山區涉河橋梁墩柱沖磨破壞機理及防護措施

張焱焜 尚軍年 袁佩 耿波 文江福

摘? 要：近年來自然災害頻發，山區橋梁水毀事故時有發生，針對山區涉河橋梁墩柱沖磨性能的提升正逐漸成為研究熱點。該文綜述山區涉河橋梁墩柱沖磨破壞機理及防護措施研究現狀，并針對一種新型防護措施的防護效果進行數值模擬分析，以期為應對橋梁結構沖磨破壞問題提供參考。

關鍵詞：山區；橋梁；防護裝備；混凝土；沖擊效應

中圖分類號：U445.7? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0133-04

Abstract： In recent years， natural disasters occur frequently， and water damage accidents of bridges in mountain areas occur from time to time. The improvement of erosion performance of piers of river-wading bridges in mountain areas is gradually becoming a research hotspot. This paper summarizes the research status of impact-wear failure mechanism and protective measures of river-wading bridge piers in mountain area， and makes a numerical simulation analysis on the protective effect of a new protective measure， in order to provide reference for dealing with the problem of impact-wear damage of bridge structure.

Keywords： mountain area; bridge; protective equipment; concrete; impact effect

隨著我國經濟社會的快速發展以及工程技術水平的不斷提高，交通基礎設施不斷向西部山區蔓延。然而西部山區地質條件復雜，泥石流等自然災害頻發對于橋梁結構等交通基礎設施的安全運營帶來了嚴峻挑戰。據統計資料表明，山洪是公路、鐵路水毀的主要類型之一，我國西部地區公路、鐵路水毀約70%源于山洪沖擊，多數橋墩受河流中攜帶的大量泥沙或碎石沖擊作用而產生不同程度的破壞。因此，針對山區涉河橋梁墩柱磨蝕機理進行全方面研究探討，進而針對性地開展防護措施研究并探尋最適宜的防護方案對于保障橋梁結構的安全運營至關重要。

基于此，本文將對近年來國內外針對山區涉河橋梁墩柱沖磨破壞機理以及防護措施研究現狀進行綜述，并針對一種新型防護措施的防護效果進行數值模擬分析，以期為應對橋梁結構沖蝕破壞問題提供參考。

1? 墩柱沖磨破壞機理

眾多研究表明，山區涉河橋墩沖磨破壞多由流體攜帶的懸移質泥沙或推移質泥沙顆粒對混凝土表面不斷沖擊或切削所致[1-2]。山洪沖擊作用下，橋梁墩柱一部分受到泥石流體的摩擦力，一部分受到流體中的巖石顆粒的沖擊力，二者共同作用導致了橋梁墩柱結構的損傷。

1.1? 磨蝕破壞機理

Goodwin等[3]使用真空旋臂鉆機研究了沖擊速度和顆粒性質對不同材料侵蝕的影響，研究結果表明，磨蝕破壞的主要原因在于顆粒物在較大角度的沖擊作用下混凝土發生塑性變形和剪切變形所致。程海根等[4]針對水流作用下橋梁樁基礎沖蝕磨損數值研究表明，涉水橋墩的沖蝕破壞主要集中在前排樁基與承臺的連接處，承臺周圍存在馬蹄狀漩渦及下潛水流是導致承臺沖孔的主要原因。余志祥等[5]采用實地調查及CFD數值分析方法，針對水沙沖刷作用下山區橋梁墩柱磨蝕損傷進行了系列研究。研究結果表明，相較于方形倒角墩柱以及方形墩柱，圓形截面墩柱抗磨蝕能力最好；此外，墩柱的磨蝕損傷程度與河水含砂率基本呈線性關系，最大磨蝕厚度與水流速度以及含砂率強相關。劉忠橋[6]通過收集整理相關研究文獻統計發現，影響水工混凝土磨蝕程度的因素主要有沖擊時間、水流含沙量、沖擊角度、顆粒物運動速度以及材料特性等。此外，由于高速水流會產生低氣壓區，當壓力下降到一定程度時流體中會形成空泡，空泡破壞時產生的沖擊波一定程度上也會導致混凝土表面損傷[7]。

1.2? 沖蝕破壞機理

然而，山區橋梁除受到泥沙等懸移質磨蝕作用以外，往往還伴隨著粗砂、塊石等大顆粒為主的推移質沖擊荷載，而大塊石的頻繁沖擊通常破壞性更大，由于粗骨料硬度較大且不易松動，使得混凝土表面形成凹凸不平的磨蝕坑進而導致水流在壁面形成不同形式的漩渦流而加劇磨蝕破壞[8]。

王若帆[9]利用數值仿真研究分析了墩柱在漂石撞擊作用下的損傷機理，并通過試驗對比分析了不同結構形式下的防護裝備耗能效果。姚昌榮等[10]通過數值模擬針對不同泥石流速度沖擊時橋墩的響應情況以及塊石對橋墩的沖擊作用進行了系列研究，研究結果表明，塊石沖擊將導致混凝土表面損傷且對橋梁上部結構安全性能有一定程度影響。此外，其針對某重力式橋墩在泥石流沖擊、大塊石沖擊以及橫向風荷載作用下橋梁結構的安全性能進行了分析[11]。黃云[12]通過建立塊石－漿體－橋墩耦合數值模型，針對塊石漿體沖擊荷載下橋梁結構的動力響應研究發現，漿體一定程度上會加強大塊石的沖擊效應。田菁艾等[13]針對風沙兩相流作用下混凝土的沖蝕特性進行了數值模擬以及試驗驗證，探究了風速以及風向對沖蝕率的影響。

2? 防護裝置研究現狀及工程應用

目前，針對橋梁墩柱沖磨破壞防護措施主要集中在新型耗能結構的研發以及耐磨材料的應用兩個方面。

2.1? 結構性防護措施

王秀麗等[14]運用有限元軟件對一種新型柔性防護體系結構進行抗泥石流中大石塊沖擊的數值模擬，研究了不同沖擊能量、沖擊速度，柔性防護體系結構尺寸對防護性能的影響。趙金華等[15]針對泡沫鋁以及鋁蜂窩夾層結構下復合材料沖擊性能進行了系列試驗分析，研究結果表明，結構的沖擊性能與芯材厚度呈正相關且鋁蜂窩芯材結構抗沖擊吸能性能更優，但泡沫鋁夾層結構整體穩定性更好。邱恩喜等[16]利用有限元軟件針對泥石流運動特征以及治理措施防護效果進行了分析，提出了“固源為主，攔擋、排導為輔”的治理方案。黃儼[17]針對漂石沖擊橋墩提出了一種基于多胞材料的耗能防護裝置。柳春等[18]針對大塊石沖擊作用下混凝土攔擋壩的動力響應進行了研究，并詳細分析了迎坡比、防撞墩以及緩沖層三種防護方案的優化對策。焦明東等[19]針對玄武巖復合纖維板防護套筒的抗沖磨能力以及長期抗沖磨穩定性進行了試驗研究。

2.2? 耐磨材料的工程應用

王彥平等[20]探究了混凝土表面增強處理對抗沖蝕磨損性能的影響，并同時對比分析了相同混凝土基底下不同防護涂料的防磨蝕效果。李珍等[21]針對水工建筑物磨蝕嚴重等問題，研發了一種以乙烯基酯樹脂和聚脲為基體且工程應用效果較好的抗沖磨材料。孫志恒等[22]針對SK抗沖磨刮涂聚脲以及SK高韌性環氧耐磨防護涂層的抗沖磨性能進行了室內研究，結果表明兩種防護涂層均具有良好的抗沖磨效果。同樣，汪在芹等[23]針對聚脲等抗沖磨材料進行了系列研究，且相關研究在工程上已取得良好應用效果。肖承京等[24]針對西藏地區水工混凝土抗沖磨防護需求，研發了一種高耐候、耐沖磨的環氧涂層材料。

3? 防護裝置耗能效果數值模擬

3.1? 防護裝置結構設計

大量調查及研究數據表明，山區涉河橋梁墩柱多為沖磨破壞，即墩柱結構同時遭受泥沙磨蝕以及塊石沖擊而導致結構物受損，因此，防護裝備方面應同時兼顧耐磨、抗沖擊、耗能的特點?；谏鲜鲈?，提出了一種適用于山區涉河橋梁樁柱結構的裝配式防沖磨裝置，裝配體之間連接形式類似于榫卯結構，防護裝置如圖1所示。裝置主要由外側耐磨板以及內側耗能結構組成，由于樁基自身承載能力較低，因此，防護裝置可獨立拼裝，盡可能避免破壞原橋結構。

3.2? 模型建立

裝配式防沖磨護裝置外側耐磨板由Solid實體單元建立，內側耗能結構由于是空心結構因此在建立有限元模型時采用殼單元模擬，外側耐磨板與內側耗能構件以及耗能構件與橋墩之間采用面面接觸，數值模擬采用ANSYS Workbench LS-DYNA模塊分析，有限元模型如圖2所示。實際分析時僅約束橋墩底面自由度。

3.3? 數值分析結果

為進一步研究防護裝置的耗能效果，建立了一個直徑為0.2 m的圓形混凝土小球以5 m/s速度撞擊模型，對比分析了防護設施對塊石沖擊作用下橋墩的動力響應結果（圖3）。

根據表1計算結果表明，增設所述耗能設施后在塊石撞擊作用下，墩柱結構的最大應力由1.7 MPa降低到了0.32 MPa，應力大小有效折減了81%，初步分析此結果是由于沖擊能量較低使得大部分能量由外側耐磨板以及內側耗能結構耗散所致。

4? 結束語

本文針對山區涉河橋梁墩柱沖磨破壞嚴重等現實問題，綜述了山區涉河橋梁墩柱沖磨破壞機理以及防護措施研究現狀，并針對一種新型防護措施的防護效果進行了數值模擬分析，主要結論如下。

1）山區涉河橋梁沖磨防護裝置目前多圍繞無機非金屬材料、有機高分子材料、金屬材料和先進成型工藝進行研究，針對不同磨蝕工況探尋最優的防護措施將是未來橋梁磨蝕破壞防護策略的發展趨勢。

2）本文提出的一種適用于山區涉河橋梁樁柱結構的裝配式防沖磨裝置能有效折減塊石撞擊能量，相較于無防護設施下墩柱結構應力，增設防護設施后墩柱結構在塊石沖擊作用下最大應力能有效折減80%左右。

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在低電壓、大電流供電的情況下，同步整流電路相對于二極管整流有著很大的優勢。同步整流電路有4個重要參數，即開通閾值、調整閾值、關斷閾值和消隱時間。同步整流芯片的功能簡要概述如下：芯片檢測被整流電壓的下降沿，經過一段消隱時間后，芯片輸出10 V柵極驅動電壓保證MOSFET的導通電阻Rds（on）最小。臨近一個周期結束時，芯片在MOSFET流過輸出電流下降的適當時刻降低柵極驅動電壓，這個適當的時刻由芯片的調整閾值和MOSFET的導通電阻Rds（on）共同決定，周期結束，芯片快速關斷MOSFET。如果輸出負載所需電流不大，負載較輕，芯片減小或關斷柵極驅動。芯片內部的消隱電路能夠避免MOSFET誤開誤關。

1? 同步整流控制器方案介紹

針對同步整流控制芯片的初步備選方案為恩智浦半導體公司生產的TEA1791T、TEA1792TS、TEA1791A

T、TEA1792ATS和TEA1795T。同步整流控制芯片的初步備選方案見表1。TEA1791T和TEA1792TS為低頻單驅動芯片，兩芯片能適應的主電路工作頻率為250 kHz和277 kHz。TEA1791AT和TEA1792ATS為高頻單驅動芯片，頻率為537 kHz和625 kHz，消隱時間0.8 μs和0.93 μs，適合LLC電路為主電路的架構。TEA17 95T為高頻雙驅動芯片，適合LLC電路和多路輸出的反激電路，1顆芯片驅動2顆MOSFET。

2? 同步整流控制器方案對比

經過初步選型后，考慮在TEA1795T、TEA1791AT之間做出選型。實際使用TEA1795T的應用過程中，遇到了多種關于TEA1795T的問題， 分析如下。

2.1? TEA1795T同步整流應用問題

2.1.1? TEA1795T出現雙驅動現象

TEA1795T芯片構成的同步整流電路，消隱時間0.52 μs偏短，實測輕載時，樣機電源輸出斷帶25%負載，該控制芯片無法避開LLC變壓器漏感和插件MOSFET引線電感引起的電壓震蕩時間，導致驅動關斷后二次開啟的現象，2個同步整流MOSFET出現電流大小波，且出現芯片雙驅動現象，影響整機效率。如圖1所示，控制芯片520 ns消隱時間過后驅動開通，由于LLC變壓器漏感和插件MOSFET引線電感導致MOSFET漏源極電壓震蕩，帶負載25%電流減小，負載電流在MOSFET內部 Rds（on）上的壓降為11 mV，芯片的關斷閾值為12 mV，使得檢測電壓小于關斷閾值，驅動關斷，MOSFET體二極管代替成為整流管.由于此時刻流過體二極管代的電流非常小，體二極管壓降也很小，導致芯片無法檢測到-220 mV，延時至電流增大，使-220 mV被觸發后芯片再次開通，出現雙驅動。MOSFET出現雙驅動對整體效率和MOSFET溫升可能會有一定影響，熱成像測試如圖2所示，測試條件為室溫25 ℃恒流負載2.5 A，穩態運行30 min，數據顯示同步整流MOSFET Q3為35.8 ℃，Q4為39.5 ℃?？紤]到輸出為25%負載，MOSFET大小波和雙驅動對損耗的影響不明顯，MOSFET溫升不高。該現象根本原因是輸出電流減小使檢測電壓的平臺降低了，只要使用TEA1795T芯片，以上措施只是讓該現象延遲到更輕負載時才出現，并不能完全消除。

2.1.2? 樣機電源關機過程出現MOSFET電壓震蕩現象

樣機電源恒壓輸出端子通過2根6平方線連接電子負載設備，電子負載以恒流1.0 A拉動樣機電源輸出端，LLC拓撲和同步整流電路處于輕載關機狀態，此時刻LLC拓撲頻率為70 kHz左右，在TEA1795T最小開通時間520 ns內，LLC變壓器副邊繞組電流反向，對應的MOSFET Q4在520 ns時檢測到電壓大于-12 mV，從而主動關斷驅動，控制器關斷驅動后導致對應繞組電流突變，LLC高頻變壓器漏感引起 MOSFET漏源極電壓震蕩。同時，從LLC高頻變壓器角度看，另一個繞組電流方向不改變，對應的MOSFET緊接著開通，故兩管以960 kHz頻率推挽交替導通，考慮到漏感對電流的阻礙作用，同步整流控制器實際檢測-220 mV的時間有延遲，實測頻率680 K，如圖3所示，最終導致的后果，此狀態下同步整流MOSFET電壓應力超限，MOSFET漏源電壓實測 90 V，MOSFET最高漏源電壓為80 V，該狀態一直持續到24 V供電電壓降到8 V芯片關斷為止，大約8 ms，即樣機電源關機過程中同步整流芯片在最小開通時間內關斷驅動導致MOSFET以680 kHz電壓震蕩導致MOSFET瞬時電壓超過額定電壓。該激勵能夠持續交替進行，是因為TEA1795T在520 ns檢測到大于-12 mV關斷MOSFET后，下一個周期沒有停發驅動，如圖4所示。由于輕載關機同步整流控制器引發的MOSFET應力超規格問題，排除TEA1795T方案?？紤]到單驅動的TEA1791AT芯片可以在檢測到-12 mV的下一個周期停發驅動，所以選用TEA1791AT芯片。

2.2? TEA1791AT同步整流應用問題與改善方法

2.2.1? TEA1791AT同步整流電路應用的問題

如圖5所示，為TEA1791AT構成的同步整流電路。樣機電源輸出負載為滿載的12%，即輸出電流為1 A，樣機電源關機時最后一個周期同步整流MOSFET漏源電壓出現單次震蕩，如圖6所示。

由于半橋下管Q2驅動關斷，諧振腔電流給上管寄生電容放電，半橋中點電壓升至母線電壓，上管驅動已被LLC驅動芯片L6599第7腳輸入電壓檢測引腳關斷，半橋中點電壓開始諧振，而同步整流MOSFET開通，半橋中點電壓為nVo，諧振腔電流在中點電壓等于母線電壓時，經過上管體二極管反向流動至母線電容。同步整流MOSFET 在開通后930 ns檢測到負向電流對應閾值大于-12 mV，主動關斷，同步整流MOSFET漏源電壓震蕩一次， 另一個同步整流MOSFET檢測到負向電流對應閾值大于-12 mV，主動關斷，另一MOSFET漏源電壓震蕩一次，而此時，諧振電容電壓高于225 V，實測為280 V，半橋下管驅動關斷后，同步整流電路控制器供電電源端還未掉電，同步整流電路控制器仍然發出驅動，導致LLC變壓器副邊電流在同步整流MOSFET導通時仍有反向流動的可能，所以造成了同步整流MOSFET漏極震蕩現象。

2.2.2? TEA1791AT同步整流電路的改善方法

為解決上述現象，需要優化樣機電源關機時序，優化半橋諧振控制器和同步整流電路控制器的關斷順序，更改為先關斷LLC變壓器副邊同步整流電路控制器的供電電源，保證同步整流MOSFET驅動停止，后關斷LLC變壓器原邊半橋諧振控制器L6599芯片供電電源。半橋諧振控制器L6599芯片供電電源受芯片第7腳輸入電壓檢測引腳外接的分壓電阻RH和RL影響，優化后的L6599參數見表2。優化樣機電源開關機順序后，未出現輕載情況下同步整流電路異常的問題。

漏源電壓單次震蕩波形

3? 同步整流應用的其他問題

3.1? 同步整流控制芯片的PCB板布線

在進行同步整流MOSFET和控制芯片在PCB布線時，同步整流控制芯片的漏極和源極引腳到MOSFET的漏極和源極距離一定要短，同步整流控制芯片的漏極引腳和控制芯片的源極引腳所構成的環路要盡量小，布線距離短能使引線電感分量減小，布線環路小可以減小干擾，這樣做可以使同步整流控制芯片在工作中降低對整體環路的影響。

3.2? LLC變壓器副邊MOSFET電流測試注意點

使用示波器評估LLC變壓器副邊MOSFET電流波形時，需要用測試導線串接在被切斷的線路板銅箔兩端，如果在MOSFET漏極或源極串入測試導線，會導致測試導線的引線電感增加到被線路，從而增加MOSFET漏源電壓震蕩時間，影響檢測精度。為了解決這一問題，在LLC變壓器副邊公共抽頭端PCB銅箔處增加電流測試點，是一種更合理、準確、可靠的電流測試方法，該方法能盡可能減少對同步整流電路的影響。

3.3? 同步整流控制芯片調整閾值和MOSFET漏源導通電阻的選取

假設選取TEA1791AT和TEA1795T兩種同步整流芯片，其中TEA1791AT的驅動調整閾值為-55 mV，TEA1795T的驅動調整閾值為-25 mV，選擇MOSFET常溫25 ℃漏源電阻分別為10 mΩ和5 mΩ管子做對照。使用漏源電阻阻值相對高的10 mΩ MOSFET和TEA1791AT，管子在副邊電流55 mV/10 mΩ=5.5 A時開始降低驅動電壓，若使用TEA1795T，管子在副邊電流25 mV/10 mΩ=2.5 A；使用漏源電阻阻值相對低的5 mΩ MOSFET和TEA1791AT，管子在副邊電流55 mV/5 mΩ=11 A時開始降低驅動電壓，若使用TEA1795T，管子在副邊電流25 mV/5 mΩ=5 A時開始降低驅動電壓。由此可見，管子在流過電流很大的情況下降低柵極驅動電壓，會造成同步整流MOSFET對外阻抗上升，影響電源整機效率，若使用高調整閾值的同步整流控制芯片，需要搭配高漏源導通電阻的MOSFET。

4? 結論

設計了一款200 W AC/DC電源，輸出電壓為24 V，輸出端采用同步整流方案，著重討論了LLC變壓器副邊同步整流芯片的選型和設計應用過程，理論分析和實際應用的結論如下。

1）TEA1791T及TEA1792TS芯片消隱時間長，芯片最高頻率為250 kHz、277 kHz，本文設計的LLC電路軟啟動頻率320 kHz，掃頻至240 kHz左右，同步整流芯片開始工作，為防止輸出電流反灌，考慮頻率限制的因素，從理論分析上排除這2種低頻芯片。

2）TEA1791AT和TEA1792ATS高頻單驅動芯片，可以用于LLC電路，但由于TEA1792ATS芯片的 TSOP6封裝的出貨量很少，單價反而比SO8封裝高，考慮成本因素，排除TEA1792ATS。

3）樣機電源最終定型選擇TEA1791AT單驅動芯片，輸出半載以下的負載情況及開機空載開關機瞬間同步整流MOSFET的狀態是需要重點關注的，且恒壓情況下各種負載，LLC電路頻率基本一致，如果不考慮寬增益范圍，LLC最低頻率建議設在工作頻率的80%，以免出現輕載關機同步整流異常。

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