强胀缩性是膨胀性岩土的本质特性之一,开展膨胀土三向胀缩试验研究对于全面描述膨胀土湿胀干缩变形规律,合理分析边坡滑坍机理十分重要。利用自主研制的膨胀土三向胀缩测试仪,以宁明灰白色击实膨胀土为研究对象,通过开展三向胀缩系列试验,获得了膨胀土三向胀缩的基本规律。试验表明:干密度和三向应力状态是影响三向膨胀性的重要因素。随干密度的增大,膨胀土三向膨胀的差异性减小,膨胀势增大;应力越大,该方向的膨胀性越小,同时,一个方向应力的增减还将影响到其他方向,而宁明膨胀土三向收缩性差异不大,且与三向应力状态无关。
采用光纤式结冰传感器,利用凝冰实验室和高低温试验箱模拟路面结冰环境,测得了不同降水温度和路面温度条件下的路面结冰厚度和结冰完成时间以探测沥青路面的结冰过程。试验研究表明:采用光纤式结冰传感器测得电压-时间曲线主要分为2种类型,与结冰的厚度有关;路面结冰完成时间整体上随着路面温度的降低而减少,2℃以下的雨水温度在约-2℃的路面温度情况下,形成1 mm冰所需要的时间基本不超过10 min,能覆盖沥青路面的构造深度;结冰完成时间整体上随雨水温度增大而上升,4℃雨水在路面温度处于-1～-3℃条件下,形成6 mm以下冰的时间不会超过30 min。
为了分析沥青混凝土路面Top-Down开裂机理,基于ABAQUS有限元分析方法,综合考虑老化和温度梯度造成的沥青路面内部模量梯度、突然降温、轮胎边缘的应力集中等因素,选取春季、夏季和冬季3个季节,及未老化缓慢降温、老化后忽然降温和老化后缓慢降温3种情况,建立了9个沥青混凝土路面结构有限元模型。对不同工况下沥青混凝土路面最大拉应力和剪应力的大小及位置进行了分析。结果表明:对于未老化缓慢降温和老化后缓慢降温的沥青混凝土路面,剪应力过大是沥青混凝土路面开裂的主要原因;对于老化后忽然降温的沥青混凝土路面,由于剪应力无明显变化,拉应力增加较多,拉应力过大是沥青混凝土路面开裂的主要原因。
利用三维有限元计算工具,考虑沥青路面结构层不同的模量和厚度组合,结合实测的竖向轮胎-路面接地压力并考虑水平作用力,分析沥青路面结构层不同深度处的竖向应力脉冲波形。分析结果表明:同一沥青路面结构层不同深度处,不仅其竖向应力脉冲波形不相同,波长也不一样;也就是说,对同一路面结构不同深度处动态模量的确定,除了需要考虑不同的实验室加载波形和加载频率以外,还需要对荷载作用时间的取值做出修正。
通过室内试验以及现场测试,结合SEM、XRD、XRF微观分析,研究了石棉尾矿作为高速公路(底)基层材料的路用特性。结果表明,水泥稳定石棉尾矿碎石混合料强度满足规范要求,用于高速公路(底)基层是可行的。由于石棉尾矿含有少量碎石棉纤维,吸水率与一般的碎石相比偏高,工程施工过程中应严格控制含水量,并注意施工防护和环境保护。在缺乏筑路材料的山区,合理利用当地的废矿料,能够取得良好的经济效益、社会效益以及环境效益。
基于原位观测试验与理论研究,对高填方段波纹管涵的涵顶垂直土压力的分布特征与变化规律进行了探讨。首先,开展了高填方段波纹管涵垂直土压力现场观测试验。试验结果表明,高填方段管涵顶部存在土拱效应,规范的土柱法计算土压力值误差较大,偏于保守,而管涵顶部平面的土压力值并非均匀分布,存在明显的应力集中区域。在此基础上,结合试验规律及马斯顿理论,考虑由于土拱效应造成的应力集中现象,建立了高填方段波纹管涵垂直土压力计算模型,并进行了理论求解,从而提出了高填方段波纹管涵垂直土压力计算方法。最后,依据此模型对涵顶填土重度、土体内摩擦角、黏聚力、管径大小等主要影响因素进行了参数分析。结果表明,土体重度对管涵垂直土压力数值影响较大,而内摩擦角及黏聚力的影响较小。
为了解决城市道路路堑开挖影响临近建筑物安全问题,介绍英国道路嵌入式挡土墙施工技术。根据围岩性质和裂隙特点,确定挡土墙工程数值分析方法。采用位移反演方法计算了围岩力学参数,应用FLAC3D软件对工程进行了数值模拟。初步探讨了嵌入式挡土墙设计要点。研究表明,由于挡土墙在施作过程中增加了水平荷载和稳定基础,改变了挡土墙受力状态,减小了对周边建筑物的影响。对城市内影响临近结构物的路堑开挖施工,该挡土墙施工技术提供了一种很好的解决方案和施工方法,对深基坑开挖支护也有很好的借鉴意义。
针对道路工程中广泛应用的粗集料洛杉矶磨耗试验,采用离散单元法对影响磨耗损失的重要因素进行了分析。依据能量跟踪的方法,以三维颗粒流程序PFC3D为平台,二次开发了离散球体运动分析程序,就试验条件和集料微观属性进行了讨论。研究结果表明:钢球对集料磨耗起到至关重要的作用;集料的磨耗程度与集料的属性、颗粒的碰撞能量及有效碰撞频率密切相关,颗粒主要是在钢球和集料的冲击作用下发生磨耗损失;磨耗损失程度随着颗粒接触刚度的提高而减小。
对我国常用沥青混合料进行对比,发现在压实后其空隙率远高于设计值,使刚建成的沥青路面存在透水的风险,从而引起路面水损坏的发生。提出了沥青混合料空隙层次模型,并通过不同空气压力下沥青混合料的透水性能试验进行验证,结果表明:上述模型是合理的,常压下沥青混凝土的吸水率要小于其空隙率,而正压下的吸水率与常压吸水率基本相同;交替压力下的吸水率与真空吸水率相似,均高于常压吸水率,说明真空压力是促使沥青混凝土吸水的主要原因。
针对大型复杂桥梁,运用可靠度理论对船撞桥梁倒塌概率进行计算是船撞评估方法发展的必然趋势。基于可靠度理论,将VC++与通用有限元软件ANSYS结合,编制了ANSYS-响应面法船撞桥梁可靠度计算程序。并采用该方法对嘉陵江黄花园大桥的船撞桥梁倒塌概率及可靠度灵敏度指标进行了计算。结果表明:当桥区水位处于174 m常水位时,船撞桥墩的倒塌概率较大;影响桥梁在船撞作用下倒塌概率的主要因素是容重、船舶撞击速度、船舶撞击角度、混凝土抗压强度。
借助传统应变片和891拾振器的疲劳试验实时测试系统,通过9片1/6缩尺模型梁疲劳试验,研究了普通钢筋锈蚀后预应力混凝土桥梁疲劳破坏形态以及振幅、刚度、非预应力筋和预应力筋应变、混凝土应变随重复荷载次数的变化规律。研究表明:梁底普通钢筋锈蚀后(预应力筋不锈蚀),只要钢筋没有发生锈蚀断裂破坏,混合配筋合适的预应力混凝土梁的静载承载力与普通没有锈蚀梁的承载力相差不大。锈蚀率超过一定界限后(20%),钢筋在坑蚀处断裂,梁的静载承载力会急剧降低,表现为少筋梁的脆性破坏特征。疲劳反复荷载作用下构件的中性轴位置基本保持不变,不像非锈蚀试件那样呈现出明显的3阶段变化过程;锈蚀率超过7%以后,容许疲劳疲劳寿命会急剧减少,达40%左右。
运用ANSYS中的概率设计模块(PDS)技术,将蒙特卡罗法(MC)和响应面法(RSM)结合起来,针对无法列出极限状态方程的在役钢筋混凝土拱桥建立了有限元模型,并进行了可靠度分析。根据钢筋混凝土拱桥的实测资料,选取对结构可靠度影响大的随机变量作为输入参数,将拱桥的结构响应编写为ANSYS的APDL语言,建立可靠度计算的参数化模型。利用ANSYS中的PDS模块技术拟合结构的响应面方程,对拟合的响应面函数进行2 000次抽样,得到函数的统计参数。然后根据JC法的计算原理,用Matlab编程计算出拱桥上部结构的可靠指标。并根据钢筋混凝土拱桥的结构特点,将主拱圈、拱上立柱和桥面板作为串联体系进行系统可靠性分析,选取构件的最低可靠指标作为整个体系的可靠指标。最后探讨了随机变量对拱桥可靠度的灵敏度影响程度,得到拱圈、拱上立柱和桥面板3个构件中随机变量对功能函数的影响大小。
通过对素混凝土柱和钢筋混凝土柱进行800 d的收缩对比试验,研究钢筋混凝土柱收缩特性,探讨了钢筋对混凝土收缩应变影响系数,并在考虑配筋的情况下对CEB-FIP模型和中国建科院模型进行了修正。通过国内外收缩应变预测模型对比得出,GZ(1993)模型整体预测效果较好,ACI-209模型预测效果最差。结合CEB-FIP模型和中国建科院模型对实测数据进行拟合回归分析,计算出钢筋对混凝土收缩应变的影响系数,与时变函数采用CEB-FIP模型和中国建科院模型的Trost方法进行对比,发现Trost方法中钢筋对混凝土收缩应变影响系数考虑偏低,因此在计算钢筋对收缩应变影响系数公式时仅考虑配筋率是不够的。
结合海南洋浦大桥某主墩承台大体积混凝土温控项目,利用通用有限元软件ANSYS建立了桥梁承台大体积混凝土温度场分析模型,并对承台混凝土进行了实际的温度监测。通过对有限元计算结果和实际监测结果的分析,可知二者较为吻合,2个监测断面的温度-时间曲线规律一致,在混凝土浇注60~70 h左右温度达到峰值,15 d后趋于常温;2个监测断面温度场的分布规律一致,在承台边缘2 m范围内温度梯度较大,其他内部区域温度分布比较均匀。因此,在以后的工程中,可以利用ANSYS有限元分析软件,对施工期的温度场进行理论分析。
嘉绍大桥主航道桥是世界上首座六塔、双幅、空间四索面斜拉桥,全桥共有7个合龙口,合龙方案复杂。针对传统温度合龙工艺所存在的问题,基于几何控制法理论,首先给出了一种新的合龙工艺———几何合龙;其次介绍了合龙口姿态调整的计算方法及主航道桥选择几何合龙的原因;最后介绍了几何合龙工艺在嘉绍大桥实施时的操作要点。几何合龙技术可消除合龙时的温度附加效应,保证既定的合龙时间。实测数据表明采用几何合龙方式的嘉绍大桥主航道桥合龙后主梁线形平顺,误差较小,施工控制工作取得了较好的成果。
混合梁结构多用于斜拉桥,在大跨径连续刚构桥上应用较少,且混合梁连续刚构桥研究不够深入。瓯江特大桥主桥采用大跨径混合梁连续刚构桥,由于主跨跨中存在一个大节段钢箱梁段,故在设计、施工方面与常规混凝土连续刚构桥有较大不同,同时在施工控制过程中也出现了很多新问题。在常规混凝土连续刚构桥控制方法的基础上,对钢混结合段累计位移的突变问题进行分析,得到准确预测钢混结合段安装标高的方法。对钢箱梁吊装状态进行分析,得到准确的钢箱梁加工线形。对合龙时的温度效应进行分析,把握了温度影响规律,为钢箱梁的精确合龙提供依据。
以某PC斜拉桥维修工程为背景,用GQJS软件研究对斜拉桥施工维修加固全过程模拟计算分析问题。根据全桥拉索索力、桥面线形、塔位、主梁混凝土应力和支座脱空等结构参数模拟维修前结构的实际状态,根据桥梁结构的病害状况对结构参数进行修正,模拟分析维修加固过程截面削弱和恢复、黏贴钢板、张拉体外预应力补强钢筋以及索力调整等施工工况。给出了维修后的结构在运营阶段中的计算分析结果。监测结果表明,维修加固后,主梁线形调整最终达到了预期目标,拉索索力更趋于均匀,维修过程中主梁混凝土应力、塔位以及摆索拉力的变化均在控制范围内,这说明了维修加固的施工控制达到了预期目标,同时保证了结构的安全。
为了解决目前对行程时间可靠度的研究几乎都是从道路管理者角度出发的问题,考虑路网随机变化对道路使用者的影响,首先从道路使用者的角度以及行程时间分布的2个维度提出了动态行程时间可靠度的概念,进而分析了其时空变化特性。其次基于日变可靠度并假设行程时间及其规定阈值服从正态分布,根据其概率密度分布函数分析了可靠度影响因素,并提出了行程时间可靠度指标。然后运用该指标推算出了路段和路径行程时间可靠度,计算并分析了路网动态行程时间可靠度。最后在一个测试路网上采用3种方法分别计算了路径行程时间可靠度。结果表明,传统计算方法存在缺陷,而提出的可靠度指标法与Monte Carlo法的结果基本相同,也因此验证了该方法的正确性。
为科学合理地规划区域交通路网和优化其运输结构,利用分形理论中的分形维数,对区域交通路网覆盖形态结构特性进行了分析研究和评价,提出了区域路网覆盖形态结构特性的测度模型和算法,并进行了案例分析研究,以期为区域交通路网规划及其运输结构优化提供新的思路和方法。研究结果表明:用路网覆盖度和覆盖深度来测度区域交通路网覆盖形态结构特性,比通常所用的交通路网密度等指数更科学合理;覆盖度D(r)(即分形维数)1.661及其覆盖深度r可作为评判区域路网形态结构是否合理和功能是否完善的基本标准。
针对交通规划软件常用的BPR公交流量延误函数在饱和度接近或大于1时,计算值与实际值相差急剧增大的不足,提出一种锥形流量延误函数,并分析了其对公交行程时间的影响,进而通过等式关系实现模型在交通仿真软件EMME/3中的实用化。相关的案例分析显示,在公交行程时间拟合方面,锥形流量延误模型较传统的BPR曲线模型误差均值降低5.57%,误差的波动降低50.60%,效果显著。
为掌握车道限制策略的实施效果,应用某八车道高速公路非高峰期和高峰期的实测数据,对交通量、速度和车头时距等3项交通流参数的特征进行分析,并得出结论。限制货车通行的车道1、2比不限货车的车道3、4交通量大且速度高,说明限制货车对于提高车道的服务水平有明显效果。车道1、2的车头时距用M3分布拟合效果较好,车道3、4用2阶爱尔朗分布或移位负指数分布拟合效果较好,说明前者易结成车队,而后者的行驶自由度相对较大,交通量仍有提升空间。综上所述,车道限制策略实质上是对车道进行差异化管理,限制货车和不限货车的车道分别以提高服务水平和通行能力作为首要目标,以期获得整体运行质量的优化,但实施条件和保障机制仍有待探索。
交通流监测存在普遍的稀疏性,理想的交通流预测模型应该能够充分利用交通流数据的特征,克服稀疏性问题。通过大量的数据分析,城市道路交通流被证实存在时序上的周期性特征。同时,数据分析结果也表明了交通观测数据稀疏性的普遍存在,而且稀疏的分布不均匀,有些极端稀疏道路甚至出现数天的观测缺失。因此,交通流预测模型应该有对稀疏的适应性,而季节性ARiMA交通流预测模型的引入能够很好地利用时序周期特征计算交通观测值的缺失。这种模型的优势在于融合了邻近的交通流观察值和交通流数据的周期性,消除了道路稀疏性导致观测值缺失带来的预测障碍。对比试验的展示表明了这种模型对交通流数据周期性特征的利用和对稀疏性的适应。
为城际轨道网布局的适应性提供适用的决策方法,在分析城际轨道交通网络与区域空间结构适应性内涵的基础上,建立了既能反映区域城际轨道交通网络和区域空间结构主要特征,又能反映二者相关联的适应性评价指标体系。提出城市群城际轨道网布局的适应性评价模型——基于灰色关联熵的加权灰色关联度评价模型。该模型以加权灰色关联评价模型作为研究框架,对平均灰色关联度模型进行改进,应用灰熵分析方法确定关联系数的权重,更真实全面地反映了城际轨道网布局与区域空间结构的适应性情况。以武汉都市圈城际轨道交通线网规划为例,验证该方法的合理性和有效可行性。
为改善城市中心区的交通拥堵,以国内城市中心区区域路网为研究对象,以路网车辆整体延误时间最短为优化目标,拥堵收费价格为决策变量,路网饱和度和信号配时为约束条件,建立了拥堵定价优化模型,并给出了基于VISSIM软件的仿真求解方法和步骤。实例仿真结果表明:在城市中心区区域路网采用该定价模型可以找到最优定价及合理的信号配时方案;计算机仿真方法可大幅度降低模型求解难度,并可直观地为交通管理部门制订拥堵定价方案提供理论依据。
针对某款轿车车身低阶弹性固有频率与原型车目标值存在偏差的实际问题,采用结构性能灵敏度分析方法和以往工作经验,筛选确定对车身扭转刚度、1阶扭转频率和1阶弯曲频率影响较大的部位。在此基础上,采用延长搭接边、增加板厚度、增加加强筋、翻边等处理方式,改进部件及其相关部件的结构,修正模型结合面特性参数。研究结果表明:改进后车身质量增加了7.6%,结构低阶固有频率得到明显地提高,1阶扭转频率增加了10%,1阶弯曲频率增加了2%。车身整体结构的刚度得到加强,弯曲刚度增加了1.5%,扭转刚度增加了8.6%,有效地改善了其综合力学性能,达到了原型车相关技术目标值的要求,为轿车车身的CAE分析和结构设计提供了可靠依据。
为降低汽车尾气所带来的危害,提升空气质量,研制了一种尾气降解纳米复合涂层材料,通过气体反应室内的尾气降解试验分析了该材料对汽车尾气的降解效果,提出采用累计降解百分率、最大降解反应时间、平均降解速率3项指标评价光催化降解尾气效率的方法,并以此确定了光催化材料的最佳掺量。试验结果表明:所制备的复合涂层材料能高效催化降解汽车尾气中的NOx、HC等有害气体,其最大降解百分率可分别达到94%和12%,但该涂层材料对CO、CO2降解效果不明显;综合降解效能和经济成本等多方面因素,涂层材料中光催化剂纳米二氧化铈和二氧化钛的推荐掺量分别为10%和5%。
