公路交通科技

2023年, 第40卷, 第11期　刊出日期：2023-11-05
  

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    道路工程
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    岩质滑坡模型相似材料试验研究
    许超, 薛雷, 崔远, 姜彤, 董金玉
    2023, 40(11): 1-9,26. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.001
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏
    为研制可促进水致强度劣化的岩质滑坡模型相似材料,在水泥石膏胶结材料基础上加入膨润土作为水敏性调节剂,采用单因素控制法,以相同骨胶比变化为设计原则,测试并初步分析了石英砂、重晶石粉、膨润土、水泥和石膏用量对相似材料密度、抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角参数指标的影响规律。在此基础上提出了贡献率指标以量化表征上述不同材料成分对相似材料物理力学性质的影响程度。结果表明:该新型相似材料的最佳养护条件为常温、干燥条件下养护10 d,最佳掺水量为11%;不同配比方案下的新型相似材料物理力学参数分布范围广,其密度分布在1.95~2.13 g/cm3,单轴抗压强度分布在7.68~13.59 MPa,弹性模量分布在594~1 789 MPa,黏聚力分布在1.84~4.27 MPa,内摩擦角分布在35.6~44.7°,其破坏特征与天然岩石相似,可满足不同岩质滑坡模型试验的需求;相似材料不同成分用量变化对相似材料物理力学性质的影响存在显著差异,其中重晶石粉对密度和黏聚力影响最为显著,水泥和膨润土均对抗压强度和弹性模量有显著影响,石英砂对内摩擦角影响最为显著。基于提出的材料成分贡献率指标可快速实现对相似材料目标配比的调整,提高试验效率。此外,研究结果可为其他地质力学模型试验相似材料骨胶比优化设计提供参考。
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    矿渣基胶凝材料稳定碎石路用性能研究
    马亚, 李传海, 吴传山, 吴思, 张荣华
    2023, 40(11): 10-17. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.002
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏
    为探索矿渣基胶凝(SBC)材料应用于高等级公路基层工程建设的可行性,开展了击实试验、无侧限抗压强度试验、间接抗拉强度试验、弯拉强度试验和干缩、温缩试验。研究了SBC稳定碎石材料的力学性能和体积稳定性,并与PO42.5硅酸盐水泥(OPC)稳定碎石进行了对比。结果表明:随着胶凝材料掺量的增加,稳定碎石材料的无侧限抗压强度均出现不同程度的增长,在相同胶凝材料掺量下,SBC稳定碎石材料的7 d无侧限抗压强度与OPC稳定碎石材料相当,4%掺量的SBC稳定碎石材料的7 d无侧限抗压强度满足行业规范中基层强度要求;延迟时间试验结果显示SBC稳定碎石材料的最大延迟时间超过15 h,应用在半刚性基层可实现3层连铺工艺,提高施工效率;SBC稳定碎石材料的间接抗拉强度和弯拉强度均优于OPC稳定碎石材料,较OPC稳定碎石材料间接抗拉强度提高8%~12%,抗弯拉强度提高4%~7%;SBC稳定碎石材料的干缩性能优于OPC稳定碎石材料,30 d的干缩应变值比OPC稳定碎石材料降低了16%,温缩试验结果显示SBC稳定碎石与OPC稳定碎石的温缩性能相差较小;基于X射线衍射分析和二次电子成像技术,SBC的水化产物主要为针棒状的钙矾石晶体和C-S-H凝胶,钙矾石晶体对改善水稳碎石的间接抗拉强度、抗弯拉性能和抵抗开裂变形能力提高作用显著。
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    基于Bayesian-LightGBM模型的国省道路面性能预测
    裴莉莉, 余婷, 张艳红, 周晶, 李伟
    2023, 40(11): 18-26. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.003
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    路面损坏状况指数(PCI)是评价路面质量的重要指标,可以综合地量化公路路面状况的优劣。针对由于日常养护干预造成的国省干线公路PCI预测不准的问题,通过研究西南某省全省普通国省干线公路的路面检测等相关数据,构建了基于贝叶斯优化的LightGBM预测模型。深入挖掘日常养护干预模式下的PCI指标历年变化规律,实现对普通国省干线公路PCI的预测。首先,对原始路面检测数据、交通量数据以及养护历史数据等多源数据进行融合,并从中抽取有效信息进行新特征构建。其次,基于多表间时空信息关联进行异常值辨识与修复等多源异构数据处理工作。然后,建立了LightGBM预测模型与采用贝叶斯优化算法对该模型的重要超参数进行了优化。结果表明:贝叶斯优化后的LightGBM模型与优化前相比,PCI的预测精度提高4.6%,平均绝对误差降低15.1%,仅为1.902;与支持向量机、随机森林等机器学习模型相比,预测精度最高达到0.945,平均绝对误差和均方根误差均最低,分别为1.902和2.486。提出的Bayesian-LightGBM模型路面破损状况指数预测方法效果最优,可以基于多源历史数据实现对特定路段未来PCI指数的精确预测,为公路养护管理部门制订合理的养护方案,为降低道路养护成本提供一定的数据依据。
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    基于PS-InSAR技术的黄土高边坡形变监测
    王君鹭, 富志鹏
    2023, 40(11): 27-33,60. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.004
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    为解决高边坡安全稳定监测难度大的问题,提出利用PS-InSAR技术对高边坡进行形变监测分析。在黄延高速公路富县西黄土高边坡地表形变监测中,采用永久散射体差分干涉测量技术获取了高边坡2017年3月12日至2018年3月19日的29景Sentinel-1数据。通过对PS点进行相位建模和形变解算,反演得到高边坡地表形变参数,在此基础上分析了高边坡形变速率的分布情况,基于平均形变速率结果分析了高边坡的稳定性。监测结果显示92.46%的PS点形变速率为-10~10 mm/a,最大形变速率区域主要集中在高边坡的下部,形变分析结果表明该边坡整体较为稳定。进一步选取了与高边坡水准测量监测时间最为接近的PS点的雷达视线向监测结果,将2种方法的监测结果进行了对比分析。结果表明:两种形变监测方法的监测结果都显示出监测点累计形变量不断增加的特征,对比效果较好;验证了PS-InSAR技术在高边坡形变监测中的可靠性,以及PS-InSAR技术在高精度提取地表形变信息方面的优势;通过PS-InSAR技术进行高边坡形变的持续监测,能够对其安全稳定状态进行准确评价,并进行预警预报;同时为高边坡形变监测提供了新的方法与借鉴,采用PS-InSAR对边坡变形进行监测时,可利用其与边坡实时监测系统相结合来实现大尺度的区域普查与重点区域的实时监测,确保公路高边坡的安全稳定。
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    基于无人机倾斜摄影技术的黄土公路边坡数值模型构建
    刘宽富, 苟朝勇, 杜源, 马逸非, 李国虎
    2023, 40(11): 34-40. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.005
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    以甘肃省环县披覆型黄土高边坡为研究对象,首先,通过航线设计、地面控制点布设、航测作业、空三解算等步骤,分别依次构建白膜模型、三角网模型以及三维点云模型,得到基于无人机倾斜摄影技术构建研究边坡的三维实景模型。然后,在三维实景模型中提取等高线和坡体结构的空间信息,再将其导入犀牛软件中进行划分网格,生成有限元网格模型,最终导出FLAC数值计算模型。结果表明:利用无人机倾斜摄影技术可以快速构建黄土公路高边坡的高精度三维数值模型;利用边坡监测系统中的全球导航卫星系统(GNSS)坐标数据开展了模型精度验证,所构建的三维数值模型精度能够达到厘米级,相比之下,平面误差要小于高程误差;通过现场调查和与岩土勘察数据比对,基于无人机倾斜摄影技术所获得的数值模型能够真实客观反映黄土公路高边坡坡体形态和复杂的地形地貌特征;在基于三维实景模型得到的数字高程模型融合利用CAD软件单独构建的黄土披覆构造结构面所得到的坡体结构能够更加真实地反映地质体结构特征,从而获得更加准确的计算结果。所提出的方法具有速度快、精度高、成本低的特点,研究结果可为黄土高原地区公路边坡稳定性分析与评价、黄土地区高速公路边坡健康安全运营,提供一定的技术支撑。
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    桩承式加筋路堤的混合试验模拟方法研究
    芮瑞, 裴宇豪, 刘浩, 贺世开, 陈成
    2023, 40(11): 41-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.006
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    桩承式加筋路堤的路堤土拱效应、加筋体张拉膜效应与桩土地基承载之间存在耦合作用,模型试验往往将桩土地基简单地采用桩土差异沉降代替,难以评价运营期长期性能的动态演化。为实现对桩承式加筋路堤体系各组件共同工作长期效应的模拟,开发了一套包含物理-数值数据交互系统的阵列式多活动门装置以及一种岩土工程地基混合试验方法。该方法将路堤与加筋垫层采用物理模型进行模拟,将桩土地基采用数值模型替代,以阵列式多活动门装置为硬件平台进行物理模型底面与数值模型顶面的位移与荷载适时交互,从而实现了桩承式加筋路堤体系全组件参与的试验模拟。以某现场试验为案例,开展了桩承式加筋路堤施工期全过程的混合试验模拟,将试验得到的桩土荷载分担、超孔隙水压力、路堤变形与原型实测结果进行了对比。结果表明:混合试验得到的结果与现场试验变化趋势相同,数值较为接近,说明混合试验可以较好地模拟路堤—加筋垫层—桩土地基体系的复杂作用,可以用于桩承式加筋路堤长期工作性能的预测;由于耗时较长的地基土固结过程通过数值模拟计算,实时得到路堤底面的非均匀下沉曲面,相较于现场试验大大缩短了模拟时间,为相关岩土工程问题研究提供了一种全组件、全效应耦合的大比尺试验方法。
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    基于贝叶斯优化的XGBoost模型预测路基回弹模量
    徐明, 康雅晶, 马斯斯, 张鹤
    2023, 40(11): 51-60. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.007
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    为了确保路基系统的安全性并获得可靠的结构响应设计,准确且高效地估算路基回弹模量至关重要。以路基回弹模量为研究目标,利用包含12种不同路基的样本数据,共计2 813组实际回弹模量数据,运用机器学习算法进行了预测。首先,综合考虑了力学、土性、环境等多个参数,选取了加权塑性指数、干密度、剪应力、偏应力、含水量和冻融循环次数6个影响因素作为输入参数。随后,采用熵权法和数据归一化技术对数据集进行了预处理,以获取各个影响因素的权重系数,更准确地反映了对回弹模量的影响。在此基础上,采用了XGBoost算法对路基回弹模量进行预测,同时考虑到XGBoost算法超参数较多,选取较为困难,结合了贝叶斯优化(BO)算法对超参数进行调整。最后,进行了敏感性分析,调查了每个输入变量的相对重要性。结果表明:相比基于网格搜索的XGBoost,BO-XGBoost模型能够以较短的耗时准确预测路基回弹模量,其测试集的相关系数R2为0.996 6,RMSE为1.53;相比基于遗传算法优化的人工神经网络模型、支持向量机模型及传统的LGP和Kim经验模型,BO-XGBoost模型均展现出了更优越的性能;输入参数敏感性分析结果表明,不同的输入参数对路基回弹模量的影响程度不同,其中干密度是影响XGBoost算法预测性能最显著的因素。
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    降雨入渗对土工格室加筋路基动力响应的影响研究
    黄玉纯
    2023, 40(11): 61-71. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.008
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    为评价土工格室加筋对降低复杂因素下路基的病害问题,基于相似理论开展了土工格室加筋路基的缩尺模型试验,分析了交通荷载和降雨入渗共同作用下的路基响应问题。设置了无加筋路基和土工格室加筋路基2种缩尺寸模型,通过施加半正弦荷载模拟交通荷载、自制降雨系统模拟降雨条件,研究了加筋与非加筋两种路基的动力响应差异,分析了降雨因素对加筋与非加筋路基动力响应的影响,并讨论了各因素的影响程度。在此基础上建立全尺寸道路结构数值模型,研究了加筋层数对路基承载特性的影响。试验结果显示土工格室加筋可明显提高路基在交通荷载及降雨入渗共同作用下的强度和稳定性,可降低路基动应力的峰值并缩减了路基工作区深度。路基工作区与加筋层数负相关,与加筋层数间存在渐近现象。结果表明:土工格室可在路基中发挥其抗拉强度的优势,在平面范围内形成网兜响应区域,减小路基的沉降量;路基动应力的峰值降低和路基工作区深度变浅说明浅层的土工格室层拉应力较大,加筋效果较好,限制土体的作用较为突出;埋置较深的土工格室不能充分发挥材料性能,可作为提高路基稳定性的手段。
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    基于知识图谱的三维设计成果自动合规性检查方法
    唐翔, 谢永淑, 张驰, 王博, 张宏
    2023, 40(11): 72-84. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.009
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    为保证公路工程建筑信息模型(BIM)符合设计规范要求,提高公路设计成果合规性检查的自动化水平,依靠合规性检查在工程领域中的应用情况,结合知识图谱技术,提出了以公路工程BIM为检查对象的公路三维设计成果自动合规性检查系统框架。首先,以公路设计规范为基础,通过规范数据预处理、信息抽取及图谱生成构建等工作,采用七步法探索了公路设计知识图谱构建的方法。随后,基于BIM技术标准规定的IFC数据存储标准,研究了公路设计知识图谱网络的BIM数据分类针对性提取方法,为合规性检查提供数据基础。最后,通过对公路设计知识图谱的知识架构和BIM数据的结构研究,建立了合规性检查规则和模型数据的映射关系,提出了针对公路工程BIM与合规性检查规则的匹配算法。同时通过自然语言处理(NLP)技术和语义匹配相结合的方法,在公路设计知识图谱的基础上进一步探索了公路设计自动问答的实践方法。基于上述理论框架的研究,设计开发了公路三维设计成果自动合规性检查系统,通过实际案例对系统的可行性与准确性进行了验证。结果表明:公路三维设计成果自动合规性检查系统能为公路三维设计成果的合规性检查提供方法参考,对提升公路设计成果合规性检查的质量、效率与准确性具有重要意义,同时对该系统在国内的后续应用挑战以及更新与维护提出了相应思考。
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    融雪剂融冰能力评价方法研究
    李平, 王梓晗, 张洪刚, 韦万峰, 肖璇
    2023, 40(11): 85-95. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.010
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    为准确测试和区分不同融雪剂的除雪融冰性能,参考相关标准,通过分析国内外融雪剂融雪除冰试验条件及现存问题,确定了融冰试验、渗透试验、下切试验和振动融冰试验4种试验方法。将试验条件作为试验变量,根据测试结果显著性、数据重复性、融雪剂区分性3方面因素,确定了融冰能力、渗透能力、下切能力的试验方法、试验指标及最佳试验条件。结果表明:融冰能力测试结果随培养皿直径增加呈先增加后降低趋势,随冰样厚度和测试时间呈增加趋势;渗透深度测试结果随钻孔直径增大而降低,随测试时间增加逐渐增加,染色剂中荧光素钠盐染色效果较优;下切面积测试结果随加热棒直径和测试时间增加逐渐增大;3种融雪剂中氯化钙综合除雪融冰性能较强,同时改进的试验方法与SHRP试验方法对比,其融冰能力、渗透能力和下切能力试验标准差降低39%~94%,测试结果较为准确、可重复性较高、对融雪剂的区分性更强。这说明改进的试验方法不仅可以综合反映融雪剂融雪除冰过程,还能准确测定和区分融雪剂不同性能,对我国标准评价方法单一、与实际适用条件不符以及SHRP试验方法重复性较低的情况进行了补充与改善。
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    配置PBL剪力键钢-UHPC组合桥面板的纵桥向受拉性能
    方志, 彭忠礼, 谭星宇, 廖原, 唐守峰
    2023, 40(11): 96-106. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.011
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    为明确剪力键和湿接缝类型对配置PBL剪力键钢-UHPC组合桥面板纵桥向受力性能的影响,设计制作了5个钢-UHPC组合桥面板纵桥向局部足尺模型试件,并进行了受拉静载试验,得到了名义拉应力-平均应变曲线、名义拉应力-最大裂缝宽度曲线。研究了组合板试件的裂缝发展过程、裂缝分布特征及裂缝宽度等试验现象,分析了试件的初裂强度、名义抗拉强度、开裂后刚度等静力性能指标。结果表明:相比配置栓钉的无缝和平缝钢-UHPC组合板试件,配置PBL剪力键的无缝和平缝组合板试件的裂缝宽度为0.05 mm时的名义抗拉强度略有提高,但配置PBL剪力键的试件开裂后刚度明显改善,其初裂强度仅分别比栓钉试件提高了3.6%和5.1%,名义抗拉强度仅分别提高了3.3%和10.0%,但开裂后的刚度分别提高了52.7%和63.2%;PBL矩形齿缝试件较平缝试具有更好的抗裂性能,其初裂强度、名义抗拉强度和开裂后刚度比平缝试件分别提高了55.3%,66.2%和53.3%;湿接缝类型采用矩形齿缝和增加接缝界面的配筋率可以明显改善接缝界面的抗裂性能,PBL矩形齿缝试件的内侧接缝截面比外侧齿缝截面的配筋率增加50%,内侧接缝截面的名义抗拉强度可提高61.2%;配置PBL剪力键的钢-UHPC桥面板较采用栓钉具有更好的综合抗拉性能。
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    平行钢丝束斜拉索的微动磨损分析
    王天鹏, 陈溢广
    2023, 40(11): 107-114. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.012
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏
    为了准确评估桥梁平行钢丝束斜拉索的耐久性,针对其在服役期间的微动磨损问题开展了研究。首先,根据平行钢丝索的索体结构分别计算了由扭绞角和护套紧箍效应造成的不同位置钢丝间的挤压力。其次,建立了平行钢丝间的接触力学模型,根据微动振幅和振动频率,提出了平行钢丝微动磨损深度的计算方法。最后,计算了某斜拉桥服役20 a的平行钢丝索的磨损深度,并与实测结果进行了对比分析。结果表明:接触力学模型能够较为准确地计算平行钢丝索不同位置钢丝在服役期的磨损深度;在拉索的长度方向,靠近端部钢丝的磨损程度要大于中部钢丝,从拉索的截面分布来看,外层钢丝磨损程度较轻,靠近圆心位置的钢丝磨损较为严重,理论计算结果与实桥旧索的检测结果基本相符;钢丝磨损深度的发展随时间的增加呈先快后慢的幂函数规律,磨损速率随着钢丝间的接触力、拉索的振动频率、振幅的增大而加快;算例中的钢丝镀锌层将在4.5~9 a内磨耗殆尽,远低于由环境腐蚀造成的镀锌层失效时间;微动磨损将使镀锌层过早失效,缩短了疲劳裂纹的萌生时间,如果不考虑平行钢丝间的微动磨损将使拉索寿命评估偏于不安全。
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    基于数据融合的连续梁桥损伤识别研究
    曹悦, 包龙生, 张筱薇, 孟宪彪
    2023, 40(11): 115-122. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.013
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏
    针对桥梁损伤识别过程中采用单一损伤指纹进行识别而导致识别结果不精准、损伤误判的情况,提出了将数据融合理论D-S证据理论引入到损伤识别理论中来。在基础损伤指标位移模态与曲率模态的基础上,采用二次融合的识别方法,将位移模态差和曲率模态差分别自我融合后再将各自融合结果进行二次融合。首先,建立了三跨连续梁有限元模型,通过模态分析获取原始损伤指纹并构造损伤指标。应用Matlab编写了基于D-S证据理论准则的融合损伤识别程序,先计算位移模态差及曲率模态差,再对位移模态差及曲率模态差进行各自自我融合,通过单一损伤工况及两处损伤工况的模态数据分析了采用单一指纹自我融合的识别效果。然后,应用程序对两个指标自我融合后的指标进行再次融合,通过单一损伤及两处损伤工况的模态数据分析了最终损伤识别结果。最后,通过对三跨连续梁损伤单元处预设5%和10%程度的早期损伤对该方法进行了验证。结果表明:最终识别结果显示无论单一损伤或两处损伤,即使损伤微小,该数据融合方法依然能对损伤位置进行精准识别且识别效果较好,识别结果中显示未发生损伤处的波形均相对平缓不会发生损伤误判。该方法有效改善了单一损伤指标进行损伤识别的局限性,具有一定的可行性。
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    桥下火灾空心板梁梁底温度场数值模拟
    李鸣鹤, 刘志文, 邵光强
    2023, 40(11): 123-130,156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.014
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    为进一步了解空心板桥梁在桥下火灾作用下的温度场特征与参数影响,依托某六跨预应力混凝土简支空心板实际桥梁工程,采用以Navier-Stokes方程为基础的火灾动力学模拟软件,建立了空心板桥梁底区域燃烧模型,对空心板桥梁在桥下火灾作用下的温度场分布特征及影响参数进行了数值模拟研究,并将数值模拟结果与已有文献结果进行了比较。在此基础上对影响预应力混凝土空心板梁火灾温度场的主要因素,如起火点位置、空心板梁底距离起火点高度、风速以及火灾强度等进行了参数研究。结果表明:采用FDS所模拟的升温曲线与文献升温曲线吻合良好,表明采用FDS所模拟的温度分布计算精度可以满足要求;起火点位置会影响空心板梁梁底最高温度位置,温度场最高温度随起火点与梁底距离变近先升高后降低,随风速增大而减小,随火灾强度增强而增强;通风有利于降低桥梁结构梁底最高温度,同时会增加火焰影响范围;火灾强度变大、火源距离梁底板变近,会增加空心板梁底火灾影响范围;空心板梁桥桥下跨中中央起火时的最高温度高于空心板梁边梁或梁端起火时引起的梁底最高温度。此研究为空心板桥梁火灾后承载能力与耐久性评估提供了可靠依据。
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    钢-UHPC组合梁斜拉桥多尺度有限元分析与试验研究
    李兵, 肖靖林, 孙迎春, 杨腾宇, 樊健生
    2023, 40(11): 131-141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.015
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    为确保富龙西江特大桥的新型钢-UHPC桥面板具有足够的抗裂性能和极限承载力,首先通过多尺度有限元分析计算出最不利工况下的应力状态,包括采用全桥杆系有限元模型计算第1体系应力和采用局部精细有限元模型计算第2体系应力。然后,开展了一系列钢-UHPC组合桥面板及其湿接缝的足尺模型试验,验证了桥面板系统在上述应力状态下的可行性。试件包括1块简支整浇钢-UHPC组合板、1块两跨连续整浇钢-UHPC组合板、1块带燕尾榫湿接缝的简支钢-UHPC组合板。有限元分析结果表明:第1体系和第2体系的应力叠加后,钢箱梁的最大纵向应力为156.04 MPa,最大横向应力为48.18 MPa;UHPC的最大压应力为21.67 MPa,最大拉应力为3.88 MPa。足尺模型试验的结果表明:湿接缝是桥面板的薄弱部位;燕尾榫湿接缝的名义开裂应力为10.2 MPa,比整浇UHPC低41.4%,但仍达到了有限元分析所得最大拉应力的2.6倍,表明抗裂性能有足够的富余度;所有试件均发生延性良好的弯曲破坏,由于开裂后的承载能力储备充足,在一定限度内的超载工况下不会发生破坏。综合有限元分析和试验的结果可知,富龙西江特大桥在运营阶段的受力状况良好,不存在桥面板开裂风险,钢箱梁处于弹性受力状态。
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    高掺量粉煤灰对高延性水泥基材料力学性能影响
    陈志华, 陈先华, 罗秋伦, 苏宇, 王正星
    2023, 40(11): 142-148. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.016
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏
    为了改善高延性水泥基材料(ECC)的延性,降低其生产成本,同时保证其力学性能,研究提高粉煤灰掺量对ECC各项性能的影响。作为ECC的应用和材料设计的重要参考依据,高掺量粉煤灰对ECC的力学性能及其损伤特性的影响尚未明确。本研究设计三点弯曲试验、四点弯曲试验、单轴拉伸试验、抗压强度试验以及单根纤维拔出试验,用于研究不同粉煤灰掺量对ECC的断裂韧性、开裂强度、弹性模量、界面特性、延度、弯曲和拉伸强度以及抗压强度等力学性能的影响,为材料的设计提供参考依据。结果表明:ECC早期的断裂韧性、开裂强度随粉煤灰的含量升高而降低,受拉更易开裂;但随着粉煤灰掺量增加,ECC的弯曲与拉伸延性均增大,而弯曲与拉伸强度均减小;粉煤灰掺量的增加会使ECC的抗压强度显著降低;随着粉煤灰掺量增加,界面摩擦强度减小,集体与界面之间更易产生滑移而非断裂;在掺量较高时,粉煤灰掺量的增加虽然使得ECC早期力学性能降低,但仍能够达到改善ECC延性的工程目的;延性的改善能够显著提高ECC在桥面铺装、桥梁伸缩缝、联接梁等工程中的性能表现。在工程中可以将以上结论作为依据,结合工程自身需求,合理设计ECC的粉煤灰掺量。
  • 桥梁工程
    修复用喷射高强混凝土配合比试验研究
    陈光伟, 刘龙龙, 王少鹏, 马永磊, 马千越
    2023, 40(11): 149-156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.017
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    为解决桥梁墩柱修复用喷射高强混凝土凝结硬化时间长和流淌的问题,结合高强混凝土的力学性能优势与混凝土喷射施工工艺,采用室内试验和现场喷射试验进行了配合比设计。进行了不同粒径骨料、水胶比、聚丙烯纤维掺量等因素对桥梁墩柱修复用喷射高强混凝土工作性能和力学性能影响规律的研究,并提出了高强喷射混凝土的最优配合比。结果表明:最大粒径为2.36 mm连续级配条件下的混凝土抗压强度和劈拉强度均大于最大粒径为4.75 mm连续级配条件下的混凝土试件;未掺纤维时,水胶比为0.185和0.2的混凝土试件抗压强度相比较,前者略大于后者;掺入纤维后,水胶比为0.2,纤维掺量为0.3%的混凝土试件抗压强度最大,水胶比为0.185,纤维掺量为1.5%的混凝土试件劈拉强度最大,流动性最差;水胶比为0.2,纤维掺量为0.3%的混凝土试件抗压强度最大,水胶比为0.185,纤维掺量为1.5%的混凝土试件劈拉强度最大;0~0.5%纤维掺量的混凝土具有良好的可喷性能,并且力学性能随纤维掺量的增加而提高,0.5%~1.5%纤维掺量的混凝土的可喷性较差;综合考虑喷射混凝土对工作性能和力学性能的要求,选用水胶比为0.185,纤维掺量为0.5%的混凝土进行喷射。
  • 桥梁工程
    桥梁结构连续线形监测方法
    楚玺, 周志祥, 段鑫, 朱伟铸
    2023, 40(11): 157-163,171. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.018
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    为解决因桥梁测点有限导致结构安全状态评价困难的问题,基于数字图像对结构形态的全场描述能力提出了一种基于桥梁图像边缘特征点的连续线形监测方法。在实验室制作了长7 m的钢-桁混凝土组合梁试件,获取了不同工况下试验梁的数字图像。通过尺度不变特征变换算法(SIFT)提取了试验梁图像的特征点,发现了试验梁图像特征存在局部边缘特征不连续、像素缺失的问题。采用了灰度形态学理论对图像进行处理,通过灰度形态学的开运算与闭运算连接了试验梁图像的边缘断点,改善了试验梁图像边缘特征的连续性。提出了一种基于桥梁已知构件尺寸的图像监测分辨率标定方法,对图像的像素尺寸进行了标定,得到了试验梁图像的监测分辨率。提取了试验梁下部边缘线形,发现不同工况下结构的边缘线形受噪声影响呈现相似的规律性的震荡,提出了一种叠差分析方法对含噪边缘进行处理,得到了连续平滑的试验梁挠度曲线。结果表明:挠度曲线最大误差为4.92%,平均误差为2.09%。该方法首次在自然纹理条件下实现了桥梁连续线形监测,将传统结构单点监测扩展至连续线形监测,显著提升了监测数据的完备性。研究成果可为桥梁经常性安全监测及诊断提供经济有效的新方法。
  • 桥梁工程
    回弹法测试超长龄期混凝土强度的修正方法
    王迎军, 郝朝伟, 梅波, 李鹏飞
    2023, 40(11): 164-171. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.019
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    针对现行回弹法测试混凝土抗压强度规程仅能考虑混凝土龄期不超过1 000 d的局限性,选择了一座我国20世纪90年代中后期建设的典型大跨径预应力混凝土梁桥作为研究对象。利用该桥的拆除重建机会,通过钻芯法和回弹法获得了261组测试数据,采用回弹法-钻芯法回归公式建立了3种测试长龄期混凝土抗压强度,并对比分析了二者测试精度。此外,为进一步提高旧规范常用的50#混凝土测试的精度,考虑碳化深度、局部位置、应力水平等因素,基于上述测试数据,再次建立了回弹法测试超长龄期混凝土强度用ANN模型,并选择典型工程验证该模型的实际可行性。结果表明:在测试超长龄期混凝土抗压强度时,回弹法与钻芯法的结果呈正相关;当钻芯法测定的混凝土实际强度位于42~51.6 MPa区间时,回弹测试结果偏小,而位于这个区间外时,回弹测试结果偏大;在3种回归公式中,一元线性回归的显著性水平高达0.85,为采用传统回弹法测试混凝土抗压强度提供了一个实用的显式修正公式;所提出的广义回归神经网络(GRNN)隐式修正模型,经实际工程验证的平均绝对误差可控制在1.5 MPa以内,平均相对误差可保持在5%以内,为回弹法评估超长龄期混凝土强度提供了便捷的途径,尤其是在考虑混凝土长期应力水平时。
  • 桥梁工程
    考虑剪力滞效应的Π型梁预应力张拉顺序研究
    许良康, 冯燕平, 许涛, 刘大成
    2023, 40(11): 172-179. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.020
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    Π型梁在按照常规预应力张拉顺序进行张拉时会因剪力滞效应突出而发生结构破坏,为避免该情况发生,从控制剪力滞效应的角度出发对Π型梁的预应力张拉顺序进行了研究。首先,利用解析法和有限元方法分析了Π型梁端梁和横隔板对剪力滞效应的影响,当考虑端梁和横隔板后,Π型梁最大剪力滞系数由1.23缩小到1.05,最小剪力滞系数由0.7增大至0.87。其次,分析了张拉过程中剪力滞系数的大小、变化趋势以及影响范围,确定了剪力滞效应纵桥向影响区域约为1倍的梁宽,减小桥面板和主肋轴向正应力差以及增大端梁和横隔板的刚度均可有效削弱剪力滞效应。最后,根据以上结论对预应力张拉顺序进行了调整,最终确定采用"首先张拉端梁和靠近端梁的3个横隔板的预应力筋,然后张拉一半主肋预应力筋,再张拉桥面板预应力筋,最后张拉另一半主肋预应力筋"的预应力张拉方案并进行计算。结果表明:端梁和横隔板的组合应力由最大的8.5 MPa拉应力转为压应力;桥面板主应力由最大的4.6 MPa降低为2.4 MPa,使得端梁、横隔板及桥面板在整个预应力张拉过程中的受力及变形均能满足设计及规范要求,避免了预应力张拉过程中可能出现的结构损伤或破坏,为类似桥梁施工控制提供了借鉴。
    • 隧道工程
  • 隧道工程
    基于线性自抗扰控制的隧道通风节能控制研究
    刘源翔, 侯亚楠, 雷凌昱, 孟春雷, 王宏丹
    2023, 40(11): 180-187. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.021
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    为了提高隧道通风控制系统的响应速度和运行效率,减少调节过程中的系统波动和能量损耗,降低隧道内车流量、车速、天气、事故等因素对风机控制效果的影响,解决调节过程中存在的非线性、滞后性、波动性等问题,研究了线性自抗扰的隧道通风控制方法。以短型隧道的通风系统为研究对象,将隧道烟雾浓度作为控制目标。将隧道通风过程分成两个控制阶段,并通过等效分析,简化为一个参数摄动的一阶时滞系统。基于线性自抗扰控制方法,构建了扩张状态观测器。将控制模型中的系统波动参数和外界扰动作为一种扩张状态进行了观测,并进行了实时估计和补偿。以系统控制稳定为目标,研究构建了控制器参数的选择约束条件。基于隧道通风控制模型的结构和特性,选择了控制器参数。在不同工况下的仿真结果表明:与传统控制器相比,线性自抗扰控制器缩短了约30%的系统调节时间,提高了响应速度;调节过程中超调量下降了18%,减少了约20%的风机需求功率,降低了系统波动,提高了风机运行效率和控制精度;当系统模型参数存在20%~30%的波动时,线性自抗扰控制器能够有效地抑制参数波动对控制效果的影响,使风机控制系统能够保持一定的稳定性,具有较强的鲁棒性。
  • 隧道工程
    下穿公路隧道近接地铁协同施工风险耦合研究
    王礼华, 徐筱, 史豪杰, 张翾
    2023, 40(11): 188-194,211. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.022
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    为分析与度量协同施工系统风险的耦合作用,进一步揭示风险因素的作用路径及安全事故的演化机制,首先,给出了下穿公路隧道近接协同施工系统的风险因子,分析了风险耦合机理,构建了风险因子间的耦合关系。其次,基于N-K模型,建立了风险耦合信息交互计算方法,量化评估了风险耦合作用。以某公路隧道与邻接地铁工程协同施工典型项目为例,通过风险因素耦合概率统计分析,计算了多种因素风险耦合值,评估了公路隧道协同施工安全风险状态,给出了风险控制建议。结果表明:风险耦合导致风险值增大,耦合因素越多,风险值越大;风险耦合中同步施工与管理因素作用最为明显,参与耦合时,风险值较高,对施工安全影响显著。下穿公路隧道工程近接协同施工现场风险防控中,应从管控同步施工与管理等关键因素、避免多个风险因素的耦合、加强相邻深基坑开挖等施工重难点环节监控等方面着手,逐项减弱风险程度,减少耦合所涉及的风险类型。相比单一因素的风险评价,风险耦合模型及因素耦合分析可更准确地揭示风险事件的形成机理,以及风险因素的作用路径与影响程度,从而为施工安全风险管控提供更合理的方法。
  • 隧道工程
    公路隧道新型预制仰拱接头力学特性数值模拟
    张亚鹏, 曲龙, 刘泾堂, 袁文广, 郝英
    2023, 40(11): 195-201. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.023
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    为了提高公路隧道工程质量,加快施工速度,降低材料消耗和工程建设成本以及改善施工环境,提出了一种公路隧道新型预制仰拱结构。以甘肃省某公路隧道为具体工程背景,利用ABAQUS有限元数值模拟软件对管片和螺栓进行精细化建模,建立了预制仰拱结构三维有限元模型。考虑不同强度等级螺栓、螺栓预紧力、承受荷载等影响因素,研究新型预制仰拱结构接头的力学特性。分析了预应力对新型预制仰拱接头力学性能的影响、不同荷载条件下不同强度等级螺栓的应力应变规律以及螺栓与新型预制仰拱的破坏形式。结果表明:螺栓预应力对预制仰拱接头的力学性能有较大影响,施加螺栓预应力可以有效增加接头承受正弯矩的能力;高强螺栓的最大应力和应变随施加预应力的增大而增大,受到螺栓混凝土保护层厚度的影响,上部螺栓的最大应力和应变普遍小于下部螺栓;随着荷载增大,部分螺栓会产生局部损伤,但未出现整体破坏;在承受较大荷载时,螺栓等级越高,最大应力越大,最大应变越小,螺栓混凝土保护层厚度对螺栓最大应力和应变的影响越明显;预制仰拱结构下部螺栓易破坏部位为螺杆与螺帽连接处,上部螺栓易破坏部位为螺杆,混凝土接头易破坏部位为接缝处和结构转角处,并且中间预制块较两边预制块更容易破坏。
    • 智能交通
  • 智能交通
    信号交叉口右转车辆干扰直行车辆行为仿真分析
    丁雪琪, 殷隽劼, 董长印, 王昊
    2023, 40(11): 202-211. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.024
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    为描述车辆间信息传递和协同决策过程,表征直行车辆行为特点,提出了基于虚拟车辆的跟驰-换道联合仿真模型,并结合实际交通场景中的数据进行了参数设定和模拟试验。引入右转车辆等价虚拟车辆,向后方直行车辆传递右转车辆汇入信息或者换道信息,使后方直行车辆能够在预测右转车辆汇入过程产生干扰影响的基础上进行行为决策,辅助右转车辆换道行为完成。应用直行车辆的虚拟车辆进行换道决策,若直行车辆决策换道,该直行车辆的虚拟车辆同样会向目标车道的后方车辆传递汇入信息或换道信息,辅助完成换道行为。将旁侧车道上的车辆密度与目标车道上车辆密度的差值作为车辆换道的影响因素,传递了旁侧车道的汇入压力。结果表明:仿真模型产生的轨迹和速度结果能够描述直行车辆在右转车辆干扰下的运行情况和右转车辆干扰信息的传递现象;右转车辆干扰促使更多直行车辆实施换道或者减速避让,增加了交叉口内的交通冲突;当直行流量较低时,右转车流不受控的模式提高了交叉口通行效率,但增加了交通冲突,使交通安全受到一定程度的影响。研究结果为交叉口设计和交通管理提供了理论依据和决策参考。
  • 智能交通
    人机混驾交通流事故预警换道决策及特性分析
    张建旭, 胡帅, 金宏意
    2023, 40(11): 212-221,236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.025
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    为分析混有网联自动驾驶车辆(CAV)和人工驾驶车辆的混合交通流在事故车辆影响下的交通流特征,针对高速公路发生事故后导致车道临时关闭的场景,研究了人机混驾交通流换道决策机制以及车联网环境下事故预警长度对道路通行能力的影响。基于Gipps跟驰模型和加州大学伯克利分校提出的自动驾驶模型构建了双车道混合交通流元胞自动机模型。分别构建了事故预警区人工驾驶车辆和CAV的倾向型和强制型换道规则,引入了渗透率和事故预警区长度两个参数,分析了混合交通流在事故瓶颈区的运行特征。利用元胞自动机模型对其进行数值模拟,研究其对瓶颈区交通状态演化规律的影响。结果表明:当事故发生时,瓶颈区通行能力随自动驾驶车辆渗透率的增大而提升,当渗透率达到40%~60%时,通行能力约提升13%~38%;当流量水平处于1 080~2 880 veh/(h·ln)时,事故预警换道机制能有效提高事故发生路段瓶颈区的通行能力,相同渗透率下车辆的平均延误随预警区长度的增加而降低并趋于稳定,当渗透率为40%时,事故最佳预警长度为550~1 300 m,且随着渗透率的提高,延误水平降低效果更显著。本研究可为未来人机混驾环境下事故预警策略以及事故处理机制提供理论依据。
  • 智能交通
    面向数据驱动的车辆跟驰行为建模
    王少杰, 曲大义, 刘浩敏, 孟奕名, 崔善柠
    2023, 40(11): 222-228. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.026
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏
    数据驱动类跟驰模型可充分挖掘车辆轨迹数据中的跟驰行为特性,从而实现对车辆跟驰行为的预测。为研究车辆跟驰行为特性,基于实测轨迹数据,运用数据驱动的方法并结合GM跟驰模型建模思路,基于注意力机制与驾驶员进行跟驰行为决策时着重关注重要信息机制相一致的特性,加入注意力机制,建立了基于CNN-BiLSTM-Attention的车辆跟驰模型。筛选NGSIM数据集中符合车辆跟驰特性的轨迹数据并进行降噪处理,通过试验选择最优模型网络结构,对模型进行训练,与LSTM,GRU,CNN-BiLSTM等数据驱动类跟驰模型进行对比分析。结果表明:基于CNN-BiLSTM-Attention的车辆跟驰模型与LSTM模型相比,MAE减少约38.12%,R2 提高约2.18%,MSE减少约23.45%;与GRU模型相比,MAE减少约19.05%,R2提高约1.13%,MSE减少约13.95%;与CNN-BiLSTM模型相比,MAE减少约1.06%,R2提高约0.15%,MSE减少约1.78%,即模型具有最优的加速度预测性能,可更好地描述车辆跟驰行为;基于CNN-BiLSTM-Attention的车辆跟驰模型与单一模型相比,可更好地提取交通数据特征并处理历史数据间的关系,捕捉历史信息并做出相应决策,与CNN-BiLSTM相比,Attention机制使得模型着重关注输入特征的重要部分,从而具有更高的预测精度。该模型可实现车辆加速度预测,可帮助理解车辆跟驰特性,未来可为车辆跟驰行为决策提供理论依据。
    • 汽车工程
  • 汽车工程
    基于维修大数据的营运客车安全部件可靠性分析
    刘富佳, 杨小娟, 许书权, 陈潮洲
    2023, 40(11): 229-236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.027
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏
    为适应营运车辆智能化发展趋势,降低道路运输安全运行风险,基于在用营运客车维修大数据,测算了营运客车安全部件累积故障概率和故障率,对安全部件全寿命周期故障类型进行综合评判。采用威布尔分布函数等理论,得出故障分布函数参数并对其进行拟合验证。通过计算并绘制故障累积概率、故障率、故障概率密度、可靠度函数曲线,直观展示了营运客车安全部件故障分布规律和故障风险。结果表明:营运客车行驶系、制动系、安全防护装置的瞬时故障率随营运里程逐步降低,而转向系零部件瞬时故障率随营运里程呈现上升趋势,应根据不同零部件故障规律科学合理制定维修计划;从故障概率密度分布区间来看,转向系、行驶系、制动系、安全防护装置的不同零部件故障高发里程各有不同,应根据不同部件故障特征合理开展安全技术性能检验以降低故障发生风险;此外,与常规安全部件相比,车道偏离预警系统(LDWS)、自动紧急制动系统(AEBS)等高级驾驶辅助系统具有更高的可靠性,故障风险随使用年限趋于平缓增加,应重点对安全部件的早期故障进行预防,对提高营运车辆安全水平具有重要意义。
    • 灾害防治
  • 灾害防治
    白垩系上统高沟组泥质粉砂岩干湿循环损伤机制
    宁赞格, 李大鹏, 杨宽才, 余义兵, 周峙
    2023, 40(11): 237-245. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.028
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    为探究丹江口库区消落带滑床岩体的强度损伤特性,以区内典型白垩系上统高沟组泥质粉砂岩为研究对象,考虑干湿循环状态和受荷状态双重作用,提出了基于Weibull分布的白垩系上统高沟组泥质粉砂岩的统计损伤本构模型。基于干湿循环单轴试验进行了模型验证,揭示了干湿循环作用下滑床泥质粉砂岩强度损伤规律。结果表明:基于Weibull分布的白垩系上统高沟组泥质粉砂岩的统计损伤本构模型可以较好地反映干湿循环受荷过程中岩石应力-应变过程,相比于5次干湿循环的试样,线弹性阶段的试样在经历10次,15次,25次干湿循环后的弹性模量分别降低2.82%,15.76%,51.07%,峰值强度分别降低3.15%,48.04%,66.26%;5~10次干湿循环过程对试样微裂隙等缺陷的影响较小,总损伤变量分别仅为0.83%,0.88%;15~25次循环后,长石、黏土矿物会在水解、水力侵蚀、淋滤等作用下流失,总损伤变量增加显著,试样轴向应变为0.001 7时即进入损伤加剧阶段;模型中受荷泥质粉砂岩无损状态假设,导致了理论计算的线弹性阶段(岩石压密)的进程偏长,理论峰值强度偏高;考虑15次干湿循环可对该区域粉砂岩影响较大,建议在该区域滑坡治理过程中,应优先强化地表和地下水截排水措施设置,避免滑床部位长期处于干湿交替环境。
    • 运输经济
  • 运输经济
    交通拥堵感知对节假日自驾游满意度与忠诚度影响
    陈方, 于淼, 戢晓峰, 李静, 郝旭宽
    2023, 40(11): 246-254. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.029
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    节假日自驾游交通拥堵问题已成为自驾游产业发展痛点。为解析交通拥堵感知对节假日自驾游满意度和忠诚度的影响机制,聚焦自驾游线路体验,设计了调查问卷对自驾游客进行调研以获取真实数据。将"拥堵感知"嵌入美国顾客满意度指数(ACSI)模型,运用结构方程模型对自驾游满意度与忠诚度的影响因素和影响路径进行预设及验证。基于模型稳定性检验与路径差异分析,揭示了不同年龄群组间的影响机制差异。结果表明:游客线路期望显著正向影响节假日拥堵感知体验质量,旅游目的地形象显著正向影响节假日拥堵感知体验价值,节假日拥堵感知体验质量是拥堵感知体验价值的关键影响因素,旅游目的地形象和游客线路期望均显著正向影响节假日游客满意度;节假日拥堵感知体验质量和拥堵感知体验价值均对游客抱怨存在显著正向影响,节假日拥堵感知体验价值对游客忠诚度产生显著负向影响;节假日游客满意度的提升会降低游客抱怨、增加游客忠诚度,节假日游客抱怨的增加也会提升游客忠诚度,30岁以下年轻自驾游客的抱怨对忠诚度的作用效果强于30岁以上的自驾游客。本研究对揭示交通拥堵感知对自驾游游客态度的影响具有理论价值,为自驾游研究提供了新视角,同时也能为节假日交通管理提供决策参考。
  • 运输经济
    跨境甩挂运输发展影响因素研究——基于澜湄合作国家的实证分析
    杨扬, 王玉鸟, 石相团, 徐新扬
    2023, 40(11): 255-262. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.030
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏
    针对澜湄合作区域跨境运输中存在的运出成本高、货车不直通等物流问题,提出采用跨境甩挂运输组织模式进行跨境货物运输的新思路。为了促进跨境甩挂运输顺利开展,对跨境甩挂运输发展的影响因素进行了研究。首先,基于澜湄国家跨境运输的特点以及相关文献梳理,建立了跨境甩挂运输发展影响因素指标体系。然后,利用有效问卷调查数据,进行探索性因子分析和路径分析,并构建了跨境甩挂运输发展影响因素结构方程模型,定量分析了基础设施、政治法律、技术条件支撑、服务质量、跨境甩挂运输企业联盟和通关效率这6类潜变量之间的相互关系及对跨境甩挂运输发展的影响。结果表明:跨境甩挂运输企业联盟是影响跨境甩挂运输发展的关键因素,其他影响因素通过跨境甩挂运输企业联盟得以直接或间接相互影响;在跨境甩挂运输发展影响因素之间的相互作用中,技术支撑对通关效率的影响最大,而通关效率对其他因素的影响不显著,政治法律通过直接或间接效应对其他5个因素均产生了影响;澜湄合作各国出台相关政策法律、引导推动各国物流企业形成跨境甩挂运输企业联盟是发展跨境甩挂运输的重要途经;要利用好澜湄合作机制优势,完善跨境基础设施设备建设,统一技术标准,提升通关能力,降低跨境运输成本。