山区涉河桥梁墩柱冲磨破坏机理及防护措施

张焱焜 尚军年 袁佩 耿波 文江福

摘  要：近年来自然灾害频发，山区桥梁水毁事故时有发生，针对山区涉河桥梁墩柱冲磨性能的提升正逐渐成为研究热点。该文综述山区涉河桥梁墩柱冲磨破坏机理及防护措施研究现状，并针对一种新型防护措施的防护效果进行数值模拟分析，以期为应对桥梁结构冲磨破坏问题提供参考。

关键词：山区；桥梁；防护装备；混凝土；冲击效应

中图分类号：U445.7      文献标志码：A          文章编号：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

随着我国经济社会的快速发展以及工程技术水平的不断提高，交通基础设施不断向西部山区蔓延。然而西部山区地质条件复杂，泥石流等自然灾害频发对于桥梁结构等交通基础设施的安全运营带来了严峻挑战。据统计资料表明，山洪是公路、铁路水毁的主要类型之一，我国西部地区公路、铁路水毁约70%源于山洪冲击，多数桥墩受河流中携带的大量泥沙或碎石冲击作用而产生不同程度的破坏。因此，针对山区涉河桥梁墩柱磨蚀机理进行全方面研究探讨，进而针对性地开展防护措施研究并探寻最适宜的防护方案对于保障桥梁结构的安全运营至关重要。

基于此，本文将对近年来国内外针对山区涉河桥梁墩柱冲磨破坏机理以及防护措施研究现状进行综述，并针对一种新型防护措施的防护效果进行数值模拟分析，以期为应对桥梁结构冲蚀破坏问题提供参考。

1  墩柱冲磨破坏机理

众多研究表明，山区涉河桥墩冲磨破坏多由流体携带的悬移质泥沙或推移质泥沙颗粒对混凝土表面不断冲击或切削所致[1-2]。山洪冲击作用下，桥梁墩柱一部分受到泥石流体的摩擦力，一部分受到流体中的岩石颗粒的冲击力，二者共同作用导致了桥梁墩柱结构的损伤。

1.1  磨蚀破坏机理

Goodwin等[3]使用真空旋臂钻机研究了冲击速度和颗粒性质对不同材料侵蚀的影响，研究结果表明，磨蚀破坏的主要原因在于颗粒物在较大角度的冲击作用下混凝土发生塑性变形和剪切变形所致。程海根等[4]针对水流作用下桥梁桩基础冲蚀磨损数值研究表明，涉水桥墩的冲蚀破坏主要集中在前排桩基与承台的连接处，承台周围存在马蹄状漩涡及下潜水流是导致承台冲孔的主要原因。余志祥等[5]采用实地调查及CFD数值分析方法，针对水沙冲刷作用下山区桥梁墩柱磨蚀损伤进行了系列研究。研究结果表明，相较于方形倒角墩柱以及方形墩柱，圆形截面墩柱抗磨蚀能力最好；此外，墩柱的磨蚀损伤程度与河水含砂率基本呈线性关系，最大磨蚀厚度与水流速度以及含砂率强相关。刘忠桥[6]通过收集整理相关研究文献统计发现，影响水工混凝土磨蚀程度的因素主要有冲击时间、水流含沙量、冲击角度、颗粒物运动速度以及材料特性等。此外，由于高速水流会产生低气压区，当压力下降到一定程度时流体中会形成空泡，空泡破坏时产生的冲击波一定程度上也会导致混凝土表面损伤[7]。

1.2  冲蚀破坏机理

然而，山区桥梁除受到泥沙等悬移质磨蚀作用以外，往往还伴随着粗砂、块石等大颗粒为主的推移质冲击荷载，而大块石的频繁冲击通常破坏性更大，由于粗骨料硬度较大且不易松动，使得混凝土表面形成凹凸不平的磨蚀坑进而导致水流在壁面形成不同形式的漩涡流而加剧磨蚀破坏[8]。

王若帆[9]利用数值仿真研究分析了墩柱在漂石撞击作用下的损伤机理，并通过试验对比分析了不同结构形式下的防护装备耗能效果。姚昌荣等[10]通过数值模拟针对不同泥石流速度冲击时桥墩的响应情况以及块石对桥墩的冲击作用進行了系列研究，研究结果表明，块石冲击将导致混凝土表面损伤且对桥梁上部结构安全性能有一定程度影响。此外，其针对某重力式桥墩在泥石流冲击、大块石冲击以及横向风荷载作用下桥梁结构的安全性能进行了分析[11]。黄云[12]通过建立块石－浆体－桥墩耦合数值模型，针对块石浆体冲击荷载下桥梁结构的动力响应研究发现，浆体一定程度上会加强大块石的冲击效应。田菁艾等[13]针对风沙两相流作用下混凝土的冲蚀特性进行了数值模拟以及试验验证，探究了风速以及风向对冲蚀率的影响。

2  防护装置研究现状及工程应用

目前，针对桥梁墩柱冲磨破坏防护措施主要集中在新型耗能结构的研发以及耐磨材料的应用两个方面。

2.1  结构性防护措施

王秀丽等[14]运用有限元软件对一种新型柔性防护体系结构进行抗泥石流中大石块冲击的数值模拟，研究了不同冲击能量、冲击速度，柔性防护体系结构尺寸对防护性能的影响。赵金华等[15]针对泡沫铝以及铝蜂窝夹层结构下复合材料冲击性能进行了系列试验分析，研究结果表明，结构的冲击性能与芯材厚度呈正相关且铝蜂窝芯材结构抗冲击吸能性能更优，但泡沫铝夹层结构整体稳定性更好。邱恩喜等[16]利用有限元软件针对泥石流运动特征以及治理措施防护效果进行了分析，提出了“固源为主，拦挡、排导为辅”的治理方案。黄俨[17]针对漂石冲击桥墩提出了一种基于多胞材料的耗能防护装置。柳春等[18]针对大块石冲击作用下混凝土拦挡坝的动力响应进行了研究，并详细分析了迎坡比、防撞墩以及缓冲层三种防护方案的优化对策。焦明东等[19]针对玄武岩复合纤维板防护套筒的抗冲磨能力以及长期抗冲磨稳定性进行了试验研究。

2.2  耐磨材料的工程应用

王彦平等[20]探究了混凝土表面增强处理对抗冲蚀磨损性能的影响，并同时对比分析了相同混凝土基底下不同防护涂料的防磨蚀效果。李珍等[21]针对水工建筑物磨蚀严重等问题，研发了一种以乙烯基酯树脂和聚脲为基体且工程应用效果较好的抗冲磨材料。孙志恒等[22]针对SK抗冲磨刮涂聚脲以及SK高韧性环氧耐磨防护涂层的抗冲磨性能进行了室内研究，结果表明两种防护涂层均具有良好的抗冲磨效果。同样，汪在芹等[23]针对聚脲等抗冲磨材料进行了系列研究，且相关研究在工程上已取得良好应用效果。肖承京等[24]针对西藏地区水工混凝土抗冲磨防护需求，研发了一种高耐候、耐冲磨的环氧涂层材料。

3  防护装置耗能效果数值模拟

3.1  防护装置结构设计

大量调查及研究数据表明，山区涉河桥梁墩柱多为冲磨破坏，即墩柱结构同时遭受泥沙磨蚀以及块石冲击而导致结构物受损，因此，防护装备方面应同时兼顾耐磨、抗冲击、耗能的特点。基于上述原因，提出了一种适用于山区涉河桥梁桩柱结构的装配式防冲磨装置，装配体之间连接形式类似于榫卯结构，防护装置如图1所示。装置主要由外侧耐磨板以及内侧耗能结构组成，由于桩基自身承载能力较低，因此，防护装置可独立拼装，尽可能避免破坏原桥结构。

3.2  模型建立

装配式防冲磨护装置外侧耐磨板由Solid实体单元建立，内侧耗能结构由于是空心结构因此在建立有限元模型时采用壳单元模拟，外侧耐磨板与内侧耗能构件以及耗能构件与桥墩之间采用面面接触，数值模拟采用ANSYS Workbench LS-DYNA模块分析，有限元模型如图2所示。实际分析时仅约束桥墩底面自由度。

3.3  数值分析结果

为进一步研究防护装置的耗能效果，建立了一个直径为0.2 m的圆形混凝土小球以5 m/s速度撞击模型，对比分析了防护设施对块石冲击作用下桥墩的动力响应结果（图3）。

根据表1计算结果表明，增设所述耗能设施后在块石撞击作用下，墩柱结构的最大应力由1.7 MPa降低到了0.32 MPa，应力大小有效折减了81%，初步分析此结果是由于冲击能量较低使得大部分能量由外侧耐磨板以及内侧耗能结构耗散所致。

4  结束语

本文针对山区涉河桥梁墩柱冲磨破坏严重等现实问题，综述了山区涉河桥梁墩柱冲磨破坏机理以及防护措施研究现状，并针对一种新型防护措施的防护效果进行了数值模拟分析，主要结论如下。

1）山区涉河桥梁冲磨防护装置目前多围绕无机非金属材料、有机高分子材料、金属材料和先进成型工艺进行研究，针对不同磨蚀工况探寻最优的防护措施将是未来桥梁磨蚀破坏防护策略的发展趋势。

2）本文提出的一种适用于山区涉河桥梁桩柱结构的装配式防冲磨装置能有效折减块石撞击能量，相较于无防护设施下墩柱结构应力，增设防护设施后墩柱结构在块石冲击作用下最大应力能有效折减80%左右。

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在低电压、大电流供电的情况下，同步整流电路相对于二极管整流有着很大的优势。同步整流电路有4个重要参数，即开通阈值、调整阈值、关断阈值和消隐时间。同步整流芯片的功能简要概述如下：芯片检测被整流电压的下降沿，经过一段消隐时间后，芯片输出10 V栅极驱动电压保证MOSFET的导通电阻Rds（on）最小。临近一个周期结束时，芯片在MOSFET流过输出电流下降的适当时刻降低栅极驱动电压，这个适当的时刻由芯片的调整阈值和MOSFET的导通电阻Rds（on）共同决定，周期结束，芯片快速关断MOSFET。如果输出负载所需电流不大，负载较轻，芯片减小或关断栅极驱动。芯片内部的消隐电路能够避免MOSFET误开误关。

1  同步整流控制器方案介绍

针对同步整流控制芯片的初步备选方案为恩智浦半导体公司生产的TEA1791T、TEA1792TS、TEA1791A

T、TEA1792ATS和TEA1795T。同步整流控制芯片的初步备选方案见表1。TEA1791T和TEA1792TS为低频单驱动芯片，两芯片能适应的主电路工作频率为250 kHz和277 kHz。TEA1791AT和TEA1792ATS为高频单驱动芯片，频率为537 kHz和625 kHz，消隐时间0.8 μs和0.93 μs，适合LLC电路为主电路的架构。TEA17 95T为高频双驱动芯片，适合LLC电路和多路输出的反激电路，1颗芯片驱动2颗MOSFET。

2  同步整流控制器方案对比

经过初步选型后，考虑在TEA1795T、TEA1791AT之间做出选型。实际使用TEA1795T的应用过程中，遇到了多种关于TEA1795T的问题， 分析如下。

2.1  TEA1795T同步整流应用问题

2.1.1  TEA1795T出现双驱动现象

TEA1795T芯片构成的同步整流电路，消隐时间0.52 μs偏短，实测轻载时，样机电源输出断带25%负载，该控制芯片无法避开LLC变压器漏感和插件MOSFET引线电感引起的电压震荡时间，导致驱动关断后二次开启的现象，2个同步整流MOSFET出现电流大小波，且出现芯片双驱动现象，影响整机效率。如图1所示，控制芯片520 ns消隐时间过后驱动开通，由于LLC变压器漏感和插件MOSFET引线电感导致MOSFET漏源极电压震荡，带负载25%电流减小，负载电流在MOSFET内部 Rds（on）上的压降为11 mV，芯片的关断阈值为12 mV，使得检测电压小于关断阈值，驱动关断，MOSFET体二极管代替成为整流管.由于此时刻流过体二极管代的电流非常小，体二极管压降也很小，导致芯片无法检测到-220 mV，延时至电流增大，使-220 mV被触发后芯片再次开通，出现双驱动。MOSFET出现双驱动对整体效率和MOSFET温升可能会有一定影响，热成像测试如图2所示，测试条件为室温25 ℃恒流负载2.5 A，稳态运行30 min，数据显示同步整流MOSFET Q3为35.8 ℃，Q4为39.5 ℃。考虑到输出为25%负载，MOSFET大小波和双驱动对损耗的影响不明显，MOSFET温升不高。该现象根本原因是输出电流减小使检测电压的平台降低了，只要使用TEA1795T芯片，以上措施只是让该现象延迟到更轻负载时才出现，并不能完全消除。

2.1.2  样机电源关机过程出现MOSFET电压震荡现象

样机电源恒压输出端子通过2根6平方线连接电子负载设备，电子负载以恒流1.0 A拉动样机电源输出端，LLC拓扑和同步整流电路处于轻载关机状态，此时刻LLC拓扑频率为70 kHz左右，在TEA1795T最小开通时间520 ns内，LLC变压器副边绕组电流反向，对应的MOSFET Q4在520 ns时检测到电压大于-12 mV，从而主动关断驱动，控制器关断驱动后导致对应绕组电流突变，LLC高频变压器漏感引起 MOSFET漏源极电压震荡。同时，从LLC高频变压器角度看，另一个绕组电流方向不改变，对应的MOSFET紧接着开通，故两管以960 kHz频率推挽交替导通，考虑到漏感对电流的阻碍作用，同步整流控制器实际检測-220 mV的时间有延迟，实测频率680 K，如图3所示，最终导致的后果，此状态下同步整流MOSFET电压应力超限，MOSFET漏源电压实测 90 V，MOSFET最高漏源电压为80 V，该状态一直持续到24 V供电电压降到8 V芯片关断为止，大约8 ms，即样机电源关机过程中同步整流芯片在最小开通时间内关断驱动导致MOSFET以680 kHz电压震荡导致MOSFET瞬时电压超过额定电压。该激励能够持续交替进行，是因为TEA1795T在520 ns检测到大于-12 mV关断MOSFET后，下一个周期没有停发驱动，如图4所示。由于轻载关机同步整流控制器引发的MOSFET应力超规格问题，排除TEA1795T方案。考虑到单驱动的TEA1791AT芯片可以在检测到-12 mV的下一个周期停发驱动，所以选用TEA1791AT芯片。

2.2  TEA1791AT同步整流应用问题与改善方法

2.2.1  TEA1791AT同步整流电路应用的问题

如图5所示，为TEA1791AT构成的同步整流电路。样机电源输出负载为满载的12%，即输出电流为1 A，样机电源关机时最后一个周期同步整流MOSFET漏源电压出现单次震荡，如图6所示。

由于半桥下管Q2驱动关断，谐振腔电流给上管寄生电容放电，半桥中点电压升至母线电压，上管驱动已被LLC驱动芯片L6599第7脚输入电压检测引脚关断，半桥中点电压开始谐振，而同步整流MOSFET开通，半桥中点电压为nVo，谐振腔电流在中点电压等于母线电压时，经过上管体二极管反向流动至母线电容。同步整流MOSFET 在开通后930 ns检测到负向电流对应阈值大于-12 mV，主动关断，同步整流MOSFET漏源电压震荡一次， 另一个同步整流MOSFET检测到负向电流对应阈值大于-12 mV，主动关断，另一MOSFET漏源电压震荡一次，而此时，谐振电容电压高于225 V，实测为280 V，半桥下管驱动关断后，同步整流电路控制器供电电源端还未掉电，同步整流电路控制器仍然发出驱动，导致LLC变压器副边电流在同步整流MOSFET导通时仍有反向流动的可能，所以造成了同步整流MOSFET漏极震荡现象。

2.2.2  TEA1791AT同步整流电路的改善方法

为解决上述现象，需要优化样机电源关机时序，优化半桥谐振控制器和同步整流电路控制器的关断顺序，更改为先关断LLC变压器副边同步整流电路控制器的供电电源，保证同步整流MOSFET驱动停止，后关断LLC变压器原边半桥谐振控制器L6599芯片供电电源。半桥谐振控制器L6599芯片供电电源受芯片第7脚输入电压检测引脚外接的分压电阻RH和RL影响，优化后的L6599参数见表2。优化样机电源开关机顺序后，未出现轻载情况下同步整流电路异常的问题。

漏源电压单次震荡波形

3  同步整流应用的其他问题

3.1  同步整流控制芯片的PCB板布线

在进行同步整流MOSFET和控制芯片在PCB布线时，同步整流控制芯片的漏极和源极引脚到MOSFET的漏极和源极距离一定要短，同步整流控制芯片的漏极引脚和控制芯片的源极引脚所构成的环路要尽量小，布线距离短能使引线电感分量减小，布线环路小可以减小干扰，这样做可以使同步整流控制芯片在工作中降低对整体环路的影响。

3.2  LLC变压器副边MOSFET电流测试注意点

使用示波器评估LLC变压器副边MOSFET电流波形时，需要用测试导线串接在被切断的线路板铜箔两端，如果在MOSFET漏极或源极串入测试导线，会导致测试导线的引线电感增加到被线路，从而增加MOSFET漏源电压震荡时间，影响检测精度。为了解决这一问题，在LLC变压器副边公共抽头端PCB铜箔处增加电流测试点，是一种更合理、准确、可靠的电流测试方法，该方法能尽可能减少对同步整流电路的影响。

3.3  同步整流控制芯片调整阈值和MOSFET漏源导通电阻的选取

假设选取TEA1791AT和TEA1795T两种同步整流芯片，其中TEA1791AT的驱动调整阈值为-55 mV，TEA1795T的驱动调整阈值为-25 mV，选择MOSFET常温25 ℃漏源电阻分别为10 mΩ和5 mΩ管子做对照。使用漏源电阻阻值相对高的10 mΩ MOSFET和TEA1791AT，管子在副边电流55 mV/10 mΩ=5.5 A时开始降低驱动电压，若使用TEA1795T，管子在副边电流25 mV/10 mΩ=2.5 A；使用漏源电阻阻值相对低的5 mΩ MOSFET和TEA1791AT，管子在副边电流55 mV/5 mΩ=11 A时开始降低驱动电压，若使用TEA1795T，管子在副边电流25 mV/5 mΩ=5 A时开始降低驱动电压。由此可见，管子在流过电流很大的情况下降低栅极驱动电压，会造成同步整流MOSFET对外阻抗上升，影响电源整机效率，若使用高调整阈值的同步整流控制芯片，需要搭配高漏源导通电阻的MOSFET。

4  结论

设计了一款200 W AC/DC电源，输出电压为24 V，输出端采用同步整流方案，着重讨论了LLC变压器副边同步整流芯片的选型和设计应用过程，理论分析和实际应用的结论如下。

1）TEA1791T及TEA1792TS芯片消隐时间长，芯片最高频率为250 kHz、277 kHz，本文设计的LLC电路软启动频率320 kHz，扫频至240 kHz左右，同步整流芯片开始工作，为防止输出电流反灌，考虑频率限制的因素，从理论分析上排除这2种低频芯片。

2）TEA1791AT和TEA1792ATS高频单驱动芯片，可以用于LLC电路，但由于TEA1792ATS芯片的 TSOP6封装的出货量很少，单价反而比SO8封装高，考虑成本因素，排除TEA1792ATS。

3）样机电源最终定型选择TEA1791AT单驱动芯片，输出半载以下的负载情况及开机空载开关机瞬间同步整流MOSFET的状态是需要重点关注的，且恒压情况下各种负载，LLC电路频率基本一致，如果不考虑宽增益范围，LLC最低频率建议设在工作频率的80%，以免出现轻载关机同步整流异常。

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