内填砂粒的桥梁钢管桩围堰船撞试验与模拟学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《中国公路学报》2024年第37卷第9期，由南京工业大学土木工程学院方海等五位学者合作完成，依托国家自然科学基金项目和江苏省科技计划专项资金。随着水运交通的快速发展，船舶与桥梁的碰撞事故日益增多，对桥梁结构安全和交通运输构成了严重威胁。传统的桥梁防撞设施多采用被动防护方式，防护效果有限。本文提出了一种设置在桥墩处的内填砂粒永临结合钢管桩围堰防撞设施，并通过缩尺试验和数值模拟对其防撞性能进行了系统研究。

从钢管制造和焊接的角度来看，钢管桩围堰防撞设施的核心构件是钢管桩，其制造质量和焊接工艺直接影响防撞设施的防护性能和耐久性。钢管桩通常采用螺旋焊管或直缝焊管，其壁厚、材质和焊缝质量是关键控制参数。

防撞设施的设计原理与构造

内填砂粒的钢管桩围堰防撞设施采用"永临结合"的设计理念，即在桥梁施工阶段作为围堰使用，在运营阶段作为防撞设施使用。这种设计既满足了施工需求，又实现了防撞功能，具有较高的经济性。

砂粒作为耗能材料，其耗能机理主要基于以下方面：

1. 砂粒的颗粒间摩擦耗能
2. 砂粒的塑性变形耗能
3. 砂粒的流动和压实耗能
4. 砂粒与钢管桩内壁的摩擦耗能

这种耗能方式类似于金属材料的塑性变形耗能，但具有可重复性和可恢复性的优势。

缩尺试验与有限元模拟

文章设计了缩尺比为1:25的防船撞设施模型，进行了水平撞击试验。试验结果表明，新型防船撞设施模型受到撞击后，钢管桩围堰可有效保护船艏，对撞深削减率为34.25%。同时，撞击力峰值和撞击深度的误差分别小于10%和5%，验证了有限元模型的精确性。

从钢管焊接质量的角度来看，缩尺试验中的钢管桩焊接质量对试验结果有重要影响。在实际工程中，钢管桩的焊接应采用以下工艺要求：

• 焊接方法：SAW（埋弧焊）或FCAW（药芯焊丝电弧焊）
• 焊接位置：全位置焊接，包括平焊、立焊、横焊和仰焊
• 焊接材料：与母材等强度或略高强度的焊材
• 焊接工艺评定：按照GB/T 19866或ISO 15614进行
• 无损检测：100%进行UT检测，必要时进行MT或PT检测

有限元模拟中，钢管桩的网格划分和材料本构模型的选取对模拟精度有重要影响。建议采用以下建模策略：

• 钢管桩采用壳单元（Shell element）或实体单元（Solid element）
• 砂粒采用离散元模型（DEM）或等效连续介质模型
• 接触采用罚函数法或拉格朗日乘子法
• 材料本构采用弹塑性模型，考虑应变率效应

撞击工况分析与防护效果

文章建立了船-防撞设施-桥碰撞有限元模型，开展了数值模拟研究，分别计算了4组撞击工况中防撞设施对峰值撞击力的削减效率。结果表明，随着船舶质量和撞击速度的增加，峰值撞击力削减率越大，其中200000t级船舶以3.97m/s减载正撞SZ02#南塔，峰值撞击力削减率达38.11%。

从焊接工程的角度来看，钢管桩在撞击过程中承受的载荷类型包括：

在实际工程中，钢管桩围堰防撞设施的焊接质量控制应重点关注以下方面：

1. 焊接接头的力学性能：抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击韧性
2. 焊接残余应力：通过X射线衍射法或盲孔法测量
3. 焊缝几何缺陷：未熔合、夹渣、气孔和咬边
4. 焊接变形：通过工装夹具和对称焊接控制

工程实践启示与思考

该研究对桥梁防撞设施的设计具有重要的参考价值。从钢管制造和焊接的角度来看，建议在实际工程中采取以下措施：

• 钢管桩材质选择：优先采用Q345qD或Q390qD等桥梁专用钢，具有良好的低温冲击韧性
• 焊接工艺优化：采用低热输入焊接工艺，减少热影响区宽度
• 焊后热处理：对关键焊缝进行消除应力退火处理
• 防腐保护：采用环氧涂层+阴极保护的复合防腐体系
• 定期检测：运营期间定期进行UT和MT检测，及时发现缺陷

学习心得与总结

通过研读本文，我深刻认识到桥梁防撞设施的设计是一个多专业交叉的复杂问题，涉及结构工程、材料科学、焊接工艺和数值模拟等多个领域。内填砂粒的钢管桩围堰防撞设施作为一种新型防撞设施，具有结构合理、耗能效果好、永临结合等优点。作为钢管焊接技术人员，我们应当关注防撞设施中钢管桩的焊接质量，从焊接工艺评定、无损检测和残余应力控制等方面确保防撞设施的可靠性和耐久性。同时，我们也应当加强与结构工程师的协作，从焊接角度为防撞设施的优化设计提供技术支持。