2022年, 第35卷, 第7期 刊出日期:2022-07-20
  

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  • 中国公路学报. 2022, 35(7): 0-0.
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  • 中国公路学报. 2022, 35(7): 2-0.
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  • 中国公路学报. 2022, 35(7): 3-0.
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    随着互联网、云计算、大数据等信息技术的发展,人们对交通基础设施智能化的需求更加迫切。以服务未来智慧交通为目标的智能道路基础设施成为了当代交通领域发展的重要方向,其中,智能感知是智能道路基础设施研究方向的基础和前沿。智能感知道路是通过特定的感应通讯、数据网络和材料结构系统设计,实现具有主动感应、自动辨析、自主调节和动态指示等服务功能的道路基础设施。智能感知道路对路面环境、力学、交通等状态的感知研究,可为评价道路服役状态,降低安全风险提供保障;对路面诊断修复的研究,可为延长道路使用寿命,降低养护成本提供依据;对路域能量转换与采集的研究,可为交通能源融合发展,实现节能减排的战略目标提供借鉴。智能感知道路研究对于我国道路基础设施服务水平的本质提升和交通强国建设与发展具有重大而深远的意义。
    近年来,众多学者在道路基础设施感知信息解析,多源数据处理,感知材料设计和智能铺装结构设计等方面取得了丰富的成果,为提高我国道路基础设施智能感知水平和加快交通基础设施智能化发展提供了重要的理论指导和技术支持。为充分展示智能感知道路领域的最新研究成果,引领该领域的发展方向,推动理论与技术创新,《中国公路学报》编辑部邀请长安大学蒋玮教授、哈尔滨工业大学徐慧宁教授、北京航空航天大学李峰教授、东南大学马涛教授、同济大学朱兴一教授、武汉理工大学刘全涛教授作为组稿负责人,共同向该领域的知名专家、学者约稿,出版本期“智能感知道路”专栏,回顾、总结和推广我国智能感知道路领域的最新成果,展望该方向的发展趋势。本专栏共收到相关理论、技术、方法、试验研究及综述等论文40余篇,最终录用9篇。研究内容集中于以下几个方面:
    (1)综述。梳理总结了感应充电路面技术、融合感知特性的道路铺装结构设计体系、冰雪路面摩擦特性与运营风险管控等方面的最新研究成果和发展趋势。
    (2)自感知道路及其配套的感知系统技术。主要内容包括:路面低温变色复配物的制备及热色特性研究、环氧树脂基自发光路面材料设计与性能研究、基于分布式光纤的混凝土路面振动场感知与解析等。
    (3)自修复路面及其诊断系统技术。主要内容包括:石墨烯微胶囊沥青双机制愈合机理研究等。
    (4)自俘能路面及其能量转换系统技术。主要内容包括:基于应用环境的路用压电俘能单元尺寸优化与性能评价、智能道路无线充电系统耦合线圈互操作性分析等。
    智能感知道路相关理论、材料、结构的研究,将有力地推动我国以智能为重要特征的新型交通基础设施的理论研究与工程实践,为加快交通强国建设提供有力支撑。《中国公路学报》将持续关注该领域的国内外最新研究进展,以期为广大专家、学者及工程技术人员提拱学习、交流的平台,促进我国智能道路基础设施领域的高质量与可持续快速发展。
  • 智能感知道路专栏(综述)
  • 谭忆秋, 李济鲈, 徐慧宁
    中国公路学报. 2022, 35(7): 1-17. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.001
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    冰雪路面的交通安全问题一直是中国交通行业面对的难题,对冰雪路面运营风险进行智能管控是保障交通安全的有效途径。为了推动冰雪路面智能管控技术的应用,明确研究中的关键问题和未来发展方向,综述了国内外冰雪路面智能管控的相关研究进展。首先,阐述了冰雪对交通带来的影响,揭示了人、车、路三者与交通事故的关系,明确了冰雪路面交通事故的根本诱因是由冰雪导致的路面摩擦特性下降;然后,讨论了冰雪路面的胎-冰-路摩擦机理、影响因素、预估模型及其评价方法;进而,对比分析了路表冰雪状态感知技术的多种原理及其适用性,提出了可以用于智能管控的冰雪感知技术要求;最后,总结归纳了常见的冰雪路面运营的静态、动态风险管控方式,其中静态管控方式包括气象法、历史事故数据法和力学特性法,动态方式包括动力学特性法、交通流特性法和综合风险分析法,综合风险分析法可以表征道路运营风险的多因素动态变化,是未来冰雪路面智能管控的主要方式。
  • 刘朝晖, 柳力, 李文博, 胡力群, 肖倩, 张蓓, 魏亚, 黄优, 李盛
    中国公路学报. 2022, 35(7): 18-35. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.002
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    为促进道路基础设施的智能化,实现道路铺装结构的智能感知功能,综述了融合感知特性的道路铺装结构设计体系的研究进展和发展趋势。首先归纳了道路铺装感知信息组成,包括路域环境感知、车辆荷载感知、路表功能感知和结构响应感知,在此基础上,提出了道路铺装结构分级感知设计思想;针对目前道路铺装感知设计不完善的问题,初步构建了融合智能感知特性的道路铺装结构设计体系;最后提出了融合智能感知特性的道路铺装结构设计和应用中存在的问题,并对其发展和应用前景进行了展望。研究结果表明:道路铺装结构的感知设计应综合考虑道路等级、区域环境、服务需求、工程造价和发展趋势等因素,依据“安全优先、分层递进”的思想进行分级设计,融合智能感知特性的道路铺装结构设计体系应涵盖感知系统、材料设计、布设组合、感知性能保持、计算理论和设计指标及要求等内容;在融合智能感知特性的道路铺装结构设计和应用过程中,存在着感知特性的设计内涵不明确、感知技术的实施标准不统一、感知铺面结构的性能保持技术不健全和感知数据处理与应用不标准等问题,未来其在公路长期性能观测科学网的建设、道路科学合理养护决策的制定和适用于中国的长寿命路面设计方法的研发等方面具有广阔的应用前景。
  • 马涛, 裴耀文, 陈丰, 李岳, 刘可欣
    中国公路学报. 2022, 35(7): 36-54. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.003
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    以感应充电技术(Inductive Power Transfer,IPT)为主要特征的充电路面(Electrified Road,e-Road)近年来发展迅速,其可为行进中的电动汽车进行动态无线充电,有效解决电动汽车充电时间过长、续航里程不足等问题,是支撑未来公路交通电气化发展的重要储备技术。详细介绍了IPT系统的工作原理和性能特点,并总结了已有e-Road试验段的充电性能参数和技术就绪度水平。在此基础上,进一步从基础设施角度剖析了e-Road目前存在的主要工程问题及相关研究进展,内容包括:①深入分析了IPT系统工作时因高频磁场通过介电性路面材料所引起的电磁损耗对IPT系统充电效率的影响,并提出了可能的解决方法;②针对充电模块与普通沥青路面存在的力学兼容性问题,从结构受力原理、材料损伤特性等方面总结了e-Road复合结构产生力学损伤加剧效应的原因,并提出了耐久性优化措施;③针对e-Road环境可持续方面存在的不确定性,评估并对比了e-Road与传统道路的全生命周期环境效益,指出了e-Road环境性能研究对电动汽车全生命周期综合效益估算的重要性。此外,还从政策支持、安全性、价格因素等角度对e-Road进行了综合可行性评估,并对充电路面基础设施的未来发展进行了智能化展望,提出了e-Road与其他新型智能道路技术进行有机融合的可能途径。
  • 智能感知道路专栏(自感知道路及其配套的感知系统技术)
  • 徐慧宁, 王浩达, 冀卫东, 石浩, 韦赟豪, 谭忆秋
    中国公路学报. 2022, 35(7): 55-66. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.004
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    为提升路面冬季运营安全,实现路面低温动态预警,开展了路面低温变色复配物的制备及热色特性的研究。考虑变色温度、变色色差,确定了低温变色复配物各组成材料;通过改变各组分用量,讨论了其对变色复配物热色特性的影响规律;基于加权优序法优选出变色复配物的最优组成比例;在此基础上,通过差示扫描量热法和红外光谱试验揭示了变色复配物的显色机制,并将变色复配物应用于变色标线的制备中,体现出了良好的变色性能与耐久性,验证了变色复配物在道路工程应用的可行性。研究结果表明:显色剂种类决定变色色差,溶剂种类决定变色温度,随着显色剂用量的增加,变色复配物的变色色差和变色温度均减小,随着溶剂用量的增加,变色复配物的变色色差先增加后减小,变色温度升高;通过加权优序法确定隐色剂、显色剂、溶剂的最佳质量比为1∶1∶20;变色复配物的热变色行为是由温度主导的结晶紫内酯与正癸醇之间的相互竞争引起的,低温时结晶紫内酯争夺得到更多的双酚A使体系有色,高温时正癸醇俘获较多的双酚A使体系无色,通过室外耐候耐久试验、磨耗试验、耐污试验证明了变色标线具有良好的变色效果和耐久性。
  • 蒋玮, 白灵强, 周博, 吴旺杰, 沙爱民
    中国公路学报. 2022, 35(7): 67-77. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.005
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    路面的夜间能见度是影响行车安全性的关键因素,开发应用具有自蓄能自发光特征的新型发光路面材料对提升路面功能与行车安全性具有重要意义。通过引入SrAl2O4:Eu2+,Dy3+铝酸盐基长余辉材料,并以具有透光效果的环氧树脂作为胶结料设计了一种超薄磨耗层形式的环氧树脂基自发光路面材料,根据拉伸强度与断裂伸长率明确了胶结料各组分的最佳配比,基于抗折强度与空隙率确定了混合料中胶结料的最佳用量,并设计了6种不同长余辉材料掺量的混合料,测试了室内与室外不同光环境下的自发光路面材料的余辉特性并评价了其路用性能和长期耐久性能。研究结果表明:环氧树脂结合料各组分的最佳配比(质量比)为环氧树脂∶增韧剂∶固化剂=1∶0.11∶0.17,且混合料中其最佳用量为9%;自发光混合料的余辉衰减存在前期的快速降低和后期的相对稳定2个发展阶段,并且长余辉材料掺量与余辉亮度存在线性关系,此外粒径较大的长余辉材料更有利于混合料的余辉效果;不同激发条件仅对自发光混合料的初始发光效果有明显影响,经过快速衰减阶段后不同激发条件的自发光混合料亮度趋于稳定且一致;环氧树脂基自发光材料具有优异的高温稳定性能、低温抗裂性能和表面抗滑性能,并且紫外老化对其力学性能影响十分有限;较长时间(7~21 d)的浸水会降低自发光混合料的发光效果,但发光效果不会随着浸水时间的继续增加而持续降低,这是由于环氧树脂包裹长余辉材料而隔绝了水分,证明了环氧树脂基自发光混合料具有良好的耐久性能。
  • 曾孟源, 赵鸿铎, 边泽英, 李琛琛, 吴荻非
    中国公路学报. 2022, 35(7): 78-90. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.006
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    感知并解析路面振动可为智能车路系统提供健康诊断、定位循迹、风险预警等多功能服务,有效驱动路面智能化。通过优化分布式光纤器件设计与阵列布设,研发了水泥混凝土路面振动分布式感知系统;利用短时能量分析、功率谱分析等构建了振动时间-空间特征、频域-空间特征的场式表达方法;基于短时能量时空场、功率谱频空场,提出了水泥混凝土路面振动时空响应特征、全局频域特征的变维度解析方法;并于同济大学足尺试验场进行实测验证。结果表明:①荷载位置显著影响短时能量时空场,短时能量峰值坐标能灵敏地反映荷载位置变化,且相比线形光缆,由光纤环阵列组成的感知系统具有更高的空间分辨率(0.35 m);②相同荷载激振下,振动分布式感知系统与商用高精度加速度计测试结果相近(频峰识别误差小于1 Hz,空间振型置信度大于0.9),且在多点重复测试下具有较高稳定性;③面板模量显著影响功率谱频空场,模量越大前4阶频率越大,且增幅随阶次增高而愈发显著,该实测现象与理论分析吻合,且在6块板内测得相同趋势。该振动分布式感知系统能够准确、稳定地感知路面振动场时间、空间、频域信息;振动场变维度解析方法能够有效、可靠地解析时空响应特征、全局频域特征。
  • 智能感知道路专栏(自修复路面及其诊断系统技术)
  • 张恩浩, 刘爽, 单丽岩, 王英园, 谭忆秋
    中国公路学报. 2022, 35(7): 91-99. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.007
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    石墨烯微胶囊沥青是一种具有较强自愈能力的新型先进路面材料。为分析石墨烯微胶囊对沥青自愈性能的影响,采用试验与模拟相结合的手段对石墨烯微胶囊沥青的愈合机理进行了研究。首先,基于动态剪切流变仪测试了石墨烯微胶囊沥青的自愈性能;然后,借助红外光谱、荧光显微镜和分子动力学模拟分析了石墨烯微胶囊沥青的“自修复”愈合机理;最后,借助动态剪切流变仪对“自修复-热诱导”双机制下石墨烯微胶囊沥青砂浆的自愈机理进行了分析。研究结果表明:石墨烯微胶囊的加入能够显著提高沥青自愈性,掺量和间歇时间增加均能显著提升石墨烯微胶囊沥青的自愈合效果;“自修复-热诱导”双机制作用下石墨烯微胶囊沥青砂浆自愈性能明显强于“自修复”单机制作用。“自修复-热诱导”双机制愈合机理为:裂缝处石墨烯微胶囊破裂,再生剂流出填充裂缝并促进裂缝快速融合;同时,石墨烯微胶囊囊壁的石墨烯与碳纤维形成导电通路,在电流作用下产生热量,加快了沥青分子与修复剂分子的扩散速度,进一步促进了裂缝的愈合。
  • 智能感知道路专栏(自俘能路面及其能量转换系统技术)
  • 王朝辉, 贾小东, 王帅, 余功新
    中国公路学报. 2022, 35(7): 100-112. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.008
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    为提高路用压电发电装置内部堆叠式压电俘能单元在电-力-环境方面的综合性能,基于电学理论优选了压电俘能单元结构尺寸范围,基于应用工况的力学响应优选了力学特性良好的压电俘能单元结构尺寸,系统研究了不同道路交通条件下不同结构尺寸路用压电俘能单元电学性能,揭示了不同道路温湿环境下压电俘能单元电学性能变化规律,探明了不利循环交通荷载条件下路用压电俘能单元抗疲劳性能,并明确了路用压电俘能单元极限抗压强度。结果表明:堆叠式压电俘能单元电学性能及力学特性受其结构尺寸影响明显,兼具较高电学与较优力学特性的压电俘能单元尺寸范围为直径15 mm、厚度30 mm、堆叠层数25~30层(Φ15-30 mm-25~30),其中Φ15-30 mm~25压电俘能单元在不同道路交通条件下电学输出水平更高,3.5 kN~8 Hz工况下其输出电压和输出功率可达176 V、192.2 mW;20℃~60℃温度范围内其输出电压变化率为17.9%,而50%~100%湿度范围内其输出电压变化率达84.1%,实际应用中可适当采取一定的封装隔温保护及必要的封装隔湿保护;压电俘能单元抗疲劳性能良好,3.5 kN~8 Hz不利交通组合、10万次循环加载后其输出电压最大变化率仅为1.2%,最大变形量仅为1.8 mm;压电俘能单元极限抗压强度达188 MPa,远高于道路荷载水平,能够满足道路应用要求。研究结果可进一步提高路用堆叠式压电俘能单元综合性能,推动道路压电发电技术实际应用进程。
  • 杨阳, 张久鹏, 曹元博, 孙国庆, 胡哲
    中国公路学报. 2022, 35(7): 113-125. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.009
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    无线充电线圈的互操作性是智能道路无线充电系统的关键性能指标。为分析耦合线圈的互操作性,首先建立了无线充电系统及耦合线圈的仿真模型,选取了3种不同形状和对应尺寸的线圈作为发射线圈和接收线圈,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,分别分析了不同形状和尺寸以及不同组合形式线圈对无线电能传输系统效率和耦合线圈互操作性的影响。另外,采用MATLAB/Simulink对无线充电系统的传输效率进行了仿真分析。为验证仿真结果的准确性,对无线电能传输的试验装置进行了测试验证。研究结果表明:随着线圈传输间距的不断增加,线圈的自感不变而互感不断降低,同时其耦合系数和系统的输出效率也会随之减小;圆形线圈的互操作性优于方形线圈,其中方形-方形耦合线圈互操作性最差,圆形-圆形耦合线圈互操作性最优,其最大传输间距提升9%~12%;大尺寸线圈的互操作性优于小尺寸线圈,且线圈尺寸的变化对于互操作性的影响大于线圈形状。研究结果为智能道路无线充电系统设计提供了理论依据。
  • 桥梁工程
  • 邵旭东, 黄中林, 邱明红, 晏班夫
    中国公路学报. 2022, 35(7): 126-141. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.010
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    为确保规范的计算公式满足可靠度要求,对在编《公路桥涵超高性能混凝土应用规范》正截面抗弯承载力表达式中的UHPC材料分项系数进行分析与校准。基于现有文献,收集整理中国共648个UHPC抗压强度、210个抗拉强度和53根受弯梁的试验数据,得到相关变量的统计参数。随后建立4 158根UHPC受弯梁的计算空间,采用蒙特卡洛模拟对其进行可靠指标计算与敏感性分析,考察截面类型、材料强度、截面纵筋率及活恒载效应比等参数对钢筋UHPC受弯梁可靠指标的影响。基于分析,对计算空间进一步细分,以截面纵筋率为0.05、活恒载效应比为0.05~0.5的T形梁截面可靠指标均值达βT=4.2为目标,校准钢筋UHPC梁受弯状态下的UHPC材料分项系数。研究结果表明:抗力统计参数中,UHPC抗压强度、抗拉强度以及梁抗弯承载力计算误差均不拒绝正态分布;受弯状态下UHPC梁截面可靠指标主要受活恒载效应比与截面纵筋率的影响,而材料强度影响较小;活恒载效应比越低,截面纵筋率越高,其可靠指标越低;当活恒载效应比从0.05升至1.0时,可靠指标提升幅度较大;且活恒载效应比大于0.5时,可靠指标均高于4.2。当截面纵筋率从0.005升至0.05时,可靠指标下降较为明显;而当截面纵筋率高于0.05后,可靠指标几乎保持不变;同等条件下,矩形截面梁的可靠指标要稍高于T形截面梁;建议钢筋UHPC梁受弯状态下的UHPC材料分项系数取值为1.3。
  • 戴国亮, 冯升明, 栾阳, 龚维明
    中国公路学报. 2022, 35(7): 142-153. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.011
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    沉箱垫层桩复合基础具有良好的承载性能以及隔震性能,并且施工简单,工程造价相对低廉,是一种适用于强震区域软弱土体地基的新型桥梁深水基础形式。为了研究沉箱-垫层-桩复合基础的水平承载性能及抗震性能,设计了复合基础试验模型,进行了4组复合基础的低周反复荷载试验研究,分析了复合基础的破坏形态,选取垫层厚度、竖向荷载、地基形式为变量,研究了复合基础整体的滞回性能、骨架曲线、刚度退化、强度退化、耗能能力等,并通过在沉箱顶部设置位移计、桩身贴设应变片等测试方法,单独分析了试验过程中沉箱的沉降状态及下部桩体的受力状态。试验结果表明:复合地基的使用可有效提高基础的抗震性能;在相同的循环位移下,复合基础的水平承载力、强度、刚度随着垫层厚度的增加及竖向荷载的减小而降低;采用复合地基的基础单圈耗能能力更强,累积耗能更高;垫层厚度的增加对沉箱沉降及倾角控制影响并不明显;竖向力的减小会导致沉箱出现的倾角更大;复合地基会使沉箱的沉降更为均匀,沉降速率更慢,但对于倾覆控制影响不大;复合地基中的群桩以前排桩承担的水平荷载最多,中排桩次之,后排桩最少,中桩承担的水平荷载略高于边桩;桩身最大弯矩位置在40%~50%桩长处;垫层的存在有效地减小了桩体分担的水平荷载。
  • 王文熙, 杨志林, 华旭刚, 周涛, 董桔灿, 刘庆宽
    中国公路学报. 2022, 35(7): 154-163. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.012
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    柔性高耸桥塔具有刚度低、阻尼小等特点,极易在强风以及地震等动力荷载下产生大幅振动。摆式调谐质量阻尼器(Pendulum Tuned Mass Damper,简称摆式TMD)是目前常用的高耸结构被动控制方法,但其具有参数敏感、控制频域窄、阻尼实现手段复杂等突出缺点。为此,提出了一种摆式碰撞双重调谐质量阻尼器(Pendulum Pounding Double Tuned Mass Damper,简称PPDTMD),该阻尼器具有双重调频能力,既提高了其减振性能,也解决了传统摆式TMD需要外接阻尼元件和碰撞式TMD噪声问题。建立了多自由度结构与摆式碰撞双重调谐质量阻尼器耦合系统的运动方程,通过参数搜索方法确定了其最优设计参数,拟合得到简化设计公式,对比了PPDTMD与传统摆式TMD的减振效果。以某自立桥塔为研究对象,分别研究了在涡振、地震、强风荷载作用下PPDTMD的抑振性能。研究结果表明:PPDTMD具有双重调谐特性,减振性能显著提升,当质量比为4%时,PPDTMD相对于理想摆式TMD、实际摆式TMD的动力放大系数峰值分别下降了11%和46%;在PPDTMD控制下,自立桥塔涡激共振(简谐激励)作用下的塔顶位移响应幅值减振率为71.9%;Kobe波作用下的塔顶位移峰值及均方值减振率分别为34.7%和60.2%;抖振力作用下的塔顶位移峰值及均方值减振率分别为26.9%和43.5%;不同动力荷载下PPDTMD的减振性能均优于传统摆式TMD。
  • 韦旺, 邵长江, 漆启明, 钱永久, 饶纲, 何俊明, 李贞新
    中国公路学报. 2022, 35(7): 164-172. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.013
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    既有等效塑性铰长度模型考虑了诸多因素的影响,但对塑性铰形成过程中纵筋拉伸漂移影响的关注不够,针对变截面空心墩塑性铰的研究也较少。为探讨变截面空心墩塑性变形特性,建立空心墩通用的塑性铰模型,在已有试验成果的基础上,开展了5个变截面圆端空心墩的拟静力试验。考虑变截面及墩底实心段的影响,假定了墩身曲率分布,给出了变截面圆端空心墩墩顶位移能力的计算方法;基于塑性位移等效原则,推导出考虑弯曲、纵筋拉伸漂移和黏结滑移影响的塑性铰长度待定参数模型,根据文献中7个等截面和本文变截面空心墩的试验结果,对待定参数进行标定,得到等截面和变截面空心墩等效塑性铰长度的统一模型,并采用另外6个试验结果验证了所给模型的适用性。研究结果表明:由于墩底实心段、倒角和墩身变截面的共同影响,变截面圆端空心墩塑性铰区整体上移,极限状态时钢筋拉断/屈曲及混凝土压溃主要集中在墩底空心倒角上缘附近;塑性铰长度随墩高L、截面宽度h、剪跨比λ和应变渗透参数(fydb/√f'c)近似呈线性变化;既有模型给出的等截面矩形空心墩塑性铰长度结果中,Priestley、李贵乾和韦旺的估值略高;所提模型的计算结果具有更高的精度和更小的离散性,适用于估算等截面和变截面空心墩的等效塑性铰长度。
  • 李喜梅, 王新, 母渤海, 袁华智
    中国公路学报. 2022, 35(7): 173-183. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.014
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    车桥耦合作用下,钢-混凝土组合梁桥竖向振动问题比较突出,这将影响行人的安全及舒适性。以中国某三跨双工字钢-混凝土组合连续梁桥为研究对象,对桥梁进行车桥耦合振动分析及控制。基于Newmark-β法在ANSYS中利用APDL语言建立车桥耦合振动模型,并对不同车重、车速和路面等级下的桥梁竖向加速度振动响应进行分析。在桥梁各跨跨中安装调谐质量阻尼器(TMD)对桥梁振动进行控制,采用最佳参数调整方法确定TMD参数。对安装TMD前后的桥梁振动响应进行对比分析,并结合Sperling指标对行人舒适度进行评价。研究结果表明:车速、车重和路面等级均是导致行人舒适度变差的重要因素;2辆同型号车辆按相应车道并排行驶,安装TMD后,随着车速的增大,桥梁跨中竖向加速度峰值减小率逐渐增大,当车速为120 km·h-1时,桥梁跨中竖向加速度峰值减小率达到43.7%,Sperling指标从2.76降到2.33,振动控制效果最为明显;随着车重的增加,桥梁跨中竖向加速度峰值减小率基本呈增大趋势,当各车重为40 t时,桥梁跨中竖向加速度峰值减小率为29.1%,Sperling指标从2.20减小到1.99,行人舒适度得到了较大改善;随着路面不平顺等级的增大,桥梁跨中竖向加速度峰值减小率也逐渐增大,C级路面时加速度峰值减小率可达到29.4%,控制效果明显。因此,安装TMD对不同车重、车速和路面等级下的桥梁跨中竖向加速度响应均起到了控制作用,对双工字钢-混凝土组合连续梁桥安装TMD可以有效地改善行人舒适度。
  • 隧道工程
  • 封坤, 谢宏明, 肖明清, 孟庆辉, 何川, 孙文昊, 王士民
    中国公路学报. 2022, 35(7): 184-192. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.015
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    当前中国盾构隧道接缝密封垫设计多采用工程经验及类比方法,常需借助防水试验及大量的数值仿真进行优化设计,缺乏理论支撑。为提高密封垫的防水性能,同时降低密封垫的压缩反力以提高盾构隧道的拼装效率,提出了基于功能区划的盾构隧道管片接缝弹性密封垫设计方法,该方法通过力学分析,将单个密封垫横断面划分为3个功能区块,对其进行数学离散,并在几何边界条件的规定下,建立了单个密封垫力学平衡模型及考虑正常压缩与错位压缩情况下的密封垫简化力学模型。依据模型对密封垫进行优化设计,针对2种密封垫采用有限元方法进行数值分析,通过对压缩反力曲线、接触面应力等对比,分析2种形式密封垫的差异,并结合在最不利工况下进行的试验,通过对比两者的防水水压,验证设计方法的可行性。结果表明:通过调整接缝密封垫孔型能达到在不影响接触应力的条件下改变密封垫闭合压力的目的,开孔率及材料硬度对接缝密封垫受力影响较为一致;该设计法理论能够实现较好的优化效果,优化后的密封垫能够平衡各渗水路径的接触面应力及在不影响密封垫防水能力的前提下降低密封垫压缩反力。所提出的方法通过了数值分析及试验验证,可用于密封垫的初步选型与分析。
  • 刘松涛, 赵金龙, 卫文彬, 崔心源, 刘庆术
    中国公路学报. 2022, 35(7): 193-202. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.016
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    为了给隧道双火源事故中的人员疏散和应急救援提供参考,研究隧道内部双火源火灾条件下的燃烧行为和火场环境,搭建1∶10缩尺寸模型隧道,开展不同火源间距下的双火源油池火试验,研究燃烧速率、火焰形态和隧道内纵向温度分布;同时,采用PyroSim数值模拟的方法分析隧道内部双火源之间距底面高度0.1、0.15 m处的温度分布。试验结果表明:对于隧道内双火源火灾,燃烧速率受火源间距影响较大,当间距从2D(D为油盘边长)增加到8D时,燃烧速率从20.43 g·m-2·s-1下降至15.61 g·m-2·s-1,并逐渐接近单火源燃烧速率;燃烧过程中火焰相互倾斜,倾角会随着间距增加逐渐减小,由18.3°减小至13.7°。由于两火源之间相互限制,火源之间区域内的热量不断积聚,双火源间近顶板温度明显偏高;双火源外侧远端近顶板处纵向温度呈指数衰减规律,与单火源远端顶板温度分布规律保持一致,但温度衰减因子会随着双火源间距的增加逐渐变大。数值模拟结果表明:双火源之间温度分布呈现出凹形分布规律,随着距火源距离的增加,温度迅速下降,后逐渐保持稳定,但稳定区间内的温度仍然较高,会对人员造成伤害。双火源间距对火源之间的温度分布影响较大,随着间距增加,双火源之间的稳定温度逐渐下降,对人员疏散影响逐渐变小。双火源之间温度分布规律研究结果可为火灾初期被困人员的施救提供参考。
  • 王传武, 陈丽俊, 陈建勋, 罗彦斌, 刘伟伟, 胡涛涛, 陈浩
    中国公路学报. 2022, 35(7): 203-215. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.017
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    以陕西宝汉高速公路连城山隧道(双洞六车道)绿泥石片岩段为例,分析了大跨度软岩公路隧道仰拱病害原因,建立了隧道仰拱的弹性地基曲梁模型,推导了仰拱结构内力、仰拱地基反力等计算公式,分析了原设计仰拱二次衬砌极限承载力和受力规律,评价了原设计仰拱结构安全性;在此基础上,探讨了各仰拱参数对仰拱极限承载力的影响规律及敏感度,计算了参数变更后仰拱二次衬砌的极限承载力,并结合仰拱受力测试,进一步考察了参数变更后仰拱结构安全性。结果表明:隧道墙脚以沉降变形为主,导致仰拱两端承受很大的竖向荷载,而原设计仰拱本身承载力较弱,加上仰拱地基软弱并且受地下水的软化效应和高应力下的蠕变效应影响,是连城山隧道仰拱开裂破坏的主要原因;仰拱最危险截面距离仰拱端部约为半幅仰拱相应圆心角的1/5~1/4处,即位于墙脚附近,与现场观察到的墙脚附近仰拱回填开裂、仰拱与仰拱回填脱离等破坏现象一致;增大仰拱厚度、减小仰拱半径、增大仰拱钢筋直径和减小仰拱钢筋间距均能显著提高仰拱极限承载力,其中减小仰拱钢筋间距的效果相对最为显著;而由于仰拱最危险截面的受压区高度很小,提高混凝土强度等级对于改善仰拱整体安全性并不显著;参数变更后的仰拱二次衬砌采用C35钢筋混凝土,厚度为1 m,半径约为13.4 m,钢筋直径为28 mm,钢筋间距为20 cm,极限承载力可达原设计的3.6倍以上,结构安全性大幅提高;为提高材料利用率,建议仰拱混凝土强度等级采用C30。
  • 周子寒, 何川, 陈子全, 汪波, 蒙伟
    中国公路学报. 2022, 35(7): 216-227. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.018
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    目前,针对具有多个原位地应力测试钻孔的隧址区初始地应力场反演,往往一次性将全部实测值用以计算值的回归反分析,没有考虑到隧道纵向长度远超其他方向且钻孔分布较远的特点,单个钻孔表征的临近区域地应力分布特征或反演精度被其余钻孔实测值“拉低”,导致整体反演结果容易陷入局部优解。依托拉林铁路桑珠岭隧道、叙毕铁路斑竹林隧道、沿江高速火山隧道、木寨岭公路隧道等工程,采用多元线性回归法结合最小二乘法寻优准则,分析了隧址区仅有单个钻孔反演精度较高的原因,提出了对具有多个钻孔的隧址区分段并分别进行单钻孔回归反演的新方法。在此基础上,重点讨论了木寨岭公路隧道断层破碎带区域地应力分布特征。结果表明:分段单孔反演较多孔反演进一步提高了反演精度;地应力的分布在断层前后呈现出先急剧增大后急剧减小的特征;除自重应力与埋深存在一定关联外,两项水平主应力随断层间距或厚度的增大突变性加剧;断层之间间距、断层倾角、断层厚度均是影响地应力方向偏转大小的重要因素,断层之间间距或断层倾角越小、断层越厚,地应力方向偏转越显著。
  • 交通工程
  • 王昊, 彭显玥
    中国公路学报. 2022, 35(7): 228-240. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.019
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    为提升临界饱和状态下干线车流通行效率,提出了一种基于冲击波理论的干线双向信号协调控制方法。首先,建立了考虑车速变化、转向比例、车道变化等因素的干线交通流模型,分析了临界饱和交通干线交通流运行状态与各参数间的关系。第二,构建了以干线双向通过量最大化为优化目标的混合整数线性规划模型,通过优化干线公共周期和各交叉口绿信比以提高干线通行能力。第三,构建了以延误最小化为优化目标的二次规划模型,并提出了相应的求解算法,通过优化相位差和相位方案实现了干线交叉口的信号协调。临界饱和交通干线协调控制模型由通过量最大化模型和延误最小化模型构成,考虑各交叉口间的制约影响关系,有效避免了排队滞留、溢出、交叉口“死锁”等现象。采用两阶段优化方法,通过通过量最大化模型优化周期及绿信比,继而应用延误最小化模型优化交叉口相位方案及相位差,获得干线系统双向信号协调最优控制方案。最后,应用临界饱和交通状态干线协调控制模型对南京市中山东路10个交叉口进行了信号协调优化,并对优化结果进行了仿真分析。结果表明:临界饱和交通状态干线协调控制模型能对双向临界饱和干线的信号控制方案进行优化,与对照方案相比,优化方案的双向总交通量提升了21.9%,车均延误降低了63.1%,通行能力与服务水平提升显著。
  • 岳昊, 任孟杰, 杨子玉, 张鹏, 邵春福
    中国公路学报. 2022, 35(7): 241-250. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.020
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    为刻画拥堵空间排队与溢出现象对交通流分配的影响,提出考虑拥堵空间排队与溢出的道路网静态交通流分配问题,并构建相关的求解算法,用于描述交通需求在起讫点移动过程中路网整体的宏观运行状态。首先,丰富和完善考虑拥堵空间排队与溢出的静态交通流分配的相关假设,提出次生瓶颈、拥堵干扰与渗透和分段化路段阻抗等基本概念和理论,来刻画拥堵交通瓶颈、拥堵空间排队等交通现象;其次,建立网络瓶颈识别算法和空间排队回溯算法,基于此构建考虑拥堵空间排队和溢出的增量分配算法,用于求解交通流分配的结果;最后,通过使用一个具有说明型的算例进行对比分析。研究结果表明:建立的瓶颈识别、排队回溯和增量分配算法可以识别路网中的瓶颈位置及其拥堵排队区域,并可计算得到各路段上的分段分配流量;与点排队只影响瓶颈路段的运行状况和均一的路段分配结果相比,可有效描述路网整体的宏观运行状态以及由于拥堵空间排队所导致的拥堵干扰与渗透现象;不同于“时间片”的伪动态交通流分配模型,新建算法的分配结果是“全时段”与“整体性”的路网宏观运行状态,包含了拥堵瓶颈的具体位置和空间排队的干扰与渗透情况;一般拥堵点排队模型和基于“时间片”的拥堵空间排队模型难以刻画拥堵干扰与渗透现象以及路网整体的宏观运行状态,故所建立的分配方法是对传统拥堵交通流分配的丰富和发展。
  • 宗芳, 李宇暄, 贺正冰, 曾梦
    中国公路学报. 2022, 35(7): 251-260. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.021
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    信号交叉口是影响交通系统运行安全和效率的关键。在国家新基建战略的提出以及车路协同技术不断发展的环境下,合理设置网联自动驾驶车辆(Connected and Autonomous Vehicle,CAV)专用进口道,对信号交叉口进口道处不同网联类型的车辆进行科学的交通组织,能够提高交叉口的通行能力,降低行车延误,促进城市交通系统效率与安全的双提升。建立协同自适应巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control,CACC)车辆跟驰模型和GM (General Motor)模型分别描述混行环境下网联车辆与非网联车的跟驰行为,以提高进口道通行能力、降低延误和油耗为优化目标,采取敏感度分析方法,提出不同CAV比例、进口道车道数、交通量和信号配时方案组合情况下CAV专用进口道的动态设置条件,适用于不同交通状况的信号交叉口,具有较强的普适性。数值仿真结果表明:采用该方法设置CAV专用进口道能够提高混行信号交叉口的通行能力、降低延误和车均油耗;在实际应用时,可视交叉口类型和交通智能化程度灵活选取CAV专用进口道设置方式,为混行交通流环境下交叉口进口道的交通组织优化提供理论依据和模型支持,对车路协同系统的相关研究具有参考意义。
  • 赵聪, 张昕源, 李兴华, 杜豫川
    中国公路学报. 2022, 35(7): 261-272. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.022
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    “互联网+”模式下区域停车“用户-资源”优化匹配是解决找车位难问题的有效途径,传统研究主要关注动态匹配机制设计,缺乏对用户匹配时机的考虑。在随机动态环境下,用户到达目的地附近后进行适当的延时等待,往往可以获得更优质的泊位资源,但取决于当前的停车供需模式。据此首次提出智能延时匹配策略,将每个停车用户抽象为智能体,构建多智能体深度Q学习模型(M-DQN)。结合系统的停车供需状态学习,用户自主决策延时等待时间,进入分配池后,系统利用匈牙利算法进行泊位匹配。在智能体总数量可变的环境下,利用集中式训练与分布式执行的框架,实现多智能体协同优化。为对比智能延时策略的效果,设计等待零时长策略(Greedy)和等待最大时长策略(Max Delay)。在算例中,结合同济大学四平路校区实测停车数据,设计3种不同的停车供需模式场景。在工作日早高峰时段,Greedy是最优的匹配策略,M-DQN和Max Delay的平均停车过程总用时会增加,匹配成功率下降;在工作日非高峰时段,M-DQN的平均停车过程总用时相较于Greedy和Max Delay分别减少23.8%和22.4%,效果提升明显;在工作日晚高峰时段,M-DQN的平均停车过程总用时相较于Greedy和Max Delay分别减少了12.8%和14.5%,M-DQN可以结合供需状态学习到最优的匹配策略。研究结果表明:在停车供需相对平衡的环境下,所提出的延时匹配策略和多智能体深度强化学习方法可以有效减少用户停车的平均行驶时间和步行距离,且停车周转率越高效果越好;但延时策略在应用方面仍有一定的局限性,不适用于停车供给紧张,停车周转率较低的场景。
  • 白骅, 落昊飞, 李维佳, 王家琪
    中国公路学报. 2022, 35(7): 273-282. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.023
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    为了提升高速公路路堑边坡的景观效益及安全价值,提出考虑驾驶人安全与视觉特性的路堑边坡景观优化思路。首先结合驾驶人视觉特性,以行车视距、注意力集中点和最深视野为参数,对高速公路视觉敏感度进行分区研究,得到高、中、低3级视觉敏感区空间范围。其次对路堑边坡进行景观比重研究,结合净区设置规范,进行净区和景观比重数值模拟计算,得到坡率为1∶8~1∶0.75的路堑边坡在6组坡高下满足净区设计规范之后的景观坡面占据高视觉敏感区的景观比重值。最后结合模拟结果提出路堑边坡优化建议,使其在保障驾驶安全的基础上实现景观效益最大化。结果表明:车速为80 km·h-1时,高视觉敏感区宽37 m、高10 m,中、低视觉敏感区均宽119 m、高82 m;路堑边坡坡高为0.75 m时,坡率为1∶8~1∶7的边坡景观比重可以超过50%,坡高大于3 m时,缓于1∶1.5的路堑边坡坡长占据高敏感区的景观比重接近定值71%;坡高一定时,路堑边坡坡率越缓,越容易满足净区宽度设置要求,可在增强交通安全属性的同时提升边坡景观展示效率。
  • 汽车工程
  • 朱冰, 张培兴, 刘斌, 赵健, 孙宇航
    中国公路学报. 2022, 35(7): 283-291. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.024
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    自动驾驶汽车进行大规模市场推广前必须进行准确可靠的安全性评价,由于自动驾驶系统复杂程度的增加及设计运行区域的扩大,面向传统汽车的评价方法已不能满足自动驾驶汽车的安全性评价需求,基于此,建立一种基于自然驾驶数据的自动驾驶汽车安全性评价方法,可解决现有方法在逻辑场景层面安全性评价的缺陷。首先,建立基于自然驾驶数据的逻辑场景构建流程,分析场景描述参数,搭建自然驾驶数据采集平台采集相关自然驾驶数据,采用高斯分布模型描述参数概率分布;进而,离散逻辑场景参数空间获取具体测试用例,并在建立的PreScan、CarSim和MATLAB联合仿真平台中对被测自动驾驶算法进行仿真遍历测试,通过高斯模型将测试结果中的危险场景参数聚类,获取被测算法在逻辑场景中的危险区域;最后,综合考虑逻辑场景参数空间概率分布和得到的相应逻辑场景危险区域,提出基于自然驾驶数据的自动驾驶汽车安全性评价指标——场景风险指数,并以前车制动和前车切入场景为例,给出某黑盒算法的具体评价示例。研究结果表明:被测算法在前车制动场景和前车切入场景中的场景风险指数分别为0.409 8和1.08×10-5,在前车制动场景中具有较大的安全风险,与仿真测试的直观结果相符;通过比较计算得到的场景风险指数与实际仿真测试结果可证明所提出的方法可以实现逻辑场景层面的自动驾驶安全性量化、易于操作、贴近自然驾驶情况。
  • 李波, 潘盼, 沈海燕, 刘杰, 李亮, 刘子俊
    中国公路学报. 2022, 35(7): 292-304. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.025
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    为了解决智能分布式驱动汽车路径跟踪与制动能量回收系统间的协同控制难题,充分考虑分布式驱动汽车四轮扭矩独立可控在智能驾驶系统中的优势,设计适应不同路面附着条件的智能分布式驱动汽车转向、制动分层协同控制策略。上层控制器依据不同的路面类型设计差异化的多目标代价函数,以综合优化各工况下的控制目标。高附路面下,制定满足最大能量回收值的全局参考车速,在线优化路径跟踪指令,实现最优能量回收的同时减小系统运算负荷;低附路面下,优先考虑车辆的路径跟踪性能和行驶稳定性,在多目标代价函数中取消对全局参考车速的跟随要求,增设终端速度约束与能量回收项性能指标并减小能量回收项性能指标的权重系数。上层控制器基于模型预测控制方法对多目标代价函数进行滚动优化与预测求解,得到期望的前轮转角及4个车轮的总制动扭矩需求。下层控制器根据制动扭矩需求对四轮的液压制动扭矩和电机制动扭矩进行分配,最终完成整个复合制动过程。基于MATLAB/Simulink和CarSim软件,搭建控制器在环仿真平台,并在高附和低附路面条件下对所提出的策略进行试验验证。研究结果表明:高附路面下,所提出的控制策略在准确跟踪期望路径的同时相较固定比例制动力分配方法可提升2.7%的能量回收值并减少约0.02 s的单次计算时间;低附路面下,与使用高附控制策略相比,能够保证车辆的路径跟踪准确性与行驶稳定性,同时可提升7.8%的能量回收值;控制器在环试验结果证明了该协同控制策略对车辆性能提升的有效性。
  • 张志达, 郑玲, 张紫微, 李以农, 梁艺潇
    中国公路学报. 2022, 35(7): 305-316. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.026
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    当路面附着情况和车辆行驶状态不断变化时,基于恒定侧偏刚度的模型预测控制(MPC)不能考虑轮胎非线性特性的影响,难以保证车辆轨迹跟踪的适应性。为此,提出一种考虑轮胎侧向力计算误差的自适应模型预测控制(AMPC),以提高智能汽车在不确定工况下的轨迹跟踪性能。分析了路面附着系数和垂向载荷对轮胎侧向力的影响,基于平方根容积卡尔曼滤波(SCKF)算法,设计了利用侧向加速度和横摆角速度作为测量变量的前后轮胎侧向力估计器。利用轮胎侧向力线性计算值与估计值的差值计算得到侧偏刚度修正因子,设计了前后轮胎侧偏刚度的自适应修正准则,进而提出了一种基于时变修正刚度的AMPC控制方法。基于CarSim与MATLAB/Simulink联合仿真和硬件在环测试平台,对AMPC控制的有效性和实时性进行了验证。研究结果表明:在不同的路面附着情况和车辆行驶状态下,AMPC控制都能够降低横向位置偏差和航向角偏差,有效提高车辆的轨迹跟踪精度,其控制效果明显优于基于恒定侧偏刚度的标准MPC控制。尤其在低附着工况下,标准MPC控制会因为线性轮胎力的计算误差过大而导致车辆在轨迹跟踪时严重失稳,而AMPC控制通过估计轮胎力修正侧偏刚度依然能够保证车辆稳定有效的跟踪参考轨迹。所提出的AMPC控制在保证控制精度的同时具有良好的实时性,对智能汽车控制系统的设计与优化具有重要参考价值。
  • 任秉韬, 王淅淅, 邓伟文, 南江峰, 纵瑞雪, 丁娟
    中国公路学报. 2022, 35(7): 317-327. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.027
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    路径规划是自动泊车系统的重要组成部分,是确保泊车运动安全、缩短行车距离、提高乘坐舒适性的关键。而当前自动泊车规划系统往往面临行驶空间狭小、障碍物多、路径搜索难度大等技术挑战,同时搜索曲线半径固定容易导致路径接点处曲率不连续,增大了路径跟随控制难度和轮胎磨损程度,这些都提升了泊车路径规划的研究难度。针对以上问题,设计可变半径的Reeds-Shepp曲线,提出基于混合A*和该曲线的自动泊车路径规划方法,通过调整曲线半径,提升其在复杂场景下路径的搜索能力和灵活性。随后,设计基于分段贝塞尔曲线和梯度下降的路径优化方法,利用其多阶导数连续的优势优化已搜索的路径曲率,并采用梯度下降来保证路径曲率大小和对障碍的规避,解决直线与圆弧相接等位置曲率变化不连续的难题。结合路径搜索与路径优化的泊车规划方法能够切实满足复杂场景下的泊车需要。最后,基于团队自主研发的PanoSim虚拟系统与MATLAB搭建联合仿真环境,针对多种自动泊车工况测试验证提出的方法。研究结果表明:调整Reeds-Shepp曲线的搜索半径进行全局路径搜索,可获得更短和更易跟随的路径,具有良好的灵活性;基于贝塞尔曲线和梯度下降法的路径优化可有效消除曲率突变点、约束路径曲率并保证对障碍的无碰撞要求。
  • 舒红, 王志洋, 李石, 陈鑫铭, 袁康, 唐小林
    中国公路学报. 2022, 35(7): 328-338. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.028
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    自动驾驶汽车在开发过程中需要进行全面的测试以确保其安全性,关键场景是有条件和高度自动驾驶汽车进行安全测试验证的重要基础。首先,针对测试场景参数离散化全组合后测试用例数量巨大的问题,分别采用3路定强度和变强度组合测试策略及场景初筛规则,以自动驾驶主车直行通过无信号灯十字路口及周围2辆干扰车的测试场景为例,使测试用例数量从全组合的3.9×107组分别减少到6 525组和26 496组。其次,采用碰撞时间、后侵占时间和最大减速度作为场景关键性识别和评价指标。利用基于动态安全区域的避障策略和基于模型预测控制的自动驾驶主车运动规划与控制模型,以及搭建的基于MATLAB/Simulink和CarSim软件的自动驾驶汽车联合仿真平台,通过仿真并与安全指标阈值比较,获得数量大幅减少的关键测试用例。最后,采用基于加权欧氏距离的K-medoids聚类方法对变强度组合策略获得的2 234组关键测试用例进行聚类,获得9组典型关键测试用例。研究结果表明:碰撞时间、后侵占时间和最大减速度指标阈值可以用于识别十字路口场景关键性;相对3路定强度参数组合策略,变强度参数组合策略提供了更多的关键测试用例,对其随机抽样获得少量随机关键测试用例;随机和典型关键测试用例可以应用于封闭试验场验证无信号灯十字路口自动驾驶汽车直行运动规划的安全性。