2024年, 第41卷, 第9期　刊出日期：2024-09-05

  

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  基于复合图双卷积神经网络的路面裂缝识别方法

  王浩仰, 潘宗俊, 曹建坤, 张洁, 郭宝栋

  2024, 41(9): 1-9. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.001

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  为了建立一种基于深度学习卷积神经网络的路面检测模型,提高特殊路面裂缝,如白裂缝、浅裂缝、潮湿裂缝、修补开裂等的识别准确率,在单卷积神经网络结构(单网络)上,提出了基于复合图双卷积神经网络的路面裂缝识别方法。首先,该方法在输入灰度图基础上,考虑裂缝病害图像特征,增加对应二值图组成复合图通道;其次,在单网络结构基础上增加一个针对特殊裂缝识别的单网络,非特殊裂缝网络训练使用全部数据,特殊裂缝网络训练使用特殊裂缝数据,两个网络参数分别独立更新,从而形成复合图双网络结构;然后两个网络分别对同一测试数据进行判定,得出各自的概率矩阵,最后再根据概率单侧抑制的原理将两个单网络输出结果进行叠加,得出最终识别结果。组织了70万张检测车采集图片对复合图双网络方法进行训练和测试。结果表明,复合图双网络识别重叠度、精确度、召回率显著优于灰度图单网络,证明了提出的两处优化,即将单通道灰度图改造为双通道复合输入图和增加一个特殊裂缝识别网络,提升了非特殊裂缝与特殊裂缝区域识别能力。此外,复合图双网络的重叠度、精确度、召回率指标比其他深度学习路面裂缝识别算法方法高。
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  基于无人机和点云滤波的边坡灾害识别方法

  高文宇, 余加勇, 王茂枚, 谢义林

  2024, 41(9): 10-17. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.002

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  为解决传统公路边坡灾害识别方法风险大、成本高以及植被覆盖情况下灾害识别困难的问题,采用无人机倾斜摄影与机器学习技术,构建了一种面向复杂地形环境的点云滤波和灾害识别方法。首先通过无人机倾斜摄影技术获取多角度高清边坡影像,重构高精度边坡三维点云模型;接着利用支持向量机(SVM)机器学习算法,训练和建立基于公路边坡表面形态特征的SVM点云分类模型,对边坡地面与植被点云进行识别与分类,获取滤除植被的边坡表面点云数字高程模型(DEM);最后采用DEM差分算法(DoD)对不同调查时期获取的边坡表面DEM进行地形变化检测,根据三维模型变化检测结果获取边坡灾害具体信息以及变化云图,从而实现公路边坡隆起、塌陷、落石等灾害的自动识别。将该技术应用于长沙市某公路边坡工程灾害调查,成功识别出的边坡隆起区域面积约为621.93 m²,平均隆起高度1.13 m,塌陷区域面积约为460.42 m²,平均塌陷高度0.82 m,边坡灾害区域的总土方量约为1 081.06 m³,构建的植被点云滤波方法准确率优于98.4%。研究结果表明:构建的基于SVM与DoD算法的点云滤波和无人机边坡灾害自动识别方法,具备准确滤除植被、快速识别及量化边坡灾害的能力,且对复杂地形条件下的边坡具有较强适用性。
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  基于C-V2X网联车的路侧摄像机标定方法

  张长隆, 周炜, 杜仙童, 谢鹏程, 崔海涛

  2024, 41(9): 18-27. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.003

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  为了安全高效地标定公开道路上的路侧摄像机,提出了一种新的标定方法。该方法不需要任何先验知识和封闭道路来阻断交通,克服了现有方法需要人工测量的局限性。它将网联车当作标志物,利用蜂窝车联网(C-V2X)通信技术,通过网联车提供路侧摄像机视野中各位置的WGS-84坐标并采用深度学习算法提取用于标定的网联车图像坐标。对网联车的图像坐标及其WGS-84坐标进行时间戳同步后,基于直接线性变换获取网联车图像坐标与其WGS-84坐标之间的映射关系,完成路侧摄像机标定。在长沙市真实路口进行选址搭建试验平台,采集了82个验证点对本研究方法进行可行性分析试验。结果表明:本研究方法的标定误差基本保持在1.5 m以内,能够满足协作式智能交通系统(C-ITS)应用的车道级定位要求。同时,将该方法与2种具有代表性的路侧摄像机标定方法进行了对比,结果表明本研究方法具有1.80%的最小均方根误差。此外,还探究了网联车姿态、网联车速度和 GNSS 定位精度对标定精度的影响,分别设计对比试验加以分析,最后依此总结了实用的指导建议,以便采用本研究方法时更容易地获得较高的标定精度。
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  基于主客观赋权-TOPSIS法的县域指引信息重要度评估方法

  卫雨桐, 周荣贵, 张巍汉, 冯移冬

  2024, 41(9): 28-35. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.004

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  目前仅参考行政等级的指路标志指引信息分层原则不能客观地反映县级行政区的交通需求。为了优化县级行政区指路标志指引信息设置策略,增强路网功能,提出了一种基于主客观赋权-TOPSIS法的县域指引信息重要度评估方法。首先,结合中国县级行政区特点细化评价颗粒度,构建了涵盖人口、面积、经济、旅游景区数量、路网规模等11项指标的评价体系;其次,采用量表分析法对主观指引信息重要度进行统计学分析得到主观权重;然后,采用主成分分析法基于指标内部客观特性进行赋权,将累计解释方差率达到85%的主成分按照对应特征值加权求得重要度客观得分,并采用TOPSIS法对主客观得分进行综合评价,得到每个样本在主客观2项指标下的相对贴近度;最后,根据县级行政区相对贴近度在本省对应的z分数得到高指引信息重要度的县级行政区清单,作为指引信息选取的决策依据。以2组高速枢纽立交为例,根据主客观赋权-TOPSIS法的评估结果,提出了对应转换节点处县级行政区的指路标志指引信息选取方案,并结合实地调研结果验证了本研究提出的评估方法的合理性。结果表明:所提出的方法优化了指路标志指引信息设置策略, 可为指路标志版面信息选取提供参考。
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  不同场景下出行链模式与充电选择的影响关系

  杨露, 张奕源

  2024, 41(9): 36-43. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.005

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  为了对比研究不同场景下电动汽车用户充电需求产生过程的异质性,选定工作日、非工作日为对象,采用递归联立方程双变量Probit模型分别建模研究两种环境下出行链模式(出行结构)与充电选择之间的影响关系:一种是出行链模式决策影响充电选择,另一种是充电选择影响出行链模式选择。利用出行链及充电选择调查数据对模型进行标定与验证,数据结果表明:工作日、非工作日场景下,模型的拟合结果存在差异,用户出行链模式与充电选择之间的主导关系不同,电动汽车充电需求的产生机理存在异质性。工作日中,出行链决策影响充电选择,表明用户的出行决策先于充电决策,充电需求的产生依附于出行链和活动计划。这种模式下,应充分考虑居民的出行习惯,结合出行目的、停驻点类型、出行时间、车辆续航情况等关键属性进行城市充电需求的预测和调度;而非工作日中,充电选择影响出行链决策,表明用户的充电决策先于出行决策,此时充电需求则较少受到出行计划的影响,应结合用户的个人社会经济属性、车辆属性、充电桩拥有情况等对充电偏好进行分析,依据充电选择情况进行需求预测和调度。因此,工作日、非工作日下存在两类充电需求产生机制,研究结果对城市充电需求预测及调度具有一定的指导意义。
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  岩沥青在路面工程中的应用及性能研究综述

  岳建洪, 杨海波, 徐强, 黄迪, 蒋双全

  2024, 41(9): 44-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.006

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  天然岩沥青作为沥青的一种"绿色"可替代物,不仅可以部分或完全替代现有沥青,而且不存在与基质沥青相容性差的问题。为进一步推动路面用岩沥青材料的应用与发展,梳理总结了国内外路面用岩沥青材料研究动态;明确了不同种类岩沥青产地分布、化学组分、元素含量差异及工艺效能;全面综合对比评价国内外岩沥青及复合改性沥青基本物理性能、高低温流变性能及抗老化性能;调查总结岩沥青改性沥青混合料强度、低温抗裂性能、高温抗车辙性能及抗水损坏性能。结果表明:不同产地的岩沥青灰分、沥青、四组分及元素含量有差异,组分对岩沥青改性沥青及沥青混合料性能具有重要影响;岩沥青制备工艺分为干法和湿法,2种方法各有优缺点;岩沥青的加入能够改善沥青的高温流变性能,提高混合料的抗高温车辙、抗水损坏及抗老化性能;岩沥青较大的比表面积、发达的孔隙结构及灰分中含有的碱性矿物能够增强沥青的吸附作用;岩沥青改性过程中没有官能团的产生与消失,属于物理改性;岩沥青会与沥青中的轻组分结合,改变黏弹比例,提升热稳定性。
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  基于微波加热的沥青混合料自愈合性能研究

  赵毅, 刘威震, 张庆宇, 翟晓静, 张新永

  2024, 41(9): 60-70. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.007

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  微波加热作为一种全新的体积加热形式,因其快速、均匀和节能的加热特性,已广泛应用于食品、陶瓷等行业,但在道路早期养护领域尚处于探索研究阶段。本研究归纳了基于微波加热的沥青混合料自愈合性能研究进展,针对沥青材料自愈合理论、微波加热机理、微波加热材料、微波加热沥青混合料自愈合影响因素等方面研究现状进行了总结。综述分析表明:由于沥青成分、微观结构以及复杂的相互作用,沥青材料的愈合机制尚未完全清楚,但裂缝表面分子扩散理论、裂缝表面能理论和毛细流动理论在一定的限定条件下能够很好地表征沥青材料的自愈合特性;微波加热是一种高效、环保的沥青混合料自愈合热诱导形式,通过掺入钢屑、钢渣、炭黑、铁素体颗粒等微波加热材料,可提高沥青混合料的自愈合性能;沥青混合料的自愈合性能受到微波特性、沥青性能及沥青混合料类型、外部环境等因素的共同影响,外部环境对沥青混合料自愈合性能的影响最为显著,当超过最佳加热时间、含水率过高、损伤程度较大时,沥青混合料的自愈合性能显著下降。最后,从实际工程的角度,分析了微波加热沥青混合料自愈合性能工程应用面临的问题,并展望了其应用前景。
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  工程化高掺量橡胶沥青性能试验研究

  张璐, 孟会林, 李彦伟, 王寒冰, 王仕峰

  2024, 41(9): 71-78. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.008

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  为推动高掺量橡胶沥青在道路工程中的应用,基于雄安新区实体工程,从宏观-微观角度评价探讨了高掺量橡胶沥青用于道面的可行性及性能表现。采用全高掺量橡胶沥青路面结构设计理念,设计了用于不同结构层的3种密级配高掺量橡胶沥青混合料ARHM-13,ARHM-20,ARHM-25。利用动稳定度、低温弯曲破坏应变、冻融劈裂强度、残留稳定度、四点弯曲疲劳试验及约束试件温度应力试验分析并评价了高掺量橡胶沥青混合料在高,低温环境下的路用表现;通过溶-凝胶含量及光学显微镜观测并探讨了胶粉在高掺量橡胶沥青及其混合料体系中的分散性;结合差示量热扫描仪和低温冲击韧性试验进一步表征并研究了高掺量橡胶沥青的低温性能。结果表明:30%胶粉掺量的高掺量橡胶沥青混合料具有良好的高温、疲劳性能及优异的低温表现;降解胶粉可以在沥青及混合料体系中实现良好的分散,高达40.8%的降解胶粉通过溶解进入沥青,分散性试验表明多数胶粒尺寸小于50 μm;橡胶含量持续增加导致沥青发生的脆-韧转变对于沥青混合料体系在温度下降过程中所表现出的低温柔性、韧性及抗裂性能具有很大改善作用。
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  重载沥青路面结构设计轴载及力学响应分析

  张晓琳, 丁润铎, 周海军, 孟宪东, 王凯

  2024, 41(9): 79-86. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.009

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  为了探究重载沥青路面结构设计轴载参数及力学响应分析,基于鲁中地区的高速公路实测车辆轴载数据,分析其轴载谱确定本地区的沥青路面结构设计轴载参数,拟定2种沥青路面结构及计算模型参数,利用麦路(M-Pave)软件计算在135 kN和100 kN轴载水平下路面结构的剪应力和水稳层层底拉应力并进行结构寿命预估。结果表明:确定以单轴双轮胎135 kN作为本地区重载交通设计代表轴载。结构1的剪应力峰值出现在距路表深度1~2 cm处,结构2的剪应力峰值出现在路表下2~4 cm处。2种轴载水平下剪应力随距路表深度的变化趋势基本一致,随着深度的增加,剪应力逐渐减小。2种路面结构剪应力计算表现为在路表下0~12 cm深度范围内剪应力值为140~280 kPa,在12~30 cm深度范围内剪应力值为50~140 kPa,其中设计代表轴载135 kN下的最大剪应力比标准轴载100 kN下最大剪应力增加15%~16%。在相同轴载水平下,结构2的水稳层底拉应力较结构1增加约10%。在相同路面结构下,设计代表轴载135 kN下的水稳层底拉应力比标准轴载100 kN增加约34%。当交通量达到重、特重交通荷载等级时,不同轴载水平下2种结构的水稳层结构寿命均超过了40 a,其中结构2的沥青层寿命可达到18~34 a,结构1的沥青层永久变形寿命为10~23 a。
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  道路工程

  环绕黏结CFRP-ECC修复混凝土的动态力学和能量特性

  庞建勇, 韩辰悦, 胡时

  2024, 41(9): 87-96. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.010

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  为了研究环绕黏结碳纤维增强复合材料(CFRP)与工程水泥基复合材料(ECC)构成的复合增强层对小尺寸受损混凝土的修复效果,制备CFRP增强ECC-混凝土组合体试件,采用霍普金森压杆对端面粘贴、环绕粘贴CFRP的组合体进行不同气压下的冲击压缩试验。结果表明:两种组合体的峰值应力、峰值应变和动态增长因子均随冲击气压的升高而增大,环绕粘贴CFRP的组合体峰值应力、峰值应变均高于端面粘贴CFRP的组合体,0.5 MPa气压作用下,峰值应力增长达10.9%,峰值应变增长达14.98%。随着气压的升高,两种组合体的动态增长因子均呈增大趋势,两种组合体在0.7 MPa较0.3 MPa作用下,DIF分别提高了56.77%,59.41%,具有明显的应变率增长效应。0.7 MPa气压时,两种组合体的DIF均在1.6左右,因此两者均适用于高动态荷载作用环境。复合增强层为混凝土提供良好的环向约束力,有效抑制裂纹扩展。环绕粘贴CFRP的组合体破坏状态优于端面粘贴CFRP的组合体,抗冲击性能更好。两种组合体的各能量变化趋势相似,均随着气压升高而增大,且环绕粘贴CFRP的组合体较端面粘贴CFRP的组合体能量吸收能力更强,0.7 MPa时的吸收能增幅在5%左右。在小尺寸混凝土修复工程中,环绕粘贴CFRP与ECC构成的复合增强层的修复效果更佳。
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  道路工程

  强降雨条件下多台阶黄土边坡离心模型试验研究

  徐涛, 魏静, 王振坤

  2024, 41(9): 97-105. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.011

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  为探究强降雨条件下多台阶黄土边坡变形及稳定性,设计了离心机载降雨模拟装置,以在建吴华高速公路多台阶超高黄土边坡为原型,开展了强降雨条件下多台阶黄土边坡离心模型试验,研究了降雨条件下多台阶黄土边坡的含水率、土压力和位移的时程变化特性,对比分析了预设节理的存在对黄土边坡稳定性的影响。研究结果表明,强降雨条件下,边坡表层土体体积含水率迅速升高,形成暂态饱和区,在入渗阶段,湿润锋不断下移,土体内部孔隙水在重力作用下向边坡底部入渗,且坡脚处入渗速率最快,坡表中部最慢,其体积含水率较饱和状态减小了约6%;坡体土压力受土体含水率和表层土体冲蚀共同影响,在降雨阶段缓慢增长,而在冲蚀阶段快速降低;相较于无节理边坡,节理的存在为雨水入渗提供了优势渗流通道,加速了雨水向下入渗速率,含节理边坡更易被降雨冲蚀,其沉降增长速率更明显,土压力降低幅度更大,降雨结束时含节理边坡的坡顶沉降量较无节理边坡增加了约20%;强降雨条件下多台阶黄土边坡整体稳定性较好,在雨水溅蚀和径流冲刷等的共同作用下,降雨诱发多台阶黄土边坡的变形破坏模式呈现为边坡冲蚀引起的溜滑破坏,且主要集中于坡脚和第一级台阶坡面处,故在实际工程中应加大对边坡坡面和坡脚处的防护。
桥梁工程
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  桥梁工程

  钢渣激发剂对近海混凝土力学性能和耐久性的影响

  叶晨峰

  2024, 41(9): 106-112. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.012

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  为提高近海混凝土的耐久性和钢渣粉在混凝土中的利用率,通过测试掺钢渣混凝土的流动度、凝结时间、力学性能、碳化深度和氯离子电通量,研究了硫酸钠、脱硫石膏、脱硫灰这3种激发剂以单掺或复掺方式对钢渣活性和混凝土抗氯离子能力和抗碳化性能的影响。结果表明:钢渣使水泥净浆的流动度下降,凝结时间延长,Na₂SO₄作激发剂可略微缩短凝结时间,矿粉和钢渣粉可一定程度减少混凝土坍落度的经时损失,但加入一定量的激发剂后会减弱这种效果;脱硫灰、Na₂SO₄、脱硫石膏这3种激发剂对混凝土的抗折强度有显著提升,特别是3%Na₂SO₄对抗折强度的贡献较大;Na₂SO₄与脱硫石膏复合激发剂对混凝土抗折强度的提升作用大于Na₂SO₄-脱硫灰复合激发剂和单掺激发剂;3种激发剂单掺对钢渣-矿粉混凝土7 d抗压强度略有改善效果,对后期抗压强度的改善效果不明显,但复合激发剂对混凝土抗压强度的提升较为显著,特别是3%Na₂SO₄和4%脱硫石膏复合激发剂对力学性能的提升效果较为显著;Na₂SO₄使混凝土的抗碳化性能和抗氯离子渗透性能分别提高了23.9%和43.7%,Na₂SO₄和脱硫石膏复合激发剂对耐久性的提升效果优于单一激发剂。脱硫灰、脱硫石膏、Na₂SO₄激发剂提高了钢渣的活性,进一步改善了混凝土的微结构,使得混凝土的力学性能和耐久性能提升。
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  桥梁工程

  高速液压夯加固台背碎石土现场试验研究

  张思峰, 牛立可, 李庆, 张建镇, 王长伟

  2024, 41(9): 113-122. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.013

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  为探究高速液压夯加固碎石土的动力特性及影响规律,依托潍坊至青岛高速公路某台背回填工程,开展了高速液压夯加固箱涵背侧回填碎石土的现场试验研究。试验采用预埋土压力计、应变片等监测元件的方式,监测夯击过程中碎石土及涵背的应力、应变发展规律。以动应力、残余应力、夯沉量、标准贯入击数及涵背应变作为评价指标,探究了高速液压夯的动应力传播规律,分析了夯击次数、夯击能、夯间距等因素对碎石土加固效果以及施工振动对桥涵台背的影响。结果表明:高速液压夯所产生的动应力主要沿竖向传递,有效加固深度可达2 m,在水平向0.5 m范围内衰减速度快;由于夯击对周围土体的加固作用,对临近夯点夯击时,其动应力明显增加;增加夯击能可有效提高加固效果,使用高档位夯击时加固效果更为显著;加固效果随夯击次数的增加而增强,但每一击所产生的密实效果逐渐降低,对碎石土路基,夯击次数以小于9次为宜;适当减小夯间距可提高加固效果,适宜夯间距为1.5倍夯锤直径;夯击产生的涵背结构物应变远小于规范值,对箱涵等构筑物的安全影响很小。研究成果可为类似桥涵台背路基填土夯实工程的设计及施工提供借鉴和参考。
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  桥梁工程

  简支蝶形腹板混凝土箱梁剪力滞效应

  张云飞, 焦广如, 陈建兵, 蔡新江

  2024, 41(9): 123-131. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.014

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  为研究蝶形腹板混凝土箱梁的剪力滞效应分布情况,从试验研究、有限元模拟和理论推导3个方面对蝶形腹板混凝土箱梁的剪力滞效应进行研究。通过设计、制作蝶形腹板简支箱梁模型,并进行静力加载试验,以研究剪力滞效应在箱梁实腹处与空腹处的变化;建立与试验条件一致的Abaqus有限元模型,运用有限元的数据分析处理能力,得到蝶形腹板箱梁在集中荷载与分布荷载下的剪力滞效应空间分布情况;基于截面等效原理,提出箱梁空腹处惯性矩的计算方法,结合能量变分法,建立了蝶形腹板箱梁剪力滞效应计算公式并与试验结果和有限元结果进行对比,以验证公式的准确性。结果表明:蝶形腹板箱梁顶、底板纵向应力均呈正剪力滞效应分布且蝶形腹板箱梁空腹处截面剪力滞效应大于实腹处;在不同荷载作用下,蝶形腹板箱梁剪力滞效应空间分布状态为:沿梁长方向的剪力滞效应在箱梁支点截面和跨中截面较大,沿梁宽方向的剪力滞效应在腹板与顶板相交处较大,并向两侧逐渐减小;由变分法得到的理论公式计算结果表明,集中荷载作用下,变分法纵向应力值与试验值误差在—2.4%~7.4%,均布荷载作用下,变分法纵向应力值与有限元误差在—2.7%~3.8%,验证了公式的准确性,并为蝶形腹板箱梁设计提供了理论依据。
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  桥梁工程

  改扩建高速公路桥梁可用性评判与延寿准则

  赵尚传, 左新黛, 王少鹏

  2024, 41(9): 132-140. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.015

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  针对高速公路改扩建工程中既有桥梁是否能继续使用问题,综合考虑总体技术状况、承载力状况、剩余耐久年限状况3个层次,创建了以桥梁构件类别的外观耐久状态为一级指标、以剩余耐久年限为二级指标的评判方法,提出了表征构件剩余耐久年限的寿命系数和可用寿命系数,建立了既有桥梁的延寿准则和延寿策略,探讨了可用寿命系数与目标使用年限、单次延寿的有效保护年限、拟采取的维护措施类型数量的相互关系。以京沪高速改扩建工程为研究背景,选取9座既有桥梁为典型桥梁,按100 a目标使用年限,计算得到构件主筋和箍筋的剩余耐久年限,给出了典型桥梁主体构件剩余耐久年限。根据可用评判方法,计算得到了在相同延寿措施下的延寿年限、延寿费用及可用寿命系数,按经济最优原则提出了从A级到E级共计5种延寿方式。研究表明,京沪高速改扩建工程典型桥梁按箍筋计算得到构件耐久寿命比按主筋计算值低,建议构件年限按箍筋计算值取用;目标使用年限为100 a时,主梁构件可正常使用比例为94%,墩柱单元、盖梁单元、桥台单元的可正常使用比例分别为67%,11%,44%。实际工程表明,采用该评判方法的评判结果与结构实际状态基本相符,与工程实际采取的处置措施基本相当,验证了该方法的合理性。
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  桥梁工程

  混凝土小箱梁早龄期开裂风险与防控

  刘纯, 刘江, 吕毅, 姜磊

  2024, 41(9): 141-151. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.016

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  预制混凝土小箱梁在浇注期间水化热作用下产生显著里表温差,存在早龄期开裂风险,影响其安全性及耐久性。为明晰预制混凝土小箱梁早龄期开裂风险,以陕西省安康地区某混凝土小箱梁桥为依托,研究其早龄期温度作用、温度效应及开裂风险,并通过正交试验分析得到了影响预制混凝土小箱梁早龄期开裂风险的主要因素。结果表明:预制混凝土小箱梁在浇注后水化反应迅速,12~16 h后,混凝土温度达到峰值54.9 ℃,温度最高位置集中于顶部梗腋处及底板,而底板位置受环境作用影响水化放热时间最长,在浇注后72 h内混凝土小箱梁整体温度基本呈对称分布;水化反应期间小箱梁各位置抗力水平增长基本一致,但翼缘、梗腋及腹板中部应力水平较高,开裂风险较大,最大拉应力达到2.71 MPa,最大开裂因子达到1.2;材料属性、结构参数、环境作用对混凝土小箱梁预制期间水化热温度作用均有影响,其中材料属性影响最为显著,主要包括水泥放热量和水泥掺量,调整材料参属性及入模温度可有效降低预制混凝土小箱梁开裂风险。研究结果可以指导预制混凝土小箱梁设计及施工,降低其早龄期开裂风险,提高其安全性及耐久性。
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  桥梁工程

  新型湿接缝钢筋连接构造的力学性能研究

  张育智, 刘俊岭, 文洁平, 梁振飞, 彭亦正

  2024, 41(9): 152-159. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.017

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  为了弥补叠合梁桥面板湿接缝普通钢筋连接构造搭接长度大、绑扎或焊接难度高等缺陷,提出了L形钢筋连接构造。采用有限元软件ANSYS,对采用直钢筋、环形钢筋、弧形钢筋和L形钢筋连接构造的叠合梁桥面板湿接缝受力性能开展了数值模拟,对比研究了不同钢筋连接构造条件下湿接缝的受力特征、承载能力和施工工艺。研究结果表明:在湿接缝截面尺寸相同、配筋率相同的条件下, 4种钢筋连接构造对应的湿接缝开裂前,非搭接区的混凝土及钢筋应力均高于搭接区,开裂时湿接缝混凝土的开裂位置均位于非搭接区,且开裂荷载与钢筋混凝土轴心受拉构件的开裂荷载理论值较为接近;L形钢筋连接构造的开裂荷载与直钢筋、弧形钢筋连接构造基本一致,但比环形钢筋低4%;4类普通钢筋混凝土湿接缝达到受拉承载力极限状态时均对应于非搭接区纵向钢筋的受拉屈服,湿接缝的受拉极限承载力只与非搭接区普通钢筋的面积和强度的乘积有关,即湿接缝的受拉极限承载力等于非搭接区纵向钢筋屈服时承受的拉力。L形钢筋连接构造在洛溪大桥拓宽工程中的成功应用表明,该连接构造开裂荷载及承载力均与其他钢筋连接构造的湿接缝相当,且具有施工工艺简单,施工便利的优点,值得在类似工程中推广应用。
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  桥梁工程

  受空间约束时曲线钢箱梁步履式多点顶推策略

  韩慧超, 吕之豪, 朱伟庆, 武轶彬, 张小利

  2024, 41(9): 160-171. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.018

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  针对曲线钢箱梁多点步履式顶推同步控制难度高、往往受到各类空间约束限制的难题,为提高顶推施工的精确性与可靠性,应充分降低曲线顶推施工过程中的多点异向和异速顶推工况次数,根据尽量使得顶推过程中曲线箱梁各点顶推方向与速度相同这一基本原则,提出了受空间约束时曲线钢箱梁以平移和纠偏为主,旋转与调整为辅的顶推策略和方法,建立了各基本工法对应的顶推数学模型,并将其成功应用于兰州市某非对称曲线斜拉桥的钢箱梁顶推施工。研究结果表明:随曲线钢箱梁顶推行进,理论计算出的梁体尾部偏差值逐渐变大、梁体所需旋转角度逐渐变小,故曲线钢箱梁顶推初期宜多次采用旋转工法减小曲线夹角,后期宜多次采用纠偏工法减小轴线偏差;调整工法可有效减少其余工法的实施次数,其计算流程独立于其他工法,只与当前曲线钢箱梁到达的临时墩所在平面位置有关;曲线钢箱梁即将穿越桥塔等空间障碍物时,梁体与障碍物碰撞风险最大,而随顶推进程的继续,梁体与障碍物碰撞风险会逐步降低;该曲线钢箱梁顶推策略与方法思路明确、可操作性高,可大幅降低对多点步履式顶推系统的要求,提高顶推施工可靠性,适用于市政桥梁的曲线钢箱梁步履式顶推施工。
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  桥梁工程

  非均匀封闭护栏钢箱梁断面绕流特性

  车鑫, 赵雪, 党嘉敏

  2024, 41(9): 172-179. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.019

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  从绕流场的速度分布、三维旋涡结构的发展和演化及主梁表面压力分布等角度,应用大涡模拟技术探究顺桥向非均匀封闭护栏对钢箱梁断面绕流特性的影响及其抑制涡激振动的内在机制。数值模拟结果显示,由于斜腹板钢箱梁的原始断面在顺桥向方向基本一致,当流场流经上游护栏时,各护栏区域产生的旋涡结构较为一致,旋涡主要流场中旋涡结构围绕顺桥向旋转且具有明显的顺风向特征。在5°风攻角条件下,中央防撞护栏对上游桥面板处生成的旋涡影响很小,因具有更大尺寸和能量的脱落旋涡出现在模型下游,其振幅相对于3°风攻角的工况更大。当封闭顺桥向外侧护栏时,较大的负压区出现在上游桥面板背风侧,致使顺风向气流在顺桥向较为分散,从而降低了顺风向旋涡的能量;在桥面板负压作用下,边界层上部主流速度向主梁壁面下倾,加剧了旋涡的耗散,使得尾流中的旋涡尺寸和能量均有所下降,从而实现了对结构振动的抑制。结果表明:2种封闭措施在抑制涡激振动的机理上存在差异,在护栏开二闭一的措施下,旋涡在顺桥向的分量较大,且表面旋涡受主流下倾的抑制作用,从而降低了尾流第一对脱落涡的顺风向尺寸及能量;而在护栏开三闭一的措施下,上游桥面板的负压区较弱且位置后移,尾流旋涡能量低且强涡范围最小,上下表面压力差减小。
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  桥梁工程

  方钢管约束超高强混凝土短柱轴压承载力试验研究

  施伯超

  2024, 41(9): 180-189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.020

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  为探究方钢管约束超高强混凝土(UHSC)短柱的轴压受力机理与极限承载力计算方法的准确性,以混凝土抗压强度、钢材屈服强度、含钢率为参数,开展了试验研究和有限元分析;依据约束机理提出了短柱轴压极限承载力计算方法。结果表明:套箍系数是影响方钢管约束UHSC短柱轴压破坏模式的主要因素,小于0.83时表现为剪切破坏,大于等于0.83时表现为压溃破坏;通过荷载-位移曲线与荷载-应变曲线发现,在极限荷载前钢管的环向约束能力未被充分发挥,约束作用主要表现在极限荷载后,增加含钢率可有效提高试件破坏后的受压延性,含钢率最小的试件均出现荷载突降的现象,在设计方钢管约束UHSC短柱时,需要根据混凝土抗压强度匹配合适的约束力;由于普通混凝土与UHSC压拉比不同,在核心混凝土临近极限荷载前,UHSC塑性发展程度更低,降低了与钢管之间的相互作用,所以方钢管约束UHSC短柱极限荷载提高幅度小于内填普通混凝土的试件;基于Mander模型与中国标准的计算方法无法对套箍系数大于0.3的内填UHSC试件做出准确的评估,中国标准的计算误差更小,依据试验与有限元分析结果,引入约束折减系数后,可将计算偏差控制在10%以内。
隧道工程
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  隧道工程

  炭质板岩横观各向同性强度准则及参数辨识方法

  胡涛涛, 周红飞, 康志斌

  2024, 41(9): 190-197. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.021

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  为探究层理状岩石的横观各向同性力学特性,以炭质板岩为研究对象,通过室内试验和理论分析对其强度准则和参数辨识方法进行研究。首先,对水平与垂直层理岩样开展不同围压的常规单、三轴压缩试验,探讨不同应力状态炭质板岩的强度特性与破坏模式。其次,对比分析试验结果,建立适用于炭质板岩的横观各向同性弹塑性本构模型;基于Pariseau强度准则确定模型的屈服函数,用以描述炭质板岩不同方向的强度特性;基于相关联流动法则确定模型的塑性势函数,用以描述炭质板岩塑性变形阶段的流动方向。在各向同性假定下,该模型可退化为描述各向同性岩土材料的Drucker-Prager模型。最后,提出模型参数辨识方法,即通过常规三轴压缩试验和经验公式求解弹性参数;通过基于Duveau数值计算程序的最小二乘法常规三轴试验和直线型Mohr-Coulomb准则确定岩样的抗压、抗拉和剪切强度,再代入所推导公式求解塑性参数;结合试验结果验证了所提横观各向同性强度准则的合理性。结果表明:不同围压的水平岩样的抗压强度均高于垂直岩样,且抗压强度随着围压的增大基本呈线性增大;炭质板岩在压缩过程中多呈脆性破坏,水平层理岩样呈滑移-剪切破坏,垂直层理岩样呈张拉-剪切破坏。
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  隧道工程

  基于大型机械化的隧道长步距施工优化

  谭勇, 王爱春, 刘志强, 黄少雄, 刘明

  2024, 41(9): 198-206. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.022

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  现有规范规定的施工安全步距主要源于人工钻爆法隧道的工程经验与理论成果,难以与大型机械化设备相匹配,同时也制约了公路隧道机械化建造技术水平的发展。依托武深高速公路荷花隧道工程,提出了由三臂拱架安装机、全自动湿喷机械、自行式液压仰拱栈桥等组成的适用于III级和IV级围岩的大型机械化设备配套方案,确定了各类机械设备施工所需的长步距。采用三维数值仿真技术对比分析了规范步距与大型机械化设备施工所需步距(简称大机步距),在2种工况下围岩的变形规律与塑性区分布特征,对大型机械化设备在所需步距施工后的围岩变形与结构受力特征进行现场监测。结果表明:采用大型机械化设备施工时,初支封闭成环步距≤55 m,仰拱步距≤93 m,二衬步距≤151 m,远超现有规范;相比规范步距数值工况,大机步距工况下的围岩沉降和隆起量值更大,但最大沉降值仍小于设备预留变形量;大型机械化设备在所提步距施工后,现场监测发现拱顶最大沉降值＜15 mm,拱腰与边墙的水平收敛最大值分别小于12 mm和8 mm,均保持在设计允许范围之内,进一步验证了大型机械化设备在所优化长步距下的施工可行性与安全性。