1、研究背景
大連東港商務區景觀帶位于鉆石港灣的臨海區域，其東西長 6km,南北 80m,主要由休閑路、景觀廣場、綠化帶組成，木棧道作為靠近護岸防波堤內側的景觀休閑道路。即使在冬季，大連的海面不能封凍。如果風浪較大，波浪破碎后會越過防波堤胸墻，進入木棧道（ 見圖 1） ; 而這部分進來的海水在木棧道下部無法排出，如果遇到寒冷天氣，它就有可能在木棧道下凍結，給木棧道施加向上的冰凍脹作用力。冰對結構物的作用有多種方式，具體與冰性質、冰與結構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結構形式，其水平方向有固定金屬龍骨約束，在水結冰膨脹與冰升溫膨脹時會對木棧道板條產生向上的擠壓力，很可能使得板條脫離龍骨造成失穩。文獻研究表明在冰膨脹力方面的最新成果是考慮冰層膨脹時對結構物產生的水平作用力[2,3],而垂直方向上的冰膨脹力研究很少。這樣對于防波堤內側木棧道這種組合式結構受豎向冰膨脹力影響的研究尚沒有相關規范或經驗公式以供參考。但是關于凍土地區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研究的方法在不斷改進[6,7],給我們的研究提供技術方法上的借鑒。文中試驗研究利用大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的組合式低溫實驗室內的動態水體冰生消模擬水槽和鋼制淺水水槽對木棧道結構進行凍脹試驗； 利用萬能材料試驗機進行卡扣拉拔能力試驗。所得結果能夠指導大連東港木棧道的設計實施方案。
2、試驗方案
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。外側板條使用木螺絲與龍骨相連，內側板條采用卡扣連接，龍骨焊接在 1. 5cm 厚的鋼板上。
（ 1） 凍脹試驗。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生凍脹） ,設計如下 3 種方案進行木棧道結構垂直凍脹情況下變形量的對比試驗。
方案 1: 木棧道置于動態水體冰生消模擬水槽中，水面與木棧道板條端面齊平，試驗溫度 -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，試驗溫度 -18℃。
方案 3: 木棧道試件放置在鋼制淺水水槽內，水面高于木棧道板條端面 1. 5cm,試驗溫度 -18℃。
操作過程： ①將木棧道放置在試驗水槽中，開始迅速降溫并凍結到底，垂直凍脹變形量達到最大； ②采用高精度激光測距儀測量棧道中間板條中心點的變形量； ③凍脹持續一定時間后，開始升溫融冰。
（ 2） 模擬拉拔破壞承載力試驗。為了解木棧道與卡扣之間的拉拔能力，結合已完成的凍脹試驗結果，分別選取凍脹變形速率穩定區域的數據得出平均變形速率，并作為加載速率利用壓力試驗機進行試驗。
（ 3） 反復凍融試驗。在冬季木棧道可能會經歷數次凍融過程，為探究其對木棧道的最終影響，進行了反復凍融試驗。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表面齊平。以之前凍脹變形試驗與加載破壞試驗的結果為基礎，同時考慮到冰溫會對凍脹變形產生影響，試驗采用 0. 01℃分辨率的溫度數據采集器對冰溫進行實時監測（ 溫度測點布置見圖 2） ,共進行三次凍融過程。
3、試驗結果和分析
（ 1） 凍脹試驗。凍脹試驗結果見表 1,測點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相同，相當于對木棧道原型側向設置約束。為此板條下方的水體在結冰過程中，僅允許其冰的凍脹向上部擴展，為此測點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） 模擬拉拔破壞承載力試驗。結合表 1,分別選取垂直凍脹變形速率穩定區域的數據得出平均變形速率0. 005mm / min、0. 03 mm / min,并作為加載速率進行試驗。通過4 組試驗發現，當結構失穩時，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，木板條未發生破壞，但卡扣在 4. 369mm 的位移下失穩，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，受到側邊約束，高度方向最大增長 9%,即 2. 7mm 的總位移，這時對應到卡扣上的作用力是 1817. 4N,加之壓板重力 57N,共為 1874. 4 N,安全系數 1. 31.其它三次試驗同樣可獲得上述數據，見表 2.
（ 3） 反復凍融試驗。通過對三次凍脹變形試驗結果對比分析，第二次凍脹變形量最大（ 表 1） ,所以選在鋼制淺水水槽中進行試驗。木棧道板條中心點處的測點隨時間的凍融變形過程曲線見圖 3,冰溫 - 時間曲線見圖 4.通過第一周期的凍融試驗數據結果的整理分析，發現測點位移首先在水完全凍結時刻達到一個極大值 4. 57mm,在冰溫回升至 0℃時刻達到第二個極大值 5. 22mm,這兩個時刻可視為危險點。試驗結束后木棧道試件外表上沒有發現損傷，也沒有發現松動現象，但將木棧道板條與龍骨拆卸開之后，發現 6 號和 7 號卡扣變形比較嚴重，且出現了損傷。
第二與第三周期過程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數據結果的整理分析，測點位移在水完全凍結時刻達到的極大值為 6mm,這個變形是水由液態轉變為固態的相變膨脹導致的，在冰溫回升至 0℃時刻達到第二個極大值 6. 37mm,這個變形是由冰的熱脹效應導致的，理論上是整個試驗過程的最大變形。因為前兩個周期凍融結束后，測點殘余位移 2. 49mm 無法恢復，所以第三周期的最大測點變形量為 8. 86mm,這個變形量是此次反復凍融試驗的最大變形量。試驗結束后木棧道試件板條與龍骨沒有發現損傷，但發現木棧道板條與龍骨的連接已出現明顯松動松動，且所有卡扣變形明顯。
結合之前加載破壞試驗的結果，發現 6 號和 7 號卡扣的變形量分別為 7mm 與 5. 3mm,已經超出了試件加載破壞后卡扣的變形量 3. 8mm,可說明這兩個卡扣已經失去效用，通過模擬拉拔破壞承載力試驗可知木棧道試件的破壞失穩是由于一側卡扣的變形導致的，板條與龍骨本身并無損傷，且經過三次凍融試驗后，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失穩。
4、結語
（ 1） 通過實驗室凍脹試驗的變形量測量和對木棧道原型凍脹后的現象觀察，得出木棧道原型的最大凍脹變形量為 3. 8mm,沒有發現木棧道板條與龍骨之間有松動的現象。
但通過模擬拉拔破壞承載力試驗發現單個卡扣的承載能力只有 0. 5kN.在卡扣超過一定變形時，卡扣的根部會發生斷裂。這是在水位達到木板條底面時反復凍融下存在失穩的最大隱患。
（ 2） 針對水面達到木板條底面水位，進行反復凍融試驗，發現卡扣變形后木板條存在融化后不能回復到原初始位置，在三次反復凍融中，累計殘留變形，超過力學試驗得到的失穩變形。通過對卡扣的觀測，事實上卡扣也確實發生了斷裂，導致木棧道失穩。
（ 3） 在實際情況中木棧道結構中的金屬材料在沿海地區極容易受潮生銹，同時木材也會腐蝕、發霉，對結構穩定性造成影響，因此后期維護也十分重要。
【參考文獻】
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