслуживания.

Инженеры, управляющие активами и отделы общественных работ должны сотрудничать в выявлении структур, подверженных риску, приоритезации модернизации и внедрении систем поддержки принятия решений в режиме реального времени. Стоимость обледенения и удаления снега намного перевешивается стоимостью разрушения моста, как в финансовом плане, так и в общественной безопасности. Обрабатывая снег и лед с такой же строгостью, как сейсмические или ветровые нагрузки, мы можем обеспечить устойчивость нашей мостовой сети в самых суровых зимних условиях.

Для дальнейшего чтения Американское общество инженеров-строителей (ASCE) публикует минимальные проектные нагрузки для зданий и других сооружений (ASCE 7), а Американская ассоциация государственных дорожных и транспортных чиновников (AASHTO) (FLT: 3) предоставляет спецификации проектирования моста LRFD, которые содержат основные положения для проектирования снега и льда.