1、研究背景
大连东港商务区景观带位于钻石港湾的临海区域，其东西长 6km,南北 80m,主要由休闲路、景观广场、绿化带组成，木栈道作为靠近护岸防波堤内侧的景观休闲道路。即使在冬季，大连的海面不能封冻。如果风浪较大，波浪破碎后会越过防波堤胸墙，进入木栈道（ 见图 1） ; 而这部分进来的海水在木栈道下部无法排出，如果遇到寒冷天气，它就有可能在木栈道下冻结，给木栈道施加向上的冰冻胀作用力。冰对结构物的作用有多种方式，具体与冰性质、冰与结构物的接触方式和建筑材料在低温下的性能是分不开的[1].对于木栈道这种特殊结构形式，其水平方向有固定金属龙骨约束，在水结冰膨胀与冰升温膨胀时会对木栈道板条产生向上的挤压力，很可能使得板条脱离龙骨造成失稳。文献研究表明在冰膨胀力方面的最新成果是考虑冰层膨胀时对结构物产生的水平作用力[2,3],而垂直方向上的冰膨胀力研究很少。这样对于防波堤内侧木栈道这种组合式结构受竖向冰膨胀力影响的研究尚没有相关规范或经验公式以供参考。但是关于冻土地区的冻土膨胀对建筑物的影响是有充分研究的[4,5],且对于冻土的冻胀敏感性试验研究的方法在不断改进[6,7],给我们的研究提供技术方法上的借鉴。文中试验研究利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的组合式低温实验室内的动态水体冰生消模拟水槽和钢制浅水水槽对木栈道结构进行冻胀试验； 利用万能材料试验机进行卡扣拉拔能力试验。所得结果能够指导大连东港木栈道的设计实施方案。
2、试验方案
木栈道试件由 3 条 110cm 长的木栈道板条与 4 根铝合金龙骨（ 龙骨间距为 35cm） ,组装而成。4 根铝合金龙骨上固定 3 根木栈道四孔板条。外侧板条使用木螺丝与龙骨相连，内侧板条采用卡扣连接，龙骨焊接在 1. 5cm 厚的钢板上。
（ 1） 冻胀试验。仅考虑垂直冻胀最大情况（ 即木栈道板条下方积满水与木栈道板条被水淹没情形，遇剧烈降温天气所产生冻胀） ,设计如下 3 种方案进行木栈道结构垂直冻胀情况下变形量的对比试验。
方案 1: 木栈道置于动态水体冰生消模拟水槽中，水面与木栈道板条端面齐平，试验温度 -18℃。
方案 2: 加工钢制浅水水槽，将木栈道放在水槽中，水面与木栈道板条凹槽中心齐平，试验温度 -18℃。
方案 3: 木栈道试件放置在钢制浅水水槽内，水面高于木栈道板条端面 1. 5cm,试验温度 -18℃。
操作过程： ①将木栈道放置在试验水槽中，开始迅速降温并冻结到底，垂直冻胀变形量达到最大； ②采用高精度激光测距仪测量栈道中间板条中心点的变形量； ③冻胀持续一定时间后，开始升温融冰。
（ 2） 模拟拉拔破坏承载力试验。为了解木栈道与卡扣之间的拉拔能力，结合已完成的冻胀试验结果，分别选取冻胀变形速率稳定区域的数据得出平均变形速率，并作为加载速率利用压力试验机进行试验。
（ 3） 反复冻融试验。在冬季木栈道可能会经历数次冻融过程，为探究其对木栈道的最终影响，进行了反复冻融试验。将木栈道试件放置于钢制水槽中，水槽中放水到与木栈道下表面齐平。以之前冻胀变形试验与加载破坏试验的结果为基础，同时考虑到冰温会对冻胀变形产生影响，试验采用 0. 01℃分辨率的温度数据采集器对冰温进行实时监测（ 温度测点布置见图 2） ,共进行三次冻融过程。
3、试验结果和分析
（ 1） 冻胀试验。冻胀试验结果见表 1,测点最大垂直冻胀变形量为 3. 8mm,方案二是将木栈道试件放置于钢制浅水水槽中，该水槽的平面尺度与木栈道原型尺度相同，相当于对木栈道原型侧向设置约束。为此板条下方的水体在结冰过程中，仅允许其冰的冻胀向上部扩展，为此测点的最大垂直冻胀变形量较大，接近于理论上的最大垂直冻胀变形量。（ 2） 模拟拉拔破坏承载力试验。结合表 1,分别选取垂直冻胀变形速率稳定区域的数据得出平均变形速率0. 005mm / min、0. 03 mm / min,并作为加载速率进行试验。通过4 组试验发现，当结构失稳时，木栈道板条与龙骨无损伤，但连接木栈道板条与龙骨的卡扣产生了较大的变形，致使木栈道板条脱离龙骨。
在 0. 03mm/min 位移速率下，木板条未发生破坏，但卡扣在 4. 369mm 的位移下失稳，即不能抵抗外力。如从木板条底面到龙骨底面之间的距离是 30mm,水冻成冰后，受到侧边约束，高度方向最大增长 9%,即 2. 7mm 的总位移，这时对应到卡扣上的作用力是 1817. 4N,加之压板重力 57N,共为 1874. 4 N,安全系数 1. 31.其它三次试验同样可获得上述数据，见表 2.
（ 3） 反复冻融试验。通过对三次冻胀变形试验结果对比分析，第二次冻胀变形量最大（ 表 1） ,所以选在钢制浅水水槽中进行试验。木栈道板条中心点处的测点随时间的冻融变形过程曲线见图 3,冰温 - 时间曲线见图 4.通过第一周期的冻融试验数据结果的整理分析，发现测点位移首先在水完全冻结时刻达到一个极大值 4. 57mm,在冰温回升至 0℃时刻达到第二个极大值 5. 22mm,这两个时刻可视为危险点。试验结束后木栈道试件外表上没有发现损伤，也没有发现松动现象，但将木栈道板条与龙骨拆卸开之后，发现 6 号和 7 号卡扣变形比较严重，且出现了损伤。
第二与第三周期过程与第一周期基本一致，只缩短了回温时间。
通过三个周期的冻融试验数据结果的整理分析，测点位移在水完全冻结时刻达到的极大值为 6mm,这个变形是水由液态转变为固态的相变膨胀导致的，在冰温回升至 0℃时刻达到第二个极大值 6. 37mm,这个变形是由冰的热胀效应导致的，理论上是整个试验过程的最大变形。因为前两个周期冻融结束后，测点残余位移 2. 49mm 无法恢复，所以第三周期的最大测点变形量为 8. 86mm,这个变形量是此次反复冻融试验的最大变形量。试验结束后木栈道试件板条与龙骨没有发现损伤，但发现木栈道板条与龙骨的连接已出现明显松动松动，且所有卡扣变形明显。
结合之前加载破坏试验的结果，发现 6 号和 7 号卡扣的变形量分别为 7mm 与 5. 3mm,已经超出了试件加载破坏后卡扣的变形量 3. 8mm,可说明这两个卡扣已经失去效用，通过模拟拉拔破坏承载力试验可知木栈道试件的破坏失稳是由于一侧卡扣的变形导致的，板条与龙骨本身并无损伤，且经过三次冻融试验后，木栈道板条与中间两根龙骨已明显松动，木栈道试件中间部位已经失稳。
4、结语
（ 1） 通过实验室冻胀试验的变形量测量和对木栈道原型冻胀后的现象观察，得出木栈道原型的最大冻胀变形量为 3. 8mm,没有发现木栈道板条与龙骨之间有松动的现象。
但通过模拟拉拔破坏承载力试验发现单个卡扣的承载能力只有 0. 5kN.在卡扣超过一定变形时，卡扣的根部会发生断裂。这是在水位达到木板条底面时反复冻融下存在失稳的最大隐患。
（ 2） 针对水面达到木板条底面水位，进行反复冻融试验，发现卡扣变形后木板条存在融化后不能回复到原初始位置，在三次反复冻融中，累计残留变形，超过力学试验得到的失稳变形。通过对卡扣的观测，事实上卡扣也确实发生了断裂，导致木栈道失稳。
（ 3） 在实际情况中木栈道结构中的金属材料在沿海地区极容易受潮生锈，同时木材也会腐蚀、发霉，对结构稳定性造成影响，因此后期维护也十分重要。
【参考文献】
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[3] 黄焱，史庆增，宋安 . 冰的温度膨胀力研究[J]. 中国造船，2003,44 : 423 - 428.
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