基于精英蚂蚁寻优策略,将大跨径桥梁的钢桥面板和铺装层作为桥面铺装系整体进行结构优化设计。以铺装层正常使用年限最长和结构总重量最轻作为优化设计的目标函数,在此基础上建立多目标优化设计的数学模型。针对模型的离散变量优化设计特点和具有并行计算的条件,引入精英蚂蚁寻优策略进行求解。借助大型有限元软件ANSYS和Matlab6.5编程技术,开发了钢桥面铺装体系结构多目标优化设计程序。以国内某大跨径钢桥为对象,采用多目标优化设计方法,给出了钢桥面铺装体系中各参数的优化设计值。所选择的设计变量范围覆盖了目前常用的正交异性钢桥面系结构参数值,且应用精英蚂蚁寻优策略对大跨径钢桥面铺装体系优化设计是可行的。
推导了沥青路面半刚性基层条状修复结构在修复材料自膨胀和降温共同作用下,半刚性基层结构的自膨胀和温度应力的解析解,提出了考虑材料徐变影响的自膨胀和温度应力计算方法,并给出了自膨胀效应、温度年变化和日变化的等效徐变系数,讨论了基层平均温度的年较差和日较差与路表温度的年较差和日较差的之间关系。以上海地区为例,计算了不同修复结构下新旧基层界面和修复基层最大的自膨胀和温度应力,由计算结果看出,修复材料的自膨胀率宜大于800με,它可使新旧基层界面基本上始终处于受压状态,从而避免界面脱离而出现结构裂缝及修复区下沉的危险。
应用分形理论,推导出聚酯纤维沥青混合料粗、细集料级配设计的数学模型。根据颗粒填充特性,计算出粗、细集料各级筛孔的理论通过率。将粗、细集料分别看作一个整体对其级配进行设计,在保持集料总比表面积基本不变的情况下,建立在实际设计中粗集料级配调整设计的数学模型。根据数学公式,得出3种不同的设计级配。结果表明,粗集料占74%,细集料占15.2%,填料占10.8%;对于掺量为0.2%的聚酯纤维沥青混合料而言,级配1和级配2的体积参数不满足规范要求,级配3的体积参数均满足规范要求,是最优级配组成。
为了研究合理的路基模量快速检测方法,在分析便携式落锤弯沉仪的动力测试原理基础上,确定了PFWD快速检测路基模量的数据分析方法,并根据路基实际工作条件,推荐了PFWD的标准配置及不同填料路基的承载板直径选用建议。提出了PFWD现场快速检测的步骤和注意事项,分析了其测试特点。通过现场路基的大量对比检测,分别建立了PFWD模量与承载板回弹模量、贝克曼梁弯沉及FWD模量之间的相关关系。结果表明,PFWD与其他检测方法具有良好的相关性,所建立的回归公式可供工程应用参考。因此,PFWD可用于快速可靠地检测路基模量,为路面结构设计提供依据和参数,并可进行路基质量快速评价和施工过程质量控制。
考虑了桩、土、土工格栅之间的相互作用及地基土体固结的影响,采用三维有限元方法研究了路堤荷载作用下,打穿软土层和未打穿软土层的固结特性、沉降特性和应力分布特性,并对桩长、桩间距等影响因素进行的分析。研究表明:应使桩长穿透软土可压缩层,以满足控制地基最大沉降量的要求;格栅最大拉应力分布于盖板边缘处,随着地基固结时间的增加,格栅拉应力逐渐增大;随桩间距的增加,复合地基桩端处超静孔压的消散速率变小,桩与桩间土的沉降加大;随着桩长的增加,下卧土层超静孔压消散速率明显加快;临界桩长范围内,桩长对地基沉降起控制作用。
通过路面病害调查、有限元路面结构力学计算,分析了重载作用下,路基刚度对我国目前高速与等级路路面结构应力分布的影响与路基应力作用深度。分析表明,重载交通下的路基过大变形是导致高速公路结构疲劳开裂的重要原因之一。等级路的路基甚至地基过大变形是引发路面早期开裂的关键因素之一。在重载作用下,目前的高速与等级路面结构,仍把0~80 cm作为路基工作区深度是不够的。路基工作区深度,高速公路应为1.5 m,并被现场测试的路基轮载分布深度验证;等级路应为2 m,同时应考虑天然地基的变形问题。路基上部60 cm石灰土处理起到路基与半刚性底基层之间刚性过渡的作用,也是应对重载、确保路基对路面结构支撑稳定性的有效措施。
运用abaqus有限元分析方法,对不同冻土断面类型,不同路堤高度的水泥混凝土路面路基温度场进行了数值模拟,计算结果与观测结果比较后证实有限元模型参数的选取和计算方法是正确可靠的。通过分析可以得出以下结论:在相同冻土断面地区,水泥路面基底融深较沥青路面下基底融深浅,体现了较好的热稳定性;不管何种冻土断面及路面类型,随着所处环境气温的升高,路面基底年最大融深均有所增加,沥青路面基底融深对中低温冻土地区气温升高的响应迅速,水泥路面基底融深对高温冻土地区气温的升高响应迅速;对于中低温多年冻土段水泥路面的大致路堤临界高度为1.2 m,对于高温不稳定多年冻土段,路堤临界高度在1.6 m左右,对于高温极不稳定多年冻土段,路堤临界高度在2.1 m左右。
为了满足公路工程建设的多样性、层次性需求,揭示沙漠地区自然环境要素的时空分布规律及其对公路建设的影响,进行中国公路沙漠自然区划。结合沙漠地区公路建设及区域非地带性分异规律,基于一般区划原则,提出了采用综合性原则和主导因素原则相结合、主导指标和辅助指标相结合的公路沙漠自然区划方法。形成了以沙漠综合状态指数为主要指标;以沙丘高度、风沙强度、植被覆盖和气温年较差等自然环境要素为辅助指标的公路沙漠区划指标体系。制定了中国公路沙漠自然区划的分区方案,并采用地理位置+强度+名称的3段命名方法,将中国公路沙漠区划为3个区:东部弱中强度影响区,中部中强强度影响区,西部中弱强度影响区,进而得出中国公路沙漠自然区划图。
为了验证预应力高强钢丝绳加固新方法(P-SWR技术)加固工艺的可行性及加固效果的有效性,对某一高速公路上已有较严重损伤混凝土板梁进行了加固与系统测试。给出了P-SWR加固桥梁时钢丝绳数量和张拉控制应力确定,钢丝绳和锚具布置等设计方案以及详细的施工工艺。系统测试了P-SWR加固前后桥梁的动静态力学性能,包括:施工过程中钢丝绳应变、钢丝绳张拉后所加固梁的跨中反拱值,加固前后正常通车时随机汽车动态荷载作用下和部分封闭交通时恒定静载作用下梁的跨中挠度、跨中截面处纵筋应变、跨中截面处板底混凝土应变以及钢丝绳的应变增量等。结果表明,P-SWR加固效果明显,加固后桥梁的极限承载力和正常使用承载力达到规范要求,P-SWR加固技术是一种主动高效式的加固方法,与现有其他加固技术相比优势明显,值得在桥梁等结构加固中大力推广。
根据简支体系的受力特点,提出采用刚度折减法快速计算非线性动力分析中二阶效应的方法,通过解析法推导出考虑P-δ效应的Euler-Bernoulli梁刚度修正系数,且给出了Timoshenko梁的P-δ效应刚度修正系数。编制相应计算程序,将所得修正系数引入结构Pushover计算和直接积分的非线性动力时程计算,并将该法应用在实际桥梁抗震计算中。各种计算结果与采用增量迭代法的高精度实体单元结果进行了对比分析,结果表明,采折减刚度系数法能够有效、准确地计算结构动态二阶效应;Timoshenko理论中的二阶效应计算要比Euler-Bernoulli理论的更为准确;在地震作用下梁结构中二阶效应会被放大,必须考虑其对结构的影响。
针对槽型宽翼梁剪滞效应分析已有方法通常忽略横向剪切变形的影响、计算工作量大、不便于工程应用的局限性,提出一种能准确分析变截面槽型宽翼梁剪滞、剪切双重效应的有限段法。基于最小势能原理,建立了槽型宽翼梁考虑剪滞效应和剪切变形双重影响的平衡控制微分方程及自然边界条件。在由方程得出均布荷载作用下的内力和位移初参数解的基础上,导出了槽型宽翼梁的有限段单元刚度矩阵和等效节点荷载列阵。应用有限段法,结合有机玻璃模型梁试验,分析了槽型宽翼梁竖向位移和应力的横向分布规律。数值算例表明,有限段法计算结果与有机玻璃模型试验实测结果以及ANSYS解符合良好;槽型宽翼梁的剪力滞效应明显;在槽型宽翼梁桥的设计与施工控制中,必须充分考虑剪力滞效应和剪切变形对结构应力和位移的影响。
横撑和桥面系作为钢管混凝土拱桥的重要组成部分对结构整体动力响应会产生很大的影响。以茅草街大桥为例,建立了中承式钢管混凝土拱桥不同横撑和桥面系布置形式的有限元模型,采用三向地震波同时输入的形式,得到6种工况在相同地震波作用下的不同动力响应,提取出拱肋的弯矩和位移包络图,并对面内弯矩、面外弯矩、竖向位移、横桥向位移进行了比较和分析。结果表明,桥面系对拱肋的响应影响很大;拱肋与桥面系结合处位移、内力均较大,在设计中应予以关注;在保证横向刚度的前提下,横撑需进行优化布置,以使得拱桥动力响应更加合理安全。
为进一步研究几何非线性、材料非线性及其组合对钢管混凝土拱桥受力特性的影响,以及钢管混凝土拱桥从转体施工到合龙,直至运营阶段的受力特性,使用有限元软件MSC.NASTRAN建立其全桥空间有限元模型,并在建模过程中力求减少假设、逼近真实工程结构状态,对该桥在施工过程及营运阶段的力学行为进行研究。考虑多种荷载组合,与施工过程相对应地分阶段地对结构进行加载,分别考虑线弹性、几何非线性、材料非线性以及双重非线性的影响对模型进行分析计算。对比相同非线性组合状态下不同阶段的受力特性以及相同阶段不同非线性组合的受力特性,得出一些有益结论,包括各阶段结构的受力薄弱位置所在,各阶段各非线性因素的影响的重要性等。
为了研究黄河地区大直径超长桩的承载特性,采用自平衡测试法进行2根试桩静载试验,并采用钢筋计测试元件进行了桩身轴向应力测试。基于实测数据,对桩总承载力、桩侧摩阻力、桩端阻力以及承载性能进行了分析,并将桩端阻力实测值和《公路桥涵地基基础规范》计算值进行了对比。研究表明,SZ9桩桩侧摩阻力地勘报告值基本大于实测值,SZ10桩桩侧摩阻力地勘报告值与实测值基本接近,公路桥涵地基基础规范对砂土类的桩端阻力深度修正系数取值偏大,导致桩端阻力计算值远大于实测值。研究成果对黄河特殊地质条件下超长大吨位桩基础设计具有参考价值。
根据荷载传递法和Mindlin理论,提出了考虑桩加筋影响相互作用系数的简化计算方法,并且通过有限元软件ANSYS对桩的遮帘效应进行了深入分析;在此基础上,通过修正桩-桩之间地基的剪切模量来考虑桩的"遮帘"效应对相互系数的影响;将有限元计算结果和Cooke的现场试验实测结果进行了对比研究。结果表明,简化计算方法可以改善目前弹性理论分析方法中过高估计桩与桩相互作用而导致沉降计算值偏大的缺点。因此,该方法不但可以方便地计算相互作用系数,且计算结果接近实测值。
针对某隧道软弱围岩下穿公路段在原台阶法施工中出现地表下沉、开裂等问题,提出双下侧导坑施工方法,分析其传力机制,并应用MIDAS软件建立仿真模型,进一步研究该工法的施工性态。结果显示:(1)该工法能改善隧道的受力,施工的关键步为环形土的开挖,核心土对隧道受力是有利的;(2)隧道的薄弱位置是侧导坑的坑脚、侧导坑和隧道的搭接地方、隧道的墙角和拱脚位置;(3)在有侧导坑条形基础的条件下,局部加固其下方的地基对改善围岩变形与结构受力的效果不明显。从经济及加固效用的角度考虑,施工时加固重点应在侧导坑的条形基础本身,如基础的厚度、侧坑与隧道的搭接地方、侧坑的拐角等;若围岩不稳定,应保证在有核心土的存在下进行处理。
遵循最大绿波带设计理念,利用干道协调控制中的时距分析图,结合实际算例,对经典数解算法在理想交叉口间距取值范围的确定、通过带宽度的计算、最佳理想交叉口间距的选取、以及各交叉口相位差的设置上存在的问题进行深入剖析,提出了基于公共信号周期允许变化范围的理想交叉口间距取值范围确定法则,给出了一种新的通过带宽度计算方法,建立了一条新的最佳理想交叉口间距选取原则。算例分析表明,改进后的经典干道协调控制信号配时数解算法能确保干道协调控制系统获得尽可能宽的通过带宽度,计算得到的最佳公共信号周期与通过带宽度也更为准确有效。
在分析车辆路径规划问题(VLD)特点的基础上,提出了VLD的数学模型以及适用于求解VLD的蚁群算法。详细分析了蚁群算法的参数对算法收敛速度和计算结果精确度的影响,提出了一种能够提高算法的收敛速度和全局搜索能力的参数自适应调整的策略,并对原有基本蚁群算法进行了改进。随后进行了仿真试验,根据所得仿真结果将改进蚁群算法与基本蚁群算法从全局收敛能力、计算稳定性以及计算速度等方面进行了全面比较,结论表明改进蚁群算法各方面均优于基本蚁群算法,证明了改进算法的可行性及有效性。
为了获得稳定准确的三维信息,在道路交通事故现场摄影测量等应用中,采用固定焦距的普通非量测数码相机,在实验室条件下,采用二维平面标靶对数码相机的内部参数进行高精度预标定,照相机的外部参数利用预制标定点,采用现场在线标定的方法获得。该方法可减少现场在线标定过程中待辨识参数的数量,提高内外参数标定精度,并降低对现场标定点空间分布的要求。试验表明,采用内外参数分步标定技术,在10 m范围内,摄影测量误差小于1%,能够满足道路交通事故现场勘测要求。
在路径识别中设置搜索感兴趣区以提高弯曲道路边界的识别实时性。用抛物线模型拟合弯曲道路边界,根据道路边界位置不会发生突变的特性,在识别出的道路抛物线模型上选取有代表性的3个点,针对每个点建立预测模型,应用Kalman滤波理论准确预测道路边界的位置,并据此设置搜索感兴趣区。依照合理的目标函数,在感兴趣区范围内搜索并确定抛物线参数,从而将搜索范围较为准确地限定在较小区域,能够有效提高识别的实时性。试验验证该方法在大大提高识别实时性的同时,增强了识别的精确性和鲁棒性。
基于元胞传输模型描述快速路出口和辅路的交通流运行,建立了包括交通流模拟模块、虚拟信号机模块和数据交换中心模块等在内的快速路出口辅路信号控制仿真系统。以北京市三环快速路蓟门桥东出口辅路信号控制系统为背景,在出口段存在通行能力瓶颈和不存在通行能力瓶颈两种实验条件下,分析了有无辅路信号控制和不同周期控制策略对系统延误和快速路出口延误的影响。得出辅路信号控制周期存在临界周期;辅路调节率控制相对基于周期的控制方式将产生更小的延误;在辅路出口不存在设计瓶颈时设置辅路信号控制的有效性大大降低等结论。
结合近年来积累的交通事故调研经验,通过建立轮胎侧偏特性模型、四车轮车辆运动仿真分析模型,解决车辆轮胎印迹内的垂直载荷分布不同的问题,以及由地面多种因素对车辆运动产生不同影响的问题和车辆本身复杂的受力问题,达到事故再现的目的。通过反推计算车辆在碰撞事故发生时的运动状态,可以科学的再现车辆斜碰撞事故发生的过程,明确当事人的事故责任,提供了重要的参考。最后通过运用车辆碰撞分析软件PC-crash,结合具体的交通事故实例,验证了关于汽车斜碰撞反推计算理论的研究结果在实际的交通事故处理中具有较高的实用性与可靠性。
利用车载全球定位系统(Global Position System,GPS)和地理信息系统(Geographic Information System,GIS)所提供的混合动力汽车未来一段预测路线上的道路交通信息、以及汽车当前运行状态模型,建立混合动力汽车在未来一段预测路线上的运行状态模型;以蓄电池荷电状态为系统状态变量,电动机/发电机转矩为决策变量,混合动力汽车等效燃油消耗量最低为优化控制目标函数,运用动态规划逆序算法,建立了中度混合动力汽车预测控制数学模型;研究了混合动力汽车转矩分配的最优控制方法,并就如何减少动态规划法的计算量进行了研究。文中给出了某混合动力汽车的最优控制计算实例结果。
