公路交通科技

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道路工程

沥青路面热反射封层材料降温性能与机理研究

张金喜, 董子震, 禚永昌, 孙国强

2024, 41(3): 1-8. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.001

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热反射型沥青路面封层可有效降低沥青路面温度,从而避免车辙病害。采用中空陶瓷微珠(HCB)和中空玻璃微珠(HGB)两种热反射材料,分别与雾封层和稀浆封层两种预防性养护技术结合,制备沥青路面热反射封层材料。利用扫描电子显微镜(SEM)与X射线衍射(XRD)对两种热反射材料的微观形貌与化学组成进行表征;通过室内降温试验对不同封层形式与不同热反射材料的降温效果进行研究,利用室外降温试验对热反射稀浆封层的降温效果进行研究,并探讨了HCB与HGB在封层中的热反射机理。研究结果表明:SEM与XRD试验显示HCB与HGB微观结构与化学组成使其有利于降低路面温度;室内降温试验表明,含8%HGB的热反射稀浆封层温度可降低2.6 ℃,含100%HGB热反射雾封层温度可降低1 ℃,热反射稀浆封层降温效果优于热反射雾封层,并且在相同掺量下,添加HGB的降温效果优于添加HCB;室外降温试验结果表明,相比未掺加热反射材料的稀浆封层,含8%HGB的热反射稀浆封层的降温效果可达5.2 ℃;相比未加铺热反射稀浆封,含8%HGB的热反射稀浆封层的降温效果达到3.3 ℃,热反射稀浆封在具备养护功能的同时也可以达到降温效果。研究结果可为公路关键路段的日常预防性养护提供一种可行的车辙病害解决方案。

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道路工程

排水沥青路面超渗流行为时空分布规律的试验研究

朱勇强, 李连生, 陈嘉成, 罗朝阳, 蔡旭

2024, 41(3): 9-18. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.002

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为探究排水沥青路面在不同降雨环境下真实的超渗流行为,并弥补现有渗水试验表征排水能力的不足,以目标空隙率为20%和22%、公称最大粒径为13.2 mm的排水沥青混合料(PAC-13)为研究对象,基于自主研发的降雨排水试验装置,采用降雨峰值比例为0.4、降雨历时为30 min的广州地区芝加哥雨型进行室内降雨试验和数据分析;探明重现期分别为0.5, 1, 2, 10, 50, 100 a的降雨强度下,合成坡度为2.5%的路面超渗流行为时空分布规律;提出以极限降雨强度、超渗流水位曲线和径流时间参数来综合评价排水路面的排水性能。结果表明:(1)自主研发的降雨排水装置能得到排水沥青路面超渗流行为的时空分布规律;(2)20%和22%空隙率试验组的极限降雨强度分别为1.6 mm/min和2.0 mm/min,试验最大径流均出现在峰值降雨阶段,出现的位置一般在距离道路中心线0.7~1.5 m之间;(3)提升空隙率可以在一定程度上减少径流量的大小;(4)超渗流水位曲线越平缓,其内部渗流越流畅,排水能力越好;(5)超渗流水位曲线越集中,其排水能力越接近极限;(6)增加空隙率对路面径流的水膜厚度影响有限,但对路面径流的持续时间有着良好的削减作用,重现期越长这种削减作用越强,同时还能降低径流量持续时间随着重现期的增大而增加的速率。

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道路工程

多聚磷酸对不同基质沥青性能的影响研究

张海红

2024, 41(3): 19-25. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.003

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在沥青路面的长期服役过程中,车辆荷载、气候侵蚀和环境劣化作用会造成沥青性能的降低,进而导致路面病害的产生。为提高沥青路面性能,改性沥青被广泛应用于道路建设中。针对传统聚合物改性沥青价格高、储存稳定性差,采用多聚磷酸(PPA)对沥青进行改性。相较于传统聚合物改性沥青,PPA改性沥青具有储存稳定性好、价格便宜及高温性能好等优点,但其对于不同基质沥青改性效果的差异较大,因此遴选6种国内常用基质沥青,通过软化点、延度及针入度试验、弯曲梁蠕变试验、动态剪切流变试验及Pull-off试验,研究了不同PPA改性沥青高低温性能及黏附性能。结果表明:PPA的掺入可显著提高沥青的软化点,随着PPA掺量的增加,沥青的延度及针入度逐渐降低,—18 ℃下劲度模量显著提高,表明PPA对沥青的低温性能存在显著的负面影响。温度扫描试验结果表明:PPA对不同基质沥青流变特性的影响有着较大的差异,PPA+70^#沥青的流变性能总体高于PPA+90^#沥青,但其温度敏感性较大。Pull-off试验表明:PPA的加入可显著提高沥青的拉拔强度,表明PPA改性沥青有着优异的黏附性能。红外光谱试验结果表明:PPA与不同基质沥青间的反应有着较大的差异。

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道路工程

不同制备工艺的温拌橡胶沥青性能

钟献科

2024, 41(3): 26-34. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.004

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为了研究不同制备工艺的温拌橡胶沥青性能差异,分析温拌橡胶最佳的制备工艺,分别制备了3种不同制备工艺的温拌橡胶沥青,包括:先制备橡胶沥青,再与温拌剂混合;先混合温拌剂与橡胶颗粒,再制备温拌橡胶沥青;制备橡胶沥青过程中加入温拌剂。通过开展不同制备工艺的温拌橡胶沥青针入度试验、软化点试验、流变试验与红外光谱试验,分析不同制备工艺的温拌橡胶沥青针入度、软化点、车辙因子、相位角、疲劳因子、劲度模量与化学组成的指标差异,研究温拌剂以及不同制备工艺对橡胶沥青性能的影响。同时,采用不同制备工艺的温拌橡胶沥青进行沥青混合料试件成型,研究适宜的击实温度及路用性能,包括高温稳定性、低温抗裂性与水稳定性。结果表明:温拌剂的掺入将导致橡胶沥青针入度增大,软化点减小,抗车辙性能下降,但不会对橡胶沥青的低温抗裂性与抗疲劳性能产生影响;温拌剂可有效降低混合料的击实温度,不会对橡胶沥青混合料的低温抗裂性与水稳定性产生影响,但其将导致混合料的抗车辙性能下降;提前混合温拌剂与橡胶颗粒的制备工艺可以增加橡胶颗粒与沥青的溶合效应,将温拌剂对橡胶沥青抗车辙性能的影响减少到最低,同时可以降低橡胶沥青与橡胶沥青混合料的生产温度,在3种不同制备工艺中具有明显的优势。

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道路工程

吸波材料对水泥砂浆力学及升温特性影响研究

张丰焰, 吴永畅, 邱贺枰, 张永亮, 钱松

2024, 41(3): 35-42. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.005

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针对吸波材料对吸波砂浆升温特性、力学特性影响不明的研究现状,优选铁粉、石墨、碳纤维、钢纤维、磁铁矿粉等吸波材料,制备吸波砂浆,结合使用红外线热成像与循环微波加热的方法,研究了不同材料组成吸波砂浆的力学强度、升温特性、温场分布以及微波循环耐久性能。结果表明:碳纤维对砂浆的微波加热特性的改善作用最优,少量的碳纤维吸波水泥砂浆的升温特性就得到很大程度上的改善,1.5%的碳纤维含量可以提高水泥砂浆1.59倍的升温速率。石墨和钢纤维对砂浆的升温特性改善效果较优,1.5%的石墨和钢纤维含量可以分别提高水泥砂浆1.19和1.16倍的升温速率。不同种类的吸波材料对水泥砂浆的力学性能有着不同的影响,铁粉的掺入会使砂浆的抗折强度降低;石墨的掺入提高了水泥砂浆的抗折强度,但是随着石墨掺量的增多,提高的程度变小;钢纤维在掺入较小比例时强度得到提高;而碳纤维吸波水泥砂浆的抗折强度随着碳纤维掺量的增加而增加,1.5%的碳纤维含量可以提高水泥砂浆1.13倍的抗折强度。研究表明,所选取的多种吸波材料中,碳纤维可以同时提高砂浆的微波升温特性和力学强度,同时使砂浆获得良好的微波循环耐久性,适合作为微波除冰路面的吸波掺加材料。

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道路工程

吊连共筋装配式水泥混凝土路面传荷性能研究

方明镜, 柯文汇, 周然, 李云建, 李少杰

2024, 41(3): 43-49,60. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.006

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针对具有双向传力特征的"吊连共筋"体系装配式水泥混凝土路面板间传荷能力不明晰的问题,采用自主研发的扣压式反向张拉连接件,将埋设于预制路面板内部的横向主筋与纵向主筋成对机械连接,并采用自密实水泥砂浆灌入填充接缝,开展路面板双向连接的装配式水泥混凝土路面现场试验,得出了预制水泥混凝土路面板间水平极限抗拉及竖向传荷能力,并结合路面板铺装传荷数值模拟,分析了吊连共筋装配式水泥混凝土路面板间传荷性能影响因素。结果表明,自主研发的单组连接件可承受约53 kN极限拉力,纵横双向连接可为路面板提供约300 kN水平抗拉能力,板间平均传荷效率达到75%,而基层调平后可将板间传荷效率提升到80%以上。板间传荷效率与板间机械连接刚度正相关,当机械连接刚度达到钢筋一体连接的1/4时,可实现一体化连接效果。传力连接布设间距不应小于0.3 m,且建议设置在路面板行车荷载轨迹下方。同时,装配式水泥混凝土路面宜采用柔性基层材料,且接缝处基层脱空对板间传荷效率及平整度影响较大。装配式水泥混凝土路面铺装前,尤其需要注意对接缝处基层找平及密封防水。研究结论为新型装配式水泥混凝土路面板间连接方式及结构组合设计提供了技术参考。

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道路工程

MICP增强改性煤矸石在水稳材料中应用的试验研究

贾冠华, 贾佳, 刘玮, 李珠

2024, 41(3): 50-60. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.007

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为解决煤矸石集料强度低、吸水率高、易崩解等问题,采用微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)技术对煤矸石进行了增强改性。通过表观密度、吸水率、压碎值和超声波质量损失率的测试,同时结合SEM,EDS和XRD微观表征,研究了微生物矿化时间、菌液浓度和煤矸石粒径对MICP增强改性煤矸石性能的影响,并揭示了MICP增改性煤矸石的机理。将MICP增强改性煤矸石应用于水稳材料,通过无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量的测试,对比了MICP增强改性煤矸石水稳材料与普通煤矸石水稳材料的性能。结果表明:采用MICP增强改性技术可以提升煤矸石的物理力学性能,并且煤矸石的粒径越大增强改性效果越明显;在菌液OD600值(溶液在600 nm波长处的吸光值)为0.8、矿化改性7 d的条件下,MICP增强改性煤矸石比普通煤矸石的表观密度增加了14.66%,吸水率降低了 40.94%,压碎值降低了7.93%;经MICP增强改性后的煤矸石表面包裹的生物CaCO₃方解石使得煤矸石的表观密度增加,吸水率和压碎值降低,强度提高,从而提升了煤矸石的性能;水泥稳定MICP增强改性煤矸石混合料最佳含水量比普通煤矸石水稳材料降低了17.3%,最大干密度增加了7.9%;MICP增强改性煤矸石水稳材料各龄期的无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量比普通煤矸石水稳材料均显著提升,表现出更高的强度、更好的抗裂性能和抗变形能力。

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道路工程

基于非局部Biot理论的矩形移动荷载下饱和土动力响应

王观阳, 汪晓红, 熊文勇, 曾罗兰, 童立红

2024, 41(3): 61-71. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.008

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为进一步研究矩形移动荷载下饱和土路基中动力响应问题,首先,基于非局部Biot理论,以饱和土地基为研究对象,建立了考虑孔隙尺寸效应和矩形荷载作用下的非局部孔隙弹性计算模型;然后,考虑路基表面的透水边界条件,采用二次傅里叶逆变换得到饱和土体在矩形移动荷载下的时域内动力响应解析解;最后,分析了在不同模态和不同非局部参数的取值下,矩形荷载移动速度和荷载自振频率的变化对饱和土竖向和水平位移响应的影响。结果表明:在低模态时,非局部参数对饱和土位移响应影响不大,而在高模态时,其影响较大,并且位移响应主要取决于低模态。非局部参数与竖向位移成正比,而与水平位移成负相关关系。当荷载自振频率增大时,位移受到非局部参数的影响,随着非局部参数增大,位移响应峰值会在更低的荷载自振频率处出现,位移响应峰值向左移动。当荷载自振频率增大时,位移受到荷载移动速度的影响,在较低荷载移动速度下会出现位移响应峰值。当荷载移动速度增大时,位移受到荷载自振频率的影响,位移响应峰值出现对应的荷载自振频率减小。

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道路工程

基坑开挖前坑内预降水对基坑变形的影响

喻义天, 丁海滨, 刘昆, 徐长节, 童立红

2024, 41(3): 72-82. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.009

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为研究基坑开挖前坑内预降水对基坑变形及对水位变化情况影响,依托某地铁站基坑工程,采用室内模型试验方法,研究了抽水速度和降水深度对坑外水位变化、围护结构变形、地表沉降、孔隙水压以及土压力的影响。运用MIDAS GTS NX有限元软件对实际工程进行数值模拟,将试验数据与数值计算结果进行对比。结果表明:坑外水位随着与围护结构距离的增加,水位下降越小且降水曲线斜率越小,与试验得到的"先凹后凸"形坑外降水曲线结果一致;围护结构侧移随着降水深度的增大而增大,增加幅度逐渐减小,整体呈现"悬臂"形,底部由于受到渗流力的作用产生了一个指向坑内的"踢脚变形",最大围护结构侧移出现在围护结构顶部;坑外地表沉降呈现"对勾"形分布,最大坑外地表沉降的位置并不会随降水深度改变,而是始终出现在距围护结构大约10 m左右;围护结构侧移和地表沉降均随降水深度或抽水速度的增加而增大;基坑降水后孔隙水压无论坑内还是坑外均减小,坑内孔隙水压减小幅度明显大于坑外,且两者在变化规律上是不同的,坑内孔隙水压呈现先减后增,而坑外孔隙水压则是一直减小;坑内外侧向土压力随着降水深度的增加均显著减小;坑内土压力随着抽水速度的增大变化不明显,而坑外侧向土压力随着抽水速度增加明显减小。

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桥梁工程

高强度螺栓材料全过程真实应力-应变关系研究

刘卓, 杨飞, 陈澳, 张雅俊, 武芳文

2024, 41(3): 83-93. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.010

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对极限状态下螺栓杆会发生较大变形的高强度螺栓连接节点进行模拟分析时,需考虑螺栓材料的真实应力-应变关系。为此,以10.9级M20,M24,M30高强度螺栓为研究对象,探讨单轴拉伸状态下高强度螺栓材料的全过程真实应力-应变关系。首先制作高强度螺栓材料拉伸试件并通过开展单轴拉伸试验获得材料的全过程工程应力-应变曲线。然后采用有限元方法对单轴拉伸试验进行模拟,通过比较有限元分析和实测工程应力-应变曲线,讨论描述材料真实应力-应变关系的Ludwik,Hollomon,Voce,Swift表达式的适用性。最后基于归一化的颈缩前真实应力-应变关系以及归一化的硬化阶段真实应力-应变关系,提出两种改进的Ramberg-Osgood表达式描述螺栓材料的全过程真实应力-应变关系。结果表明:基于颈缩前硬化阶段真实应力-应变曲线拟合的Ludwik,Hollomon,Voce,Swift表达式中,Ludwik,Hollomon,Swift表达式会高估螺栓材料颈缩后的真实应力,而Voce表达式会低估螺栓材料颈缩后的真实应力;本研究提出基于归一化颈缩前真实应力-应变关系的Ramberg-Osgood表达式可较为准确地描述高强度螺栓材料的全过程真实应力-应变关系,其在强化阶段会略高估螺栓材料的真实应力;提出的基于归一化硬化阶段真实应力-应变关系的Ramberg-Osgood表达式可更准确地描述高强度螺栓材料的全过程真实应力-应变关系。

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桥梁工程

波形钢腹板-钢底板组合箱梁耐火性能及影响因素

郑尚敏, 管冲

2024, 41(3): 94-101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.011

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为研究波形钢腹板-钢底板组合箱梁在火灾作用下的挠变规律及耐火极限,本研究以一试验梁为研究背景,采用有限元软件ANSYS建立波形钢腹板-钢底板组合箱梁数值模型开展热-力耦合分析,研究不同升温曲线、受火区域、荷载比及高跨比等因数对其耐火性能的影响。结果表明:组合箱梁钢腹板和混凝土顶板沿梁高方向存在明显的温度梯度且受火时间越长温度梯度越明显;波形钢腹板-钢底板组合箱梁跨中挠度时程曲线主要分为两个阶段,前期为缓慢增长阶段,平均增长速率1.5 mm/min,后期为快速增长阶段,平均增长速率5 mm/min;组合箱梁在HC火灾作用下的耐火极限最短,在相同荷载比作用下较ISO834标准升温曲线作用下的耐火极限下降了71.8％;组合箱梁受火区域越大,耐火极限越小,且受火区域越靠近跨中截面,耐火极限越小;荷载比对组合箱梁的抗火性能有较大影响,荷载比由0.2增长到0.4时,组合箱梁的耐火极限降低了40.4％;高跨比越大的组合箱梁,虽然受火前期的耐火性能有明显的提高,但是后期随着温度的不断升高其耐火极限反而小于高跨比小的组合箱梁,且随着组合箱梁的高跨比从0.088增长到0.147,其耐火极限降低了23.1％。研究成果可为波形钢腹板-钢底板组合箱梁的防火设计提供一定的参考。

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桥梁工程

悬索桥空缆状态参数误差修正闭合迭代算法

朱伟华, 颜东煌, 许红胜, 周伟

2024, 41(3): 102-110. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.012

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针对悬索桥空缆状态主缆架设无应力长度和恒载重量参数误差修正算法存在不闭合问题,提出一种参数误差修正闭合迭代算法。基于悬链线方程理论建立索鞍处非线性方程组,基于分段弹性悬链线理论建立各吊杆间迭代方程组,由几何相容条件联立非线性方程组及迭代方程组,迭代求解各跨主缆力学参数。利用索鞍两侧主缆力学平衡条件,依次进行全桥各索鞍位置迭代修正计算,直至全桥索鞍与主缆体系满足收敛条件,从而达到悬索桥合理成桥状态。将悬索桥施工期各关键控制参数与合理成桥状态计算参数实现闭合性迭代计算。最后,基于合理成桥状态参数求解空缆状态吊杆无应力长度、索夹安装位置及锚跨合理张力,实现空缆状态参数误差修正闭合迭代计算。结果表明:将本研究迭代算法应用于实际悬索桥工程,实测悬索桥成桥状态主梁线形与设计目标值间最大差值为5.8 cm,成桥索塔偏位控制在1.0 cm以内,锚跨索股张力计算值与实测值整体误差率控制在1.0%左右,成桥状态关键技术参数监测结果满足设计及规范要求。满足闭合条件的悬索桥空缆状态迭代计算方法与文献算法进行对比分析,验证本研究方法有效性和可行性;推导的主缆找形迭代算法可为悬索桥设计与施工阶段计算理论提供一定参考价值。

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桥梁工程

正常使用状态体外束应力增量计算方法研究

高昌

2024, 41(3): 111-116. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.013

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为解决正常使用极限状态下体外束应力增量计算方法存在的效率、精度问题,基于试验结果和相关假定将体外束加固连续刚构视为各单跨加固体系,考虑使用荷载作用下体外束曲线变形特征及与梁体相对位置变化的几何关系,通过理论推导得出单跨加固体系在荷载作用下体外束应力增量计算的简析公式。将各单跨加固体系体外束应力增量进行叠加,导出全桥加固体系体外束总应力增量计算公式,并对不同荷载及布束形式下体外束应力增量计算公式进行了探讨。以一座体外束加固连续刚构实桥为算例,运用上述方法对体外束在正常使用极限状态下的应力增量进行了计算,并将计算结果与有限元模型、参考文献结果进行了对比验证。结果表明:体外束加固连续刚构在正常使用初期,体外索的应力增量变化取决于加固体系所承受的荷载,张拉控制应力对其影响不大,而在使用后期,张拉控制应力对体外束应力增量的影响逐渐加大;所提公式对体外束在正常使用极限状态下的应力增量计算具有较高的精度,最大平均误差在5%以内,能够满足工程计算精度的要求,且使结构设计偏于安全;同时,公式形式简单,避免了复杂的有限元建模与能量变分运算,便于工程技术人员掌握,具有较好的实用性。

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桥梁工程

体外预应力加固变截面连续刚构极限应力计算方法研究

骆佐龙, 韩智强, 刘陆平

2024, 41(3): 117-124. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.014

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为研究体外预应力加固变截面连续刚构体外束极限应力计算方法,首先,以两座背景工程为例,验证并评价了《规范》公式对于变截面连续刚构加固体系体外束极限应力计算的适用性;其次,在塑性铰个数计算的《规范》公式基础上,引入塑性铰个数修正系数α₁以考虑连续刚构结构体系与实际破坏模式下截面转角特征,偏安全地提出加固体系破坏极限状态下塑性铰个数计算的修正公式;然后,通过对中支点失效模型与等效塑性区截面应变分布进行分析,提出中支点截面修正系数α₂以考虑中支点截面变化对加固体系体外束有效长度的影响,经理论推导得出α₂简析表达式,最终导出变截面连续刚构加固体系体外束极限应力计算修正公式;最后,对已有文献中3个算例进行计算,对比验证修正公式的正确性与适用性。结果表明:应用《规范》公式计算变截面连续刚构加固体系体外束极限应力将产生较大的偏差,且使设计结果偏于不安全,原因在于《规范》公式对变截面连续刚构体外束加固体系在破坏极限状态下塑性铰个数计算偏多及对于连续刚构中支点截面与跨中截面特性的差异考虑不够充分;提出的修正公式对变截面连续刚构体外束加固体系体外束极限应力的计算具有较高的精度与较好的适用性,最大误差在10%以内,能够满足工程计算精度的要求,且使结构设计偏于安全,能够对体外预应力加固变截面连续刚构承载能力极限状态设计提供参考。

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桥梁工程

带UHPC接缝的桥面板力学性能试验研究

曾明辉, 尹炳森, 陈刚, 胡志坚

2024, 41(3): 125-131. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.015

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为掌握带UHPC接缝的桥面板受弯状态下的力学特点,进一步探究UHPC接缝的合理宽度及在接缝宽度相同情况下,不同接缝截面形式、钢筋搭接形式对带UHPC接缝的桥面板抗弯性能影响,设计制作了一块现浇整体板和3块不同湿接缝构造的UHPC预制桥面板,并分别进行四点弯曲试验评估接缝处抗弯性能,对荷载-跨中位移曲线、荷载-主裂缝宽度曲线、混凝土荷载-拉应变曲线、混凝土荷载-压应变曲线、荷载-受拉钢筋应变曲线、极限抗弯承载能力、裂缝发展状况展开相关研究。结果表明:由于UHPC优异的力学性能,4组试验板的荷载-跨中挠度曲线基本相近,带UHPC接缝的桥面板极限承载力优于整体板;接缝宽度、钢筋连接方式相同的情况下,漏斗形或楔形接缝截面形式不会影响预制桥面板的极限承载力,彼此刚度差异不大;在保证桥面板整体性和承载力的前提下,预制桥面板UHPC湿接缝可减小为15 cm宽;UHPC接缝连接的整体性良好,不会影响现浇接缝区段及连接界面的抗拉性能,带UHPC接缝的预制拼装桥面板的初始裂缝和主裂缝均位于普通混凝土区域,UHPC的高弹性模量使得接缝区域局部刚度提高,相较于接缝周围混凝土区域,接缝处的受压区混凝土压应变与受拉区钢筋的拉应变都较小,接缝区域未出现裂缝, UHPC湿接缝与混凝土预制板界面处的裂缝扩展速度缓慢。

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隧道工程

饱和多孔弹性深埋复合式衬砌抗震性能分析

王观阳, 陈常科, 熊文勇, 邓翔浩, 丁海滨

2024, 41(3): 132-142. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.016

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目前国内外学者针对地震波扰动下隧道的衬砌动力响应解析解的研究多为单层衬砌,而实际工况中隧道一般包括初衬和二次衬砌。因此,研究复合式衬砌隧道的抗震性至关重要。以深埋复合式衬砌隧道为研究对象,建立了考虑尺寸效应和非均匀性结构效应的高阶应变梯度非局部孔隙弹性计算模型,用以描述多孔介质材料和结构的具体物理特性。通过引入2个长度参数、非局部参数及尺度因子来改进Biot理论。采用波函数展开法得到了复合式衬砌的解析解。考虑深埋复合式衬砌隧道的边界条件,确定复合式衬砌隧道周围的动力集中因子大小,分析了不同入射P波频率下,尺寸因子和非局部参数对衬砌动应力集中因子大小的影响,以及内外衬砌刚度和厚度对衬砌内外边界动应力集中因子(DSCF)值的影响。结果表明:高频下,非局部参数和尺寸因子对衬砌内DSCF值的影响较大,并且非局部参数对衬砌内DSCF值有削弱的影响,尺寸因子对衬砌内DSCF值有增强的影响;低频下外衬砌刚度越大,外衬砌内DSCF值越大,内衬砌内DSCF值越小,这说明在外层衬砌不被破坏的情况下,内层衬砌适当选择刚度小一点的材料有利于隧道衬砌的安全;低频下,衬砌厚度在合理范围内越大,衬砌内DSCF值越小。解析结果可为隧道复合衬砌设计提供参考。

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隧道工程

炭质板岩冻融后蠕变特性试验及损伤模型研究

刘国民, 黄梅, 陈华, 姬云平

2024, 41(3): 143-150,162. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.017

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为了揭示炭质板岩冻融后蠕变力学,以汶川-马尔康高速公路卓克基隧道炭质板岩为研究对象。开展了不同冻融循环次数下的三轴压缩蠕变试验。假设岩石受荷载作用下的时效损伤服从Weibull概率密度分布,由此定义受荷损伤变量,依据唯象损伤力学理论定义冻融损伤变量,考虑冻融与应力的耦合效应,构建冻融、受荷总损伤变量。基于炭质板岩蠕变行为表现,确定H-H|N-N|S蠕变模型结构,基于此进行了损伤演化,得到一个新的可反映冻融与应力耦合的蠕变损伤模型,拓展为三维应力状态。给出模型参数求解方法,并分析了损伤演化规律,采用所建模型识别炭质板岩蠕变数据,引入一个传统模型进行了对比,分析模拟对比曲线,验证新模型的可行性和合理性。结果表明:炭质板岩的蠕变试验曲线呈"台阶形",轴向应变随着时间增长而递增;随着冻融作用的增强,长期强度随之递减,冻融循环作用可能会降低岩石蠕变破坏的难度;新模型对炭质板岩蠕变行为的模拟效果较好,平均R²达0.987 8,证明了新模型描述炭质板岩冻融后蠕变特性的可行性。冻融作用的加强,使得炭质板岩内部结构的损伤发展更快,对岩石蠕变破坏起一定促进作用。

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隧道工程

大跨隧道二衬施工期力学行为演变特征

胡学亮, 南骁聪, 张文亮, 朱德保

2024, 41(3): 151-162. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.018

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为研究大跨公路隧道施工期二次衬砌力学行为的演变特征,依托实际工程展开现场监测和数值计算。通过对比分析揭示了施工期隧道二衬内力和衬砌接触压力的分布情况和演化特征,并以此评估现场二衬的荷载分摊比和衬砌施作时机,为公路隧道二衬设计提供参考。结果表明:数值模拟与现场测试结果吻合较好,二次衬砌的荷载分摊比约为0.4,表明现场二衬的施作时机合理;二衬浇注后,水化反应引起的结构体积膨胀对二衬力学行为的影响较大,水化反应的影响在3 d内达到峰值,影响时间约为二衬浇注后的2~3周;现场测试表明,水化反应结束后,二衬拱顶、拱肩和拱脚处的接触压力基本趋于稳定,各部位的接触压力分别在0~20,70~80,5~10 kPa范围,而拱脚接触压力随施工进度呈先减后增的发展趋势,并最终稳定于200 kPa左右;二衬内力随着施工进度不断增长,施工完毕时,二衬拱顶、拱墙、拱腰处的轴向压力分别为450,140,200 kN,各部位的弯矩量值较小,结构安全冗余度充足;数值计算的结果表明,当二衬浇注断面在研究断面15 m以内时,拱脚接触压力的增长速度较快,当二衬浇注断面超过研究断面45 m后,衬砌接触压力和二衬内力趋于稳定。

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隧道工程

中东欧国家与中国公路隧道防火理念对比研究——以黑山南北高速公路项目为例

刘晨

2024, 41(3): 163-168. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.019

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为指导中国企业在中东欧国家进一步开展公路隧道建设,以中国企业在欧洲建设的最大公路基建项目黑山南北高速公路为例,进行公路隧道防火理念对比研究。黑山南北高速公路具备各类长度隧道16座,全过程基本采用欧洲标准建造,由欧洲公司进行监理,所选设备基本都在欧洲当地生产,因此其隧道防火理念可反映中东欧国家乃至整个欧洲地区的技术水平和建设理念,具备典型代表意义。采用比较分析法对隧道火灾风险评估报告、防火主设计、实施情况等进行分析研究,其中隧道火灾风险评估报告由具备欧盟认可的防火资质且独立于公路建设业主的第三方进行评估。评估主要针对与火灾安全相关的隧道设施配置规模,评估结论需提交给业主,并要求设计单位严格依据评估结果开展设计。同时也对中东欧国家和中国在公路隧道火灾安全风险评估、疏散逃生、消防救援、防火安全设计等理念上的差异进行综合对比。结果表明:中东欧国家公路隧道关于整体防火、防火分区、消防救援等防火理念相比中国更具有安全性、智能性,因此可为中国隧道防火安全建设提供一定借鉴,同时也可用于指导中国企业在中东欧乃至整个欧洲开展公路隧道建设。

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城市交通

考虑时空协同优先的城市应急车辆路径优化方法

郝正博, 杨晓光, 王一喆, 高乃航, 苏岳龙

2024, 41(3): 169-178,198. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.020

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目前城市应急救援车辆救援效能提升面临交通拥堵、交叉口延误、突发事故等诸多挑战。传统路径算法忽略了实际救援工作需求和路径选择偏好特征,无法很好满足快速高效、安全可靠的救援需求。针对这一问题,立足应急车辆与社会车辆在优先通行政策、车辆特性、优化目标、路径选择偏好等多特征差异,提出一种考虑时空协同优先的两阶段应急车辆救援路径动态优化方法。第1阶段,将用于求解静态K最短路径的Yen算法与城市路网时空动态性、高度随机性及不确定性等特征结合,增加基于层次聚类算法的路径安全风险约束与基于偏斜度指数等综合评价指标的可靠性约束,构建带有安全可靠性约束的动态K最短路径精确算法。第2阶段,结合车道数量、路段限速、路段长度等静态属性特征与拥堵延迟指数、路段平均车速等动态属性特征,求解在时空协同优先条件下的最佳救援路径。结果表明:与历史救援轨迹相比,考虑时空协同优先的两阶段城市应急车辆路径优化方法能够有效缩短城市应急车辆的救援响应时间,并提高应急车辆救援安全性与可靠性。因此,本方法面向实际救援工作,具有较好的应用前景。

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交通工程

公路大件运输空间可通行性评价方法

田振鼎, 吕路, 王玉莹, 张梦鸽, 王孝冬

2024, 41(3): 179-189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.021

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为提高公路大件运输安全性,有效评估公路大件运输的空间可通行性,融合查表、建模计算和仿真评价3种方法,提出公路大件运输空间可通行性评价方法。按照大件运输车辆典型的组合类型,以牵引车+长轴距挂车和牵引车+多轴多轮液压挂车2类挂车组合为研究对象,通过分析大件运输车辆的类型、转向原理及扫空空间、失效形式等影响因素,分别建立大件运输通行公路的平曲线、竖曲线可通行性评价模型和评价标准,计算满足公路大件运输空间可通行性的理论扫空宽度。同时,利用Auto TURN软件创建大件运输车辆通行环境,进行车辆转弯路径模拟仿真,获得大件运输车辆通行时的外廓安全轨迹最大宽度。依据大件运输车辆的宽度范围,将大件运输车辆外廓尺寸界定为5级,并对比分析了理论计算的扫空宽度和仿真模拟的外廓安全轨迹最大宽度的误差,根据公路技术指标极限值和满足大件运输车辆空间可通行性条件的车辆外廓尺寸阈值,反向计算出满足不同等级的大件运输车辆的推荐的空间可通行公路集。结果表明:平曲线和竖曲线可通行性理论计算与仿真模拟的误差均处于可接受范围内,提出的公路大件运输空间可通行性评价方法较为科学有效。

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汽车工程

数据驱动下小型纯电动汽车充电策略研究

李美洲, 陈辰, 倪洪飞, 王一博

2024, 41(3): 190-198. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.03.022

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随着能源危机和环境污染的日益加剧,电动汽车凭借自身低碳环保的特性使得纯电动汽车市场得到广泛关注并迅速扩张。然而,有限的电池容量、多样化的出行需求、充电设施的服务与需求不匹配等诸多问题逐渐成为电动汽车发展的瓶颈问题。考虑用户日常出行需求,优化电动汽车的续驶里程是解决这一问题的可行途径之一。通过对驾驶和充电行为进行建模,提出了一种用于电池电动汽车(BEV)最佳行驶里程的仿真方法。BEV用户的驾驶和充电模式是通过从中国上海收集的实际数据来重构日常出行链。同时,在日常出行链中定义了日常出行和每次出行的相互依赖的行为变量。为满足练习场的适应度目标,采用蒙特卡罗方法建立了一个随机模拟框架。最后,在考虑用户异质性的情况下,分析了不同充电场景下的最优续航里程。结果表明:通过每日出行和每次出行的行为变量可以重构每日出行链,Copula函数检测的变量之间存在相关性;不同日常出行需求的用户有不同的最优续航里程;在选择纯电动汽车时,建议用户考虑每天行驶的车辆公里数不超过电池续航里程的34%;增加充电次数和充电功率更有利于日常出行需求高的用户;在满足出行需求的前提下,增加快充功率的有益效果将逐渐减弱。

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