2022年, 第35卷, 第10期　刊出日期：2022-10-20

  

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  中国公路学报. 2022, 35(10): 2-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2022, 35(10): 3-0.

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沉管隧道建设与运维关键技术专栏
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  沉管隧道运维技术发展现状综述

  丁浩, 景强, 闫禹, 张娜, 李旺林

  中国公路学报. 2022, 35(10): 1-12. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.001

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  为促进沉管隧道运维技术发展，通过文献调研、现场调查与数据挖掘等方法，系统梳理了沉管隧道的国内外概况、运营与病损情况、检测与评估技术、病害预防及处治等方面的技术成果。以沉管隧道用途、管节长度与埋置水深等关键信息为基础，阐释了其国内外发展概况；简述了沉管隧道运营现状，并重点对沉管隧道接头、主体结构、附属结构与设施的常见病损特征进行了数据挖掘；对隧道检测、监测与评估技术进行了对照剖析，阐述了目前国内外检测与评估技术的进步与不足；从前期预防与后期处治的双角度，阐述了沉管隧道的不均匀沉降、裂缝与渗漏水等常见病害的预防与处治；并从沉管隧道运维信息的角度，对其运维技术的发展趋势进行了展望。结果表明：沉管隧道建设已取得丰硕成果，但仍存在诸多运维技术难题；在役沉管隧道出现了过大(差异)沉降、裂缝、渗漏水等病损，其中管节不均匀沉降最为常见；沉管隧道检测仍以结构检测对象和传统周期性检测方法为主；沉管隧道评估诊断多侧重于沉降量控制标准的角度，考虑多因素综合角度的服役性能评估尚处于空白阶段；沉管隧道常见病害应坚持建设期预防和运营期处治双管齐下的对策。未来，沉管隧道运维将向运营环境全要素拓展，并更注重实时自动化监测技术、大数据智能评估技术与基于状态的养护策略等新技术。
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  沉管隧道纵向地震易损性分析方法

  禹海涛, 李心熙, 袁勇, 马超

  中国公路学报. 2022, 35(10): 13-22. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.002

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  目前沉管隧道抗震性能设计仅限于横断面分析，缺乏面向沉管隧道纵向抗震性能评估的地震易损性分析方法。为此，建立沉管隧道纵向地震易损性分析方法及评估指标。首先，合理考虑沉管隧道结构特征及接头构造，给出了纵向地震易损性分析模型，其中沉管管节结构采用宏观梁单元模拟，沉管接头采用细观精细化模型模拟，宏-细观模型之间需满足连续性约束方程，地层采用非线性弹簧单元模拟，并通过等效线性化方法来描述地层的非线性特征；其次，根据隧道所处场地的地震动特征选择合适的地震动输入，以及相应的地震动强度指标和结构损伤指标，建立基于增量动力分析的纵向地震易损性评估方法及分析流程，可以依据沉管隧道的不同极限状态定义获得用于纵向抗震性能评估的易损性曲线；最后，以某沉管隧道为应用实例，基于该方法建立了沉管隧道纵向地震易损性分析模型及评估指标，通过计算分析得到了表征隧道纵向抗震性能的地震易损性曲线，并开展多因素分析进而揭示了管节分段长度、地震动输入方向、地层-结构相对刚度比等关键参数的影响规律。结果表明：沉管隧道所处场地位置处的峰值速度是反映隧道纵向地震易损性特征的最优地震动强度参数；沉管隧道地震易损性与输入地震动波长有关，且管节长度与地震波长相近时地震易损性较小；随着地震动输入方向与隧道轴向夹角的增加，沉管隧道地震易损性逐渐减小，而垂直90°输入时相比水平0°输入最大降幅可达76%；地层-结构相对刚度比对沉管隧道纵向地震易损性影响显著，且随地层-结构刚度比的减小而逐渐增大。所提方法可为沉管隧道纵向抗震性能评估及地震风险分析提供科学依据。
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  钢壳-混凝土组合沉管结构抗剪试验

  李永轩, 宋神友, 金文良, 刘玉擎

  中国公路学报. 2022, 35(10): 23-35. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.003

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  深中通道隧道段采用钢壳-混凝土组合沉管结构(简称SSC组合结构)作为其主结构，隧道横断面抗剪性能成为该结构关键问题。为揭示该结构抗剪机理，基于深中通道沉管顶板局部构造及尺寸，以钢隔板间距、钢腹板间距为变化参数，设计3个缩尺比例为1∶2.5的SSC组合结构试件，开展抗剪试验及数值模拟分析。结果表明：与钢壳格室长高比2.20的试件相比，长高比1.10的试件抗剪极限承载力提高约21.3%；与格室宽高比1.88的试件相比，宽高比0.94的试件单宽抗剪承载力提高约43.4%，减小钢腹板间距、隔板间距能够提高SSC组合结构抗剪承载力；格室长高比2.20的试件破坏为混凝土腹部出现多条从支点到加载点的对角斜裂缝，并伴随加载点和支点处局部混凝土压溃；长高比为1.10的结构破坏为近跨中格室混凝土对角斜压破坏；SSC组合结构抗剪承载力主要由钢腹板和混凝土两部分分担，当长高比从2.20减小至1.10时，钢腹板分担的剪力几乎不变，但混凝土主压应变角度从约29.4°增大至约37.6°，混凝土分担剪力明显增加；钢腹板间距减小后，靠近腹板40%~50%截面高度范围内混凝土的主压应力增大，该范围以外的应力基本不变，表明钢腹板与内填混凝土间形成组合作用，能够提高腹板附近混凝土的承载性能。基于机理分析结果，提出了能够合理考虑组合作用的SSC组合沉管结构抗剪受力模型。
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  深中通道超宽钢壳混凝土沉管管节浇筑变形控制

  苏宗贤, 谭立心, 宋神友, 张长亮, 樊健生, 徐郁峰

  中国公路学报. 2022, 35(10): 36-46. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.004

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  深中通道沉管隧道是目前世界上单节管节最宽同时也是单个行车道孔最宽的公路沉管隧道，建设标准为双向八车道高速公路，部分超宽段甚至超过双向十车道，标准管节宽度为46 m，最宽管节的最大宽度达55.467 m。管节结构采用了在内外双层钢壳内填充高流动自密实混凝土的“三明治”复合结构形式，为此结构形式在中国的首次大规模应用。其管节预制精度要求高，在混凝土浇筑阶段的变形控制要求达毫米级。在混凝土浇筑过程中，为将管节内净空变形控制在10 mm以内，原设计要求在顶板浇筑过程中在管内行车道孔增设临时支撑杆措施。为此，应用精细三维有限元模拟管节的浇筑过程，考虑其三维力学效应及混凝土逐渐凝固后的承载能力，并结合混凝土浇筑布料设备的特点，寻求出满足变形验收条件和兼顾施工效率的最优浇筑顺序，并以此取消管内临时支撑杆措施的制约。最后，该浇筑顺序在首节管节E32(同时也是最宽管节)的浇筑预制中成功应用，实测结果与计算结果吻合，满足验收要求。该技术精准控制了管节浇筑阶段的变形，优化了管节预制和舾装的施工方案，取消了顶板浇筑过程的管内临时支撑杆措施，使每节管节内的一次舾装作业得以提前约1个月启动，并可与墙体和顶板浇筑作业并行，从而缩短了管节预制坞期，保障了总体工期。
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  深中通道沉管临时锚拉系统承载性能足尺模型试验

  闫磊, 韩恒, 贺拴海, 徐国平, 高亚斌

  中国公路学报. 2022, 35(10): 47-54. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.005

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  为了评估深中通道沉管水下对接时临时锚拉系统的承载安全性，利用模型试验的方法对锚拉系统的传力机理及安全冗余进行了研究。首先，利用数值方法对锚拉系统进行了仿真模拟，得到了目标荷载作用下各构件的响应并明确了加载分级标准；其次，制作了临时锚拉系统的1∶1足尺模型，利用自平衡加载的方式进行了变形及应力测试。为模拟施工现场偏差，对其设置横向及竖向各5 cm预偏量，采用千斤顶加载至结构屈服。试验结果表明：随着分级荷载的递增，锚板、肋板、拉杆应力及台座位移在结构屈服前均呈线性增长规律。当单根拉杆荷载递增至试验荷载1 000 kN时，试验台座相对位移量为5.6 mm，锚板及肋板的最大Mises应力分别达到183.1 MPa及187.5 MPa，距设计强度295 MPa和280 MPa有37.9%及33.0%的设计安全冗余；在1.4倍试验荷载下，试验台座相对位移量为7.7 mm，肋板最大Mises应力为285.3 MPa，已达到其设计强度，此时锚板最大Mises应力为258.5 MPa，设计安全冗余降为12.4%；在1.85倍试验荷载下，试验台座的相对位移量达到10.8 mm，肋板率先屈服，结构已经失效，此时锚板最大Mises应力为355.0 MPa，屈服安全冗余仅为9.0%，对应的拉杆应力为606.1 MPa，屈服安全冗余为27.4%。由此得出，该锚拉系统设计安全冗余较充足，建议将7.7 mm作为现场施工位移控制的参考值。研究成果可为同类沉管临时锚拉系统的设计及施工提供重要参考。
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  氯蚀环境下钢混沉管隧道结构时变性态研究

  李硕标, 丁文其, 黄煊博, 郭英杰, 张清照

  中国公路学报. 2022, 35(10): 55-64. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.006

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  作为重大公共交通基础设施，跨海沉管隧道需具备良好的耐久性能，但在海洋氯蚀环境下隧道结构寿命预测及结构服役时变演化特性方面的研究尚存不足。为此，根据氯离子在混凝土中的扩散规律及钢筋混凝土的氯蚀机理，推导了基于正常使用极限状态的沉管隧道钢筋混凝土衬砌在氯蚀环境下的寿命预测计算模型，并根据相关规范细化了该预测模型的主要参数。在此基础上进一步推导建立了隧道结构钢筋锈蚀率和混凝土弹性模量衰减的时变模型，用于计算不同服役时长下隧道结构钢筋和混凝土的材料参数并作为有限元模型的输入参数。最后，将隧道寿命预测模型及结构时变模型应用于大连某钢混沉管隧道工程，预测该隧道的服役寿命，并分析隧道衬砌材料及结构力学性态随服役时长的时变特性。研究结果表明：①隧道钢筋锈蚀率和混凝土弹性模量衰减率随腐蚀时长均呈现三折线加速上升；②随着服役(氯蚀劣化)时长增加，沉管隧道拱顶跨中位置的内力(弯矩、轴力)逐渐减小，而沉降变形逐步增加；③沉管结构塑性区先出现在结构受拉部位，且在混凝土表面锈蚀胀裂前塑性区基本未发生扩大，而在混凝土表面被钢筋锈蚀胀裂后开始逐步扩大，并在结构受压部位出现塑性区；④在沉管结构受压部位出现塑性区前结构受压部位的最大Mises应力随服役时长不断增加，而在结构受压部位出现塑性区后结构的最大Mises应力加速下降。
道路工程
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  膨胀土的二维膨胀各向异性试验研究

  张锐, 龙明旭, 刘昭京, 郑健龙, 刘正楠

  中国公路学报. 2022, 35(10): 65-74. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.007

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  为给膨胀土地区结构物设计计算提供关键参数，研制了二维膨胀仪，选取广西百色中膨胀土和湖北枝江弱膨胀土，制备不同干密度状态的试样，分别开展了恒体积膨胀力、单向膨胀和二维膨胀试验，分析和表征了竖向和侧向膨胀的规律，并比较了两向膨胀的差异性；通过扫描电镜观察，分析了产生膨胀各向异性的原因。结果表明：恒体积条件下最终侧向与竖向膨胀力之比，以及单向膨胀条件下最终侧向与竖向膨胀率的比值，均会随压实度发生变化，干密度越大两向膨胀力(或膨胀率)的差异性越大；两向膨胀力随膨胀应变的变化均表现出前期快速衰减、后期缓慢衰减的趋势，可用幂函数表征，但拟合参数不同；在二维膨胀条件下，竖向膨胀会影响侧向膨胀，不同程度竖向膨胀后的侧向膨胀规律同样可用幂函数表征，拟合结果表明竖向膨胀会改变拟合参数导致曲线形态的改变，继而影响侧向膨胀力随侧向应变的衰减幅度。干密度增大致使黏土矿物片状颗粒整体更趋向于水平定向排列，这是造成膨胀各向异性的主要原因。膨胀过程中土颗粒的重分布会导致各向异性不断变化，故难以通过竖向膨胀力预测侧向膨胀力，在进行相关计算时建议实测侧向膨胀规律。
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  改良花岗岩残积土崩解特性试验研究

  汤连生, 许瀚升, 刘其鑫, 孙银磊, 吴月琴

  中国公路学报. 2022, 35(10): 75-87. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.008

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  在华南地区循环湿热多雨气候的影响下,花岗岩残积土遇水极易崩解,诱发崩岗等地质灾害,对道路、桥梁等工程造成极大影响,因此常利用水泥、石灰和高岭土等固化剂对花岗岩残积土进行改良。为了进一步研究干湿循环条件下改良花岗岩残积土的崩解特性,采用自行设计的干湿循环崩解测试仪,开展华南地区干湿循环环境下改良花岗岩残积土的崩解试验,结合X射线衍射试验以及扫描电镜试验,研究固化剂对花岗岩残积土抗崩解性的改良效果,分析改良花岗岩残积土崩解机理。结果表明:干湿循环条件下,改良花岗岩残积土土样崩解过程可以分为4个阶段,即表层吸水剥落阶段、饱水软化阶段、饱和稳定阶段和完全解体阶段；干湿循环作用显著增大改良土崩解速率,部分试样崩解速率可达到原来的2~3倍,添加固化剂能有效增强花岗岩残积土的抗崩解性,完全崩解时长增加到素土的2~6倍；基于绿化角度,掺入高岭土对花岗岩残积土进行改良较为合适；素土以及改良土崩解过程中,土样黏土矿物(例如高岭石)含量减少,显著降低土样胶结作用,促进土样崩解的发生；花岗岩残积土内部孔隙大小分布不均匀的结构特征,使土样在崩解过程中产生吸力不平衡现象,较小的孔隙先被水填入,压缩土样孔隙内的空气,产生应力集中现象,这是土样崩解发生的内在驱动力。研究结果揭示了花岗岩残积土崩解机制,可为实际工程中对花岗岩残积土进行改良提供一定的参考。
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  基于微结构量化的含渐变带黄土各向异性特征研究

  包含, 马扬帆, 兰恒星, 彭建兵, 张科科, 许江波, 晏长根, 孙强

  中国公路学报. 2022, 35(10): 88-99. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.009

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  黄土层间界面稳定性问题突出，天然黄土层之间的交界面呈现渐变过渡形式。为研究黄土渐变带及相邻两土层的各向异性特征，以含黄土层、古土壤层以及两者之间渐变带的早更新世(Q₁)黄土为例，通过扫描电镜(SEM)获取各土层不同方向上的微观图像。对图像进行二值化处理，计算形状系数F、形态分维数D、概率熵H_m及定向频率P_i(α)等微观结构参数，分析3种典型土层在微观结构上的各向异性。此外，通过三轴压缩试验获得各土层不同方向上的抗剪强度参数，将微观结构参数和抗剪强度参数相结合，探究了两者之间的联系，揭示含渐变带Q₁黄土的各向异性差异表现。结果表明：①各土层微观结构均具有显著的各向异性，当平行于沉积方向时，孔隙和颗粒排列的定向性最好，与沉积方向45°斜交及相垂直时次之，但受风化作用影响各向异性表现程度有所差别；②当加载方向与沉积方向平行时，各土层的强度表现最高，而垂直时则最低，这种各向异性主要源于黏聚力的差异，并且会随着围压和含水率的增大而减弱；③黄土层和古土壤层的力学各向异性与内部微观结构的各向异性关系紧密，但是在渐变带土层中，这种关联性却表现较弱；④渐变带土层的力学规律性和整体强度均明显弱于上下土层，是土体力学稳定需要关注的重要层位。
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  振荡剪切荷载下沥青非线性黏弹性研究综述

  单丽岩, 齐小飞, 谭忆秋, 王大为, 王亚杰

  中国公路学报. 2022, 35(10): 100-113. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.010

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  沥青作为一种典型的黏弹材料，其黏弹性与路用性能密切相关，20世纪研究者们就开始关注并研究沥青的黏弹性。全面表征复杂条件下沥青的黏弹性，对于准确评价沥青路用性能具有重要的意义。实际应用中，沥青路面不可避免承受小幅及大幅振荡剪切荷载，沥青线性黏弹性与非线性黏弹性的研究同等重要，仅研究沥青线性黏弹性会导致沥青路用性能评价不准确。目前，基于稳态蠕变试验的沥青非线性黏弹性研究已基本成熟，但车辆对路面的实际作用模式为振荡剪切荷载，针对振荡剪切荷载下沥青非线性黏弹性的研究尤为重要。大幅振荡剪切试验是材料非线性黏弹性测试的主要方法，已成功应用于胶体、悬浮液等领域，而关于大幅振荡剪切荷载下沥青非线性黏弹性的研究则刚刚起步。为促进沥青非线性黏弹性的研究，综述了国内外大幅振荡剪切荷载下沥青非线性黏弹性的测试方法、分析方法及本构模型，指出了现有大幅振荡剪切荷载下沥青非线性黏弹性研究存在的问题，提出了未来沥青非线性黏弹性研究的建议。研究可为沥青非线性黏弹参数的确定、路用性能的评价及预测提供理论依据，同时为其他黏弹材料的非线性黏弹性研究提供一定参考。
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  基于固相萃取法结合顶空GC-MS技术的沥青老化机理研究

  王珊珊, 郑华宇, 朱建国, 郎利鹏, 王康

  中国公路学报. 2022, 35(10): 114-124. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.011

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  沥青老化是影响沥青路面使用寿命的重要因素之一，探究沥青的老化机理对于老化沥青再生和沥青材料的循环利用至关重要。当前中国对于沥青老化机理的研究主要集中于化学组分变迁和物理性能变化的阐述方面，对于老化沥青化学成分变化的研究较少。开发了一种沥青四组分分离方法-固相萃取法，其中软沥青和沥青质的分离借助了超声、高速离心和氮吹浓缩的方法，软沥青中的三组分分离则使用商品化的固相萃取柱进行分离，利用不同极性的溶剂对饱和分、芳香分和胶质进行依次洗脱分离，分离后的组分溶液经浓缩干燥后进行含量变化分析。组分含量分析结果表明，老化沥青的饱和分和芳香分含量减少而胶质和沥青质含量升高。为证明该方法的可行性，将其与传统四组分分离方法进行比较，发现该方法可以将有毒溶剂的使用量减少1个数量级，方法重现性好，且非常适合用作质谱等分析技术中沥青样本的前处理方法。在建立了固相萃取方法后，将其与顶空气相色谱质谱联用(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)技术结合，对固相萃取法分离得到的饱和分和芳香分中挥发性化合物进行了定性分析。结果表明：沥青老化前后饱和分中化合物类型变化并不明显，而芳香分中化合物类型变化较为显著，通过谱图比对共发现了14种差异化合物，其中萘、甲基萘、苯酚和甲基苯等化合物在老化沥青中未检测到，而含有羧基的化合物在老化沥青中明显增多。最后，借助红外色谱对质谱分析方法得到的试验结果进行了辅助验证，发现红外光谱得到的官能团总量变化结果与顶空气相色谱质谱得到的分析结果相一致。
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  自动驾驶对沥青面层寿命及养护成本影响分析

  宋明涛, 陈丰

  中国公路学报. 2022, 35(10): 125-134. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.012

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  自动驾驶车辆具有鲁棒的横向控制稳定性与居中车道行驶偏好，这将显著影响车辆轮迹横向分布。集中的轮迹分布将加速沥青路面车辙发展，应合理利用自动驾驶车辆横向控制，量化轮迹横向分布对路面车辙发展以及建设养护成本的影响。以浙江上三高速为对象，利用视频观测现阶段车道横断面车辆横向分布状态并测量路面车辙深度，提取了车辆横向分布基准参数；据此设计了几种轮迹分布函数并构建轮迹横向分布实施流程；通过室内试验采集材料参数，建立上三高速路面结构有限元仿真模型，分析了不同自动驾驶车辆比例以及横向分布函数下沥青罩面使用年限以及年均建设养护成本。研究结果表明：按照现阶段自动驾驶车辆小于10 cm的横向分布标准差，当车辆全部自动化后，路面车辙达到15 mm的年限将由11年多提前至8年，上三高速沥青罩面年均建设养护成本将增加37.4%(达到49.9万元/km)。随着横向分布标准差的逐渐增长，自动驾驶车辆的不利作用将会逐渐减弱；当其值大于25 cm时，自动驾驶车辆将有利于减缓路面车辙发展进程，且此时自动驾驶车辆的比例越高，减缓效果越明显；均匀分布状态下，路面车辙年限将推迟约3年(升至14年)，年均建设养护成本将减少约24.2%(降至27.6万元/km)。因此，合理控制自动驾驶车辆轮迹横向分布将有效降低沥青面层建设养护成本。
桥梁工程
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  独柱墩-固定式防船撞装置波浪荷载研究

  王君杰, 叶乔丹

  中国公路学报. 2022, 35(10): 135-146. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.013

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  以跨海航道桥梁安全为背景，进行独柱墩及独柱墩-固定式防船撞装置结构波浪力研究。开展室内缩尺试验，验证并校准Fluent三维数值模型的准确性和有效性。利用最小二乘法分解墩柱水动力为Morison方程的形式，计算得到结构水动力系数。考虑波浪高度、波浪周期、防撞装置断面形状和大小等影响因素，计算并拟合出墩柱水动力系数与相关因素间的定量关系。研究结果表明：固定式防船撞装置的存在增大了墩柱表面所受波压强，但不改变其总体分布趋势。当防撞装置断面为矩形，且波浪高度较大时，装置对墩柱受力特性的影响最明显。墩柱结构所受水动力中惯性力占主导，且可用均匀分布的惯性力系数来代替实际分布，独柱墩-固定式防船撞装置结构上的惯性力系数可以达到2.1左右。
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  钢-UHPC组合结构中PBL剪力键力学性能研究

  武芳文, 冯彦鹏, 罗建飞, 王广倩, 张景峰, 张岗

  中国公路学报. 2022, 35(10): 147-160. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.014

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  为探究钢-UHPC组合结构与普通钢-混组合结构中PBL剪力键力学性能的差异性，通过推出试验和有限元分析相结合的方法对其展开详细研究。首先，对9个UHPC试件和9个普通混凝土试件进行推出试验，根据2种混凝土试件中PBL剪力键的破坏形态、荷载-滑移曲线及应变分布规律揭示其失效机制及力学性能的差异，分析贯穿钢筋直径和钢板开孔数对PBL剪力键力学性能的影响；然后，采用试验结果验证的有限元模型开展参数分析，详细探讨UHPC强度、钢板开孔孔径、贯穿钢筋屈服强度和钢板厚度对PBL剪力键极限抗剪承载力的影响；最后，基于试验和有限元分析结果，提出考虑钢纤维的PBL剪力键极限抗剪承载力计算公式。结果表明：受钢纤维的影响，UHPC的裂缝发展受到限制，且较普通混凝土裂缝数量少、宽度小；UHPC试件中贯穿钢筋发生明显屈服,以剪切破坏为主；单孔PBL剪力键的极限抗剪承载力主要取决于贯穿钢筋直径，而受混凝土强度影响较小;多孔PBL剪力键的极限抗剪承载力主要取决于贯穿钢筋直径和混凝土强度；与普通混凝土试件相比，UHPC试件的抗剪刚度提升了2~3倍，双孔剪力键极限抗剪承载力约提高41%，三孔约提高56%；钢板开孔孔径、贯穿钢筋屈服强度和钢板厚度均是影响PBL剪力键抗剪承载力的因素；提出的PBL剪力键极限抗剪承载力计算公式计算结果与试验结果吻合度高。
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  大跨桥梁实测湍流风场的大涡模拟

  李威霖, 牛华伟, 华旭刚, 陈政清

  中国公路学报. 2022, 35(10): 161-171. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.015

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  为实现在大涡模拟(LES)中准确评估强风湍流对大跨桥梁的作用，关键难点在于生成符合桥梁真实强风特性的入口湍流。为此应用了一种新的规则化波矢量随机流生成方法PRFG³(Prescribed-wavevector Random Flow Generator)，该方法遵守连续性方程和泰勒假设，可准确模拟目标湍流的脉动风谱、湍流度和湍流积分尺度等风特性参数。首先利用西堠门大桥结构健康监测系统(SHMS)2016年内采集的风速数据，选取了该桥址区10 min时距平均风速较大但风特性不同的2个强风样本，分析得到相应的强风特性参数；然后采用PRFG³方法合成了符合上述2个实测强风特性的均质各向异性湍流，同时为验证该方法用于主梁节段模型LES入口湍流的适用性，还模拟了缩尺比为1∶50的强风湍流场，并基于OPENFOAM平台，将3类风场赋予LES入口进行了数值计算；最后将LES流场中多个监测点的湍流特性与实测结果进行了对比。研究结果表明：2个实测风场在顺风向、横风向、竖风向的脉动风谱均与Von Kármán谱接近，顺风向湍流积分尺度最大约为192 m，各脉动风分量近似符合正态分布；PRFG³方法产生的入口湍流在LES计算域内能正确传输，模拟的3类风场均有较好的均匀性，脉动风分量在各方向上的功率谱、湍流度和所有的9个湍流积分尺度均与相应的实测值吻合较好。相关湍流合成方法及LES设置可为大跨桥梁在实测强风湍流下的数值模拟研究提供参考。
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  基于预紧弹簧系统的桥梁挠度冲击系数量测方法

  王业路, 周勇军, 高徐军, 张鹏利, 赵煜, 黄平明

  中国公路学报. 2022, 35(10): 172-182. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.016

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  为了提高桥梁挠度及冲击系数测试的稳定性，在传统悬锤法基础上，基于弹簧预紧效应，提出了预紧弹簧法。首先依据车-桥耦合振动理论，以简支梁桥为对象推导了车辆-桥梁-预紧弹簧耦合振动方程，进行了室内试验和系统数值验证；在此基础上分别建立了车辆-桥梁-悬锤系统和车辆-桥梁-预紧弹簧系统的有限元模型，利用数值解法分析了横向风荷载对悬锤法和预紧弹簧法测量主梁挠度及冲击系数的影响；根据建立的车辆-桥梁-预紧弹簧耦合振动系统，研究了影响该方法精度的关键性因素,并给出系统参数选型优化经验公式。最后，以一座30 m预制装配式简支箱梁桥为例，在随机车载激励下，进行支架法、悬锤法和预紧弹簧法3种方法的对比试验。研究结果表明：预紧弹簧法与传统悬锤法相比，冲击系数受风荷载影响较小；无风环境下，预紧弹簧法易受铁丝抗拉刚度、弹簧刚度和悬挂长度的影响，而与初始预紧力值无关；通过合理选用参数，预紧弹簧法能够实现主梁与系统同相位振动；工程实例表明该方法与支架法挠度冲击系数平均误差为6.1%，精度高于悬锤法测量结果，该方法也可为桥梁结构静动载大位移测试提供借鉴。
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  基于特征熵权与样本加权的大跨桥梁多车道交通荷载聚类模型

  郭雪莲, 黄平明, 韩万水, 刘晓东, 袁阳光, 赵越

  中国公路学报. 2022, 35(10): 183-193. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.017

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  为满足交通流荷载作用下大跨桥梁结构评估的需要，研究了基于荷载参数特征的交通流状态划分方法。首先，基于实测交通流数据，按照车道属性统计分析得到交通流的单位小时特征参数样本，选择单位小时内车型比例、车头间距及交通流速度作为交通流状态划分的参考特征；其次，改进经典k-means聚类算法以增强其对高维、复杂交通流荷载分类的鲁棒性，即通过引入特征熵值来表征各特征参数对聚类效果的重要性，同时计算样本点与周围样本点的接近程度来赋予样本点权值，以削弱样本离散性对聚类质量的不利影响；最后，通过聚类算法得到11种具有不同参数特征的交通流荷载，分析了其作用下某大跨斜拉桥拉索应力响应及造成的疲劳损伤。结果表明：改进算法的聚类质量指标比原始k-means算法提高了40%以上，对交通流状态划分具有良好的适用性；通过算法得到的不同类别的交通流荷载的特征参数差异性明显，其占有率也大不相同，同一类别的交通流荷载各样本特征参数聚拢效果良好；同车道内不同类别的交通流荷载的拉索等效应力差别较大，其变异系数均在0.2以上，尤其在考虑了不同交通流荷载模型的占有率后，这种差异性进一步增大。上述结果表明该交通流荷载聚类与模拟方法是有效、准确的，对相关大跨桥梁结构安全及耐久性评估有一定的参考价值。
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  集簇式焊钉连接件抗剪承载力试验及计算方法

  邓文琴, 胡楷文, 刘朵, 赵兴宝, 查上, 张建东

  中国公路学报. 2022, 35(10): 194-204. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.018

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  为了深入研究集簇式焊钉连接件的抗剪性能，结合装配式钢混组合桥梁焊钉连接件布置特征，以焊钉层间距和焊钉排数为变化参数，设计并完成了5组共10个焊钉连接件的静力推出试验，并建立了25组集簇式焊钉连接件精细化有限元模型，提出了同时考虑焊钉层间距和焊钉排数引起的群钉效应的单钉抗剪承载力折减系数计算公式。试验和分析结果表明：集簇式焊钉连接件受剪作用下由于各排焊钉之间剪力传递的不均匀性出现分批剪断现象，焊钉层间距较小时，各层焊钉之间混凝土破坏区域发生重叠，削弱了焊钉的抗剪承载力；与单钉连接件的荷载-滑移曲线特征不同，集簇式焊钉连接件持荷段较长，呈现出较好的延性，其破坏阶段呈阶梯状分布规律，验证了各排焊钉之间的承剪不均匀现象；单钉平均抗剪承载力随焊钉层间距增大而增大，随焊钉排数的增加而减小，当焊钉层间距超过8d时，可忽略其对抗剪承载力的影响；受预制桥面板预留剪力槽孔尺寸限制，装配式钢混组合桥梁常用的集簇式焊钉连接件层间距取值为4d~8d，排数取值为3r~7r；基于推出试验和有限元参数分析结果提出了同时计入焊钉层间距和焊钉排数的集簇式焊钉连接件抗剪折减系数实用计算公式，可为装配式钢混组合桥梁中集簇式焊钉连接件的设计计算提供理论依据。
交通工程
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  面向智能车辆的现役道路设施行驶适应性研究综述

  于斌, 王书易, 马羊, 杨倩, 周雯, 刘晋周

  中国公路学报. 2022, 35(10): 205-225. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.019

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  为了总结面向智能车辆的现役道路设施行驶适应性，即现役道路基础设施承载智能车辆行驶的适宜程度，阐述自主智能驾驶定义与驾驶自动化等级分类，在此基础上剖析不同等级间的人机功能差异，并分别从感知层、感知-决策层、决策-控制层探讨与道路设计要素相关联的人机功能差异，通过归纳总结智能车辆与道路几何要素、路面性能及其他道路要素(如道路标线)的相互作用机制研究，从道路工程角度及其他道路要素方面回顾该领域的研究现状，指出存在的问题和未来发展方向。研究结果表明：相比传统车辆，配置高等级自动驾驶系统的智能车辆对现役道路设施行驶适应性最高，主动安全系统次之，而驾驶辅助及有条件自动驾驶系统适应性不足。而目前研究主要问题包括：难以归纳、标定不同驾驶自动化等级间的人机功能差异及其对于道路设计参数的需求设计值；测试道路场景条件过于理想，考虑的驾驶自动化等级单一，试验规模和样本有限；道路几何、路面性能以及道路标志、标线等道路要素与智能车辆间的相互作用机制研究不足，缺乏与不同道路场景相匹配的智能车辆驾驶特征数据的获取手段。因此建议：重视并推动与道路设计要素相关联的关键人机功能差异指标信息共享；联合高保真且可交互的道路场景、高精度感知传感器物理模型、车辆动力学模型及微观交通流模型，利用测试场景自动化生成、极限工况场景搜寻与泛化等技术开展智能驾驶虚拟测试，突破现有研究的深度和广度；探索反映不同等级智能车辆的道路行驶适应性特征指标与评价标准，精准、有效地评估预测复杂道路场景及不利道路条件下的行驶适应性。
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  考虑车车与车路通讯并存的路侧单元优化布设方法

  龚思远, 赵璐, 武亚龙, 孙康, 赵祥模, 徐志刚

  中国公路学报. 2022, 35(10): 226-243. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.020

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  路侧单元(Road Side Unit,RSU)作为车路协同系统(Cooperative Vehicle Infrastructure System,CVIS)中路侧感知控制网与网联化车辆自组网的重要节点，其布设方案对车路交互效能、系统建设成本与协同服务水平均产生较大影响。现有RSU优化布设研究主要基于车路(Vehicle to Infrastructure,V2I)通讯，忽视了车车(Vehicle to Vehicle,V2V)通讯的转发和中继作用，也缺乏对RSU设备及线网布设成本的相关考量。针对上述问题，面向V2V和V2I通讯并存环境，考虑信息覆盖正向收益与设备/线网布设负向收益，构建面向综合收益最优的RSU布设方案优化模型。首先结合信息流-交通流耦合模型获取传播时间矩阵，提出权重约束可达性算法，构建布设方案与信息覆盖正向收益之间的关系方程。然后针对动态最优布设方案条件下的最优线网布设问题，提出改进的最小生成树模型，并以此设计综合收益最优的RSU优化布设模型。最后，基于井字形算例路网，进行模型验证和关键系数敏感性分析；并基于Sioux Falls路网，将所提出的模型与现有未考虑信息流-交通流耦合特性的RSU优化布设模型进行对比。研究结果表明：所构建的布设方法可较好地反映实际信息流传播状态，覆盖率误差在5%以内；RSU最优布设方案与交通流运行状态密切相关，交叉口及路段中节点均有成为最优节点的可能；RSU布设方案将受线网/设备布设成本和信息生命周期的直接影响；对比现有模型，在Sioux Falls路网和所给定参数的条件下，所提方法在信息覆盖率和布设后的综合收益方面相较现有方法均提升了30%以上。
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  信号交叉口行车风险场建立及车辆通行行为优化

  宗芳, 石蕊, 刘怿轩, 任园园, 郑雪莲

  中国公路学报. 2022, 35(10): 244-253. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.021

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  随着汽车逐步向智能化、网联化发展，智能网联车辆逐步进入实际应用阶段。进行智能网联车辆的通行行为优化，对提升驾驶安全性和行车效率，避免事故发生和交通拥堵至关重要。车辆在通过交叉口时将受到很多环境及运动因素的影响，而现有的通行优化模型难以准确表达各类因素共同作用下的行驶环境。为此，基于风险场理论建立由环境场和运动场组成的信号交叉口行车风险场，表征信号交叉口中每点的实时行车风险程度，从而引导车辆驶向风险值低点，并提供下一步长的位移及速度指引，实现车辆的动态轨迹优化及速度控制。典型场景下的仿真结果表明：在优化模型的控制下单车的信号交叉口通行效率明显提升，其中直行方向车辆单车平均通行效率提升最高，平均提升6.35%，通过对交叉口面积内所有车辆进行通行行为优化，交叉口通行效率提升了9.3%，这表明所建模型可以准确表达交叉口行车环境并优化车辆通行行为。研究结论可应用于自动驾驶车辆的交叉口通行控制，并为网联环境下的行车环境表达和安全驾驶控制提供模型基础。
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  基于L-偏度和L-峰度的行程时间可变性表征方法

  陈瑞雅, 许项东

  中国公路学报. 2022, 35(10): 254-267. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.022

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  为了定量化测度行程时间可变性右偏且长尾的实证特征，考虑实际观测中可能存在的数据样本量不足和离群值干扰问题，提出基于线性矩的L-偏度和L-峰度用于精确表征行程时间可变性。考虑到线性矩是顺序统计量期望的线性组合，给出了避免遍历所有子样本的线性矩估计方法。根据线性矩概念，探究了L-偏度和L-峰度的数学含义和其表征行程时间可变性的有效性，以及样本L-偏度和L-峰度的计算方法。理论研究发现，在表征范围和样本估计质量方面，相较于传统偏度和峰度，L-偏度和L-峰度对行程时间可变性具有更加优越的表征能力。采用深圳市车牌照识别系统的行程时间数据集进行案例分析，从无偏性、鲁棒性和有效性3个维度证明了L-偏度和L-峰度相较于传统偏度和峰度的优越性。分析结果如下：样本L-偏度和L-峰度在样本量不足时仍然是总体近似的无偏估计，而传统偏度和峰度的系统性误差较大；L-偏度和L-峰度对离群值具有鲁棒性，而传统偏度和峰度对离群值过于敏感；样本L-偏度和L-峰度对总体的估计波动小且精度高，具有良好的估计有效性；L-偏度和L-峰度分别与传统偏度和峰度有较高相关性，但又能够辨识出不同时空下行程时间可变性分布的差异。基于L-偏度和L-峰度所表征的行程时间可变性信息，出行者、规划者和管理者能够更加精准地认知不确定性的路网运行状态，从而做出更合理的行为选择和优化决策。
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  考虑多目标的城市停车换乘选址优化模型及算法

  赵芳, 四兵锋, 汪勤政, 温昕

  中国公路学报. 2022, 35(10): 268-279. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.023

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  停车换乘选址问题是城市交通网络设计研究的重点领域，已有研究的优化目标多集中在系统总费用方面，而对交通可持续发展方面考虑不足。为此，提出综合考虑多方面目标的停车换乘设施选址优化模型及其求解算法。首先，基于超网络理论，提出多方式城市交通系统的超网络模型并定义O-D (Origin-destination)间的超路径、有效超路径及子路径，结合出行者出行过程及交通网络拥挤特征，给出超路径费用的数学表达；其次，基于多方式交通网络随机均衡配流结果，构建交通总阻抗、污染物排放量以及交通系统公平性等系统优化指标的计算模型，并建立用以描述停车换乘设施选址问题的多目标优化模型；进而，以多目标系统优化模型为上层问题，以超网络下满足Logit分配的多方式交通网络配流模型为下层问题，构建描述城市多方式交通系统停车换乘设施选址问题的双层规划模型，并基于模型特征，结合“记录-搜索”思想设计非支配排序遗传算法进行求解；最后，基于Sioux Falls网络设计算例。研究结果表明：算法能够在有限的步骤内搜索到90%以上的Pareto最优解；平均而言，停车换乘措施使得交通总阻抗减小了0.31%，污染物排放量减少了7.32%；被优化的3个目标之间无直接关联，说明将停车换乘选址问题建立为多目标模型是必要的。模型与算法可为现实城市中的停车换乘设施选址优化设计提供解决思路。
汽车工程
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  磁流变减振器极限高低温特性及变温正逆模型

  梁冠群, 赵通, 吕靖成, 危银涛

  中国公路学报. 2022, 35(10): 280-289. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.024

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  磁流变减振器阻尼力和电流的精确控制是实现半主动悬架的算法、达到整车系统控制目标的必要条件，但由于磁流变液的温度敏感性使得磁流变减振器阻尼力强烈依赖温度变化，带来模型失配和控制效果弱化的问题。基于此进行磁流变减振器在不同电流和速度下的高低温(-40℃~80℃)示功试验研究,揭示磁流变减振器在低温下丧失阻尼特性而表现出刚度特性，在高温下黏滞阻尼退化的特性规律。为了描述磁流变减振器随温度变化的复杂非线性特性，提出一种新的磁流变减振器变温参数化双曲滞回模型，该模型引入温度作为自变量，对磁流变减振器黏滞阻尼、刚度及滞回特性进行准确描述。为了面向实际减振器控制，在此双曲滞回模型的基础上，进一步线性化求逆得到磁流变减振器温度修正的逆模型。该逆模型输入预期阻尼力和减振器压缩速度作为自变量，可以直接给出满足减振器力值约束的控制电流。研究结果表明：相较于未进行温度补偿的逆模型，该逆模型能够平均提升12.79%的电流控制精度以及12.53%的控制力跟踪精度；进行温度修正的模型能够在仿真中还原更真实的磁流变减振器力学特性，逆模型能够给出更精确的控制电流，为充分发挥磁流变减振器的能力、实现车辆的半主动悬架精确控制提供了理论和方法指导。
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  用于儿童头部损伤生物力学研究的碰撞理论模型建立及验证

  李志刚, 宿仲情, 王家伟, 纪程

  中国公路学报. 2022, 35(10): 290-298. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.025

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  机动车事故和跌落等碰撞工况是造成儿童头部受伤的重要原因，研究碰撞过程中儿童头部的动力学响应对于头部损伤的预测具有重要意义。头部动力学模型能够快速预测不同碰撞场景下头部动态响应结果并进而预测头部损伤风险。首先，建立考虑颅骨及皮肤厚度和形态曲率的儿童头部碰撞理论模型用于预测儿童头部在碰撞工况下的响应。然后，通过儿童头部CT扫描提取颅骨及皮肤几何结构，对颅骨和皮肤三维重建后进行分割和定量离散，分别得到能描述颅骨内侧、颅骨外侧及皮肤形态的离散点集群，通过计算得到碰撞点周围的平均曲率与厚度，基于建立的头部碰撞理论模型可计算不同碰撞位置(不同厚度和曲率)的碰撞力。最后，通过碰撞试验对建立的碰撞理论模型进行验证，使用不同年龄的小型猪头部作为儿童头部的代替品进行碰撞试验，将试验结果与上述建立的理论模型对小型猪头部碰撞响应的预测结果(基于小型猪头部的真实的形态曲率、皮肤和颅骨厚度数据)进行对比。研究结果表明：建立的理论模型可以较为准确地预测碰撞脉宽和最大碰撞力；提出的儿童头部碰撞动力学理论模型能够快速预测头部不同碰撞位置的动力学响应，可以为儿童头部损伤的进一步研究提供参考和理论支撑。
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  基于点特征的车载LiDAR与GNSS/IMU联合标定方法研究

  唐小林, 张志强, 王杰, 张娜, 王章宇, 余贵珍

  中国公路学报. 2022, 35(10): 299-307. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.026

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  激光雷达(LiDAR)、全球导航卫星系统(GNSS)与惯性测量单元(IMU)之间的外部参数标定精度是影响多传感器融合及高精度地图的主要因素。基于此，提出一种适用于无人车的LiDAR与GNSS/IMU标定方法，该方法可实时提取标定板点云中心坐标，并利用点特征进行外部参数标定。首先，分析了LiDAR、GNSS、IMU及通用横墨卡托格网系(UTM)坐标系的变换关系；其次，基于IMU安装平面与地面平行的假设，通过车辆前方地面的法向量计算LiDAR俯仰角和滚转角的初值，并利用标定板中心偏移量计算偏航角初值；然后，假设车辆在平面上保持直线运动，采用恒定姿态运动将旋转角度的求解问题转化为最优化问题，并根据标定板UTM坐标不变的约束求解出平移参数；最后，通过分析算法误差、传感器测量误差以及中心点匹配误差验证了方案的可行性，并通过无人矿车采集LiDAR、GNSS和IMU的同步数据，对所提出的外部参数标定方法进行测试。试验结果表明：提出的方法只需要一定范围的平坦区域和标定板就可以解决3自由度运动估计6自由度外部参数的退化问题，且标定后的外部参数可以保证点云地图在20 m内的拼接误差小于20 cm。
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  基于多特征融合的行人意图以及行人轨迹预测方法研究

  曹昊天, 施惠杰, 宋晓琳, 李明俊, 戴宏亮, 黄智

  中国公路学报. 2022, 35(10): 308-318. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.10.027

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  行人作为重要的交通参与者，其行走意图和轨迹预测对智能驾驶汽车的决策规划具有重要意义。基于注意力机制增强的长短时记忆(Long Short-term Memory，LSTM)网络，设计一种多特征融合的行人意图以及行人轨迹预测方法。该方法通过融合行人骨架和头部方向特征，以加强行人运动特征的表达，并将融合特征作为意图预测网络输入，继而得到行人意图；由于行人运动具有不确定性，将行人意图预测类别和历史轨迹坐标的联合向量作为行人轨迹预测网络的输入，以期生成更为精确的轨迹预测结果。此外，在轨迹预测网络中引入注意力机制，以加强LSTM对各个时刻编码向量的有效利用，从而提高网络的行人轨迹预测性能，并基于Daimler数据集进行训练及验证。研究结果表明：所提出的多特征意图预测方法准确率可达96.0%，优于基于骨架单特征的意图预测网络；在预测时域为1 s的情况下，预测轨迹的位置均方根误差为347 mm，相较于恒速度(Constant Velocity，CV)模型、交互多模型(Interacting Multiple Model，IMM)、常规LSTM等基线方法均有明显的提升；在实际场景分析中，提出的方法可提前0.56 s识别行人的转弯意图，可为智能车辆的决策模块提供有益线索；提出的方法能够有效降低行人意图转变过程中的轨迹预测误差，对减小车辆与行人碰撞事故，提高智能车辆行驶安全性具有重要意义。