2016年, 第29卷, 第8期 刊出日期:2016-08-20
  

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  • 中国公路学报. 2016, 29(8): 0-0.
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  • 中国公路学报. 2016, 29(8): 0-0.
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  • 道路工程
  • 刘树堂, 曹卫东, 李英勇, 薛志超, 张惠勤, 管延华
    中国公路学报. 2016, 29(8): 1-11.
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    为研究矿料性状与级配对矿料间隙率的影响规律与作用机制,发展沥青混合料矿料级配设计理论,首先采用数学建模方法,基于一定假设,分别建立了骨架空隙、骨架密实和悬浮密实型级配的未加沥青的矿料间隙率(VMAa)物理模型;根据模型,建立了一种矿料间隙率(VMA)排序的早期诊断技术,并提出了一种骨架密实型级配设计新方法。其次,通过沥青混合料制件试验,对模型揭示的规律性进行检验。研究结果表明:未加沥青矿料的矿料间隙率等于普遍意义上的粗料间隙率和细料间隙率的乘积;所建模型联合揭示了VMAa的变化规律,即随着粗细分界粒径通过率的增大,VMAa先减小(骨架空隙级配),当减小到一定程度(骨架密实级配)后开始增大(悬浮密实级配),呈现两边不对称的V形趋势,试验验证效果较好;粗、细料的间隙率,密度及细料用量等参数对VMAa分别有不同的方向性影响,与级配类型有关;级配曲线设计应分为粗料和细料两段进行,在级配设计的初始阶段,无需制件,仅根据拟定级配的粗、细料间隙率、密度及粗、细分界粒径通过率等数据信息就能预估VMA的排序;路面中常用的沥青混合料如AC-25可设计成骨架密实级配。
  • 郭乃胜, YOU Z P, 谭忆秋, 赵颖华
    中国公路学报. 2016, 29(8): 12-21,42.
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    为了准确、快捷地测算沥青混合料空隙率,利用CT和数字图像处理技术识别了3种级配类型(AC,SMA和开级配沥青磨耗层OGFC)、2种成型方法(马歇尔击实和旋转压实)和多种压实功的沥青混合料试件的内部空隙特征,提出了沿着试件高度方向三段式(顶部、中部和底部)划分方法,分析了各部分的层数所占比例和计算空隙率对沥青混合料试件整体计算空隙率(沿试件高度方向所有划分截面分析计算得到的空隙率)的影响规律,定义了部分贡献值(部分层数所占比例与部分计算空隙率乘积),由此建立了沥青混合料空隙率预测方法,并与整体计算空隙率进行了比较,检验了该预测方法的计算精度。结果表明:与沥青混合料试件的实测空隙率相比,在标准压实功下,马歇尔击实和旋转压实AC混合料试件的整体计算空隙率分别增大7.5%和18%,SMA混合料试件的整体计算空隙率分别增大19%和22%,而OGFC混合料试件的整体计算空隙率均减小约20%;中部层数所占比例与中部计算空隙率,以及中部计算空隙率分布对沥青混合料试件整体计算空隙率具有重要控制作用,根据中部贡献值与整体计算空隙率关系建立的预测方法(其中采用中部15个截面确定中部计算空隙率)得到的预测整体计算空隙率与整体计算空隙率结果一致性较好。
  • 肖鑫, 张肖宁
    中国公路学报. 2016, 29(8): 22-28.
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    为了更精确地评价排水沥青路面的排水特征,采用工业CT对排水沥青混合料马歇尔试件进行扫描,利用数字图像技术获取排水沥青混合料内部结构组成,应用改进大津法进行混合料差异性物质辨识,分割出了空隙图像;对空隙的空间分布特性进行了研究,确定了空隙率、连通空隙率、比表面积与弯曲度的算法;对541幅断面图像遍历处理后获得的空隙数据进行了定量分析,追踪出了排水沥青混合料中的连通空隙路径,并确定了连通空隙路径中的最小截面面积与弯曲度值。研究结果表明:采用改进大津法可有效分割出排水沥青混合料中的空隙图像;利用图像分析结果计算所得连通空隙率与实验室所测连通空隙率基本相同,验证了提出的连通空隙率算法的可靠性;最小截面面积与弯曲度值分别是控制水流流量和排水时间的最重要因素,准确地确定最小截面面积与弯曲度值是精确计算排水沥青路面排水能力的关键;空隙截面面积沿深度方向的分布规律大致为端部空隙面积较大,中间较小,最小截面随机分布;计算的连通空隙率明显小于试件总空隙,可见传统方法中采用总空隙率来评价排水沥青路面的排水特征具有一定的局限性。
  • 郭寅川, 申爱琴, 何天钦, 周胜波, 王蓓
    中国公路学报. 2016, 29(8): 29-35.
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    为了探索季冻区路面水泥混凝土孔结构在荷载及冻融作用下的损伤及演化规律,设计了应力水平为50%的疲劳荷载与-18℃~5℃温度范围的冻融循环耦合作用试验方案,研究耦合环境下混凝土孔结构的变化及损伤。采用压汞法和光学法对不同耦合阶段的混凝土孔结构进行定量表征,并结合SEM分析孔结构的损伤演化机理。结果表明:耦合作用下混凝土孔结构的演化分为前期压缩和后期分裂2个过程,压缩过程主要为无害孔(孔径小于20 nm)被压缩,孔隙率减小、小孔扩展;分裂过程为多害孔(孔径大于200 nm)分裂为有害孔(孔径50~200 nm),孔隙率增大、更多小孔成核;混凝土在破坏时最可几孔径趋于38.6 nm,孔间距系数达到0.279 mm;耦合作用中的疲劳荷载是造成孔结构劣化的主要原因,冻融循环在耦合后期对孔结构损伤显著。
  • 丁海波
    中国公路学报. 2016, 29(8): 36-42.
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    为提高废弃混凝土粒料的性能,利用裹浆材料包裹废弃混凝土再生粒料(简称裹浆粒料)。采用不同浆体材料渗入废弃混凝土粒料的孔隙而产生填充作用,或与粒料中某些成分产生反应生成物以填充孔隙,并将再生粒料的微裂缝修补粘合,以改善再生粒料的棱角效应并强化再生粒料表面结构及孔隙结构,从而提升再生粒料的品质与特性。探讨了裹浆材料及裹浆量对裹浆粒料相对密度、吸水率、坚固性、洛杉矶磨损率及压碎值等宏观力学特性及微观特性的影响,同时利用灰关联分析评选出裹浆粒料的最佳方案。研究结果表明:裹浆粒料因表面附着一层致密的裹浆材料,具有修补废弃混凝土再生粒料表面微裂缝及补强再生粒料表面强度的效果,从而提高再生粒料抗压与抗磨损的能力;通过灰关联分析推荐最佳浆质材料为矿渣水泥浆,最佳裹浆厚度为0.25 mm,沥青混合料的初步试验结果也验证了方案的可行性;采用最佳裹浆粒料取代25%的天然粗粒料沥青混凝土能够满足中国《公路沥青路面施工技术规范》的要求。
  • 桥梁与隧道工程
  • 邵旭东, 杨志杰, 邹同琛, 刘瑜
    中国公路学报. 2016, 29(8): 43-49,66.
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    针对一种超大跨径单向预应力超高性能混凝土(UHPC)连续箱梁桥,为探讨其具有密集横隔板构造的桥面板在局部轮载作用下的双向受力性能,开展了1:5缩尺模型试验和有限元数值模拟,并以此为基础,对桥面板的轮载双向分配与控制截面内力计算问题进行了初步推导与计算。结果表明:5.5倍设计车轮局部荷载作用下,试验工况桥面板仍处于线弹性受力阶段;具有密集横隔板构造的UHPC箱梁桥面板属双向受力构件,纵桥向成为主受力方向;线弹性受力阶段,最不利正弯矩工况下桥面板轮载纵横桥向分配比在疏隔板侧约为1:0.64,在密隔板侧约为1:0.53,轮载分配趋于均匀,桥面板受力效率提高;桥面板负弯矩以横隔板支承处纵桥向弯矩为控制值,现行规范的内力算法应用于该桥面板尚存在一定偏差。
  • 王春生, 翟慕赛, HOUANKPO T N O, 唐友明
    中国公路学报. 2016, 29(8): 50-58.
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    为保证正交异性钢桥面板使用安全,合理延长其使用寿命与维护周期,在剖析疲劳损伤传统热维护技术方法不足的基础上,提出冷连接钢板、超高性能纤维混凝土组合层等具有零损伤或微损伤维护技术特征的冷维护方法,对钢桥面板疲劳开裂细节进行加固;开展正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验研究,分别采用止裂孔和粘贴钢板法维护纵肋拼接细节疲劳裂纹,将冷维护方法应用于某钢箱梁斜拉桥正交异性钢桥面板,对横隔板挖孔细节、纵肋与横隔板连接细节采用等边角钢进行加固,分别采用车辆加载测试、运营监测和数值断裂力学模拟等方法,对实桥正交异性钢桥面板冷维护效果进行评价。试验结果表明:止裂孔无法阻止裂纹扩展,而采用冷维护后钢板与纵肋协同工作状态良好,纵肋拼接细节疲劳寿命延长70%以上;实桥加载测试结果表明冷维护后疲劳裂纹尖端测试应力降低40.4%;根据动应变监测数据和S-N曲线评估结果,24 h内横隔板开裂细节疲劳损伤降低79.6%;数值断裂力学分析表明冷维护后裂尖应力强度因子幅小于裂纹扩展的应力强度因子幅阈值,疲劳裂纹不再扩展;正交异性钢桥面板疲劳损伤冷维护技术工程可实施性强、安全可靠,可实现对原结构进行零损伤或微损伤维护的技术目标,为钢桥面板疲劳维护提供了新的技术选择。
  • 周焕廷, 聂河斌, 张健, 李国强
    中国公路学报. 2016, 29(8): 59-66.
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    为研究简支预应力钢梁在火灾高温下的耐火性能,基于实际的升温曲线,进行了2根预应力钢梁及1根非预应力钢梁的耐火性能试验,3根试验梁的截面尺寸、跨度及材料均相同。预应力拉索考虑了直线和折线2种布置方式;钢梁顶面绝热、其余3面受火、承受跨中集中荷载。最后分析了钢梁温度-时间、拉索张力-温度、挠度-温度关系。结果表明:随着炉内温度升高,预应力钢梁截面温度逐渐升高,在火灾初期,预应力钢梁跨中挠度随温度升高缓慢增加,在火灾后期挠度急剧发展;升温初期,预应力拉索张力略有降低,随着温度持续升高,拉索张力迅速降低,在临界状态时拉索完全松弛,在恢复至常温时,拉索张力也不能恢复;高温作用下预应力钢梁失效与预应力拉索张力松弛有关,在拉索张力完全消失后钢梁很快达到临界状态;高温作用下预应力钢梁的横向刚度与拉索张力存在关联,拉索一旦完全松弛,预应力钢梁挠度急剧增大并很快进入临界状态;确定拉索初始预应力对临界温度的影响时,需要综合考虑预应力拉索布置方式的影响,不同布索方式对预应力钢梁耐火性能有较大影响,其他条件相同时折线形布索的预应力钢梁比直线形布索的预应力钢梁临界温度高。
  • 赵桂峰, 何双, 马玉宏, 崔杰, 周福霖
    中国公路学报. 2016, 29(8): 67-76.
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    为了研究近海隔震桥梁在全寿命周期内锈蚀损伤后的抗震性能,对近海隔震桥梁进行基于钢筋坑蚀效应的地震易损性分析。考虑海蚀环境中氯离子对钢筋混凝土结构的腐蚀作用,建立钢筋坑蚀效应概率模型,结合拉丁超立方抽样方法建立近海隔震桥梁在不同服役年限下的随机样本模型。选取墩顶漂移率和支座剪应变分别作为墩柱和隔震橡胶支座的损伤指标,采用Pushover分析计算墩柱的损伤指标限值,利用增量动力分析(IDA)方法对随机样本模型进行非线性时程分析,提取样本模型在不同地震动作用下的响应值,采用回归分析得到近海隔震桥梁构件的概率地震需求模型。通过基于传统可靠度概率的易损性分析方法构建桥梁墩柱和隔震橡胶支座在全寿命周期内的易损性曲线,并结合一阶可靠度理论得到近海隔震桥梁在全寿命周期内的整体易损性曲线,评估其在全寿命周期内的抗震性能。结果表明:氯离子的腐蚀会导致桥梁墩柱的抗震性能不断降低,各构件达到不同极限破坏状态的超越概率逐渐变大,结构整体易损性曲线超越概率逐渐增大;相比于初始服役时,经过钢筋锈蚀80年后,严重破坏、完全破坏状态时结构的超越概率上限值增幅分别可达12%、10%,而超越概率下限值相比于初始服役增幅分别达到14%、12%。
  • 黄海东, 王承启
    中国公路学报. 2016, 29(8): 77-84.
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    为了分析长期使用中混凝土桥梁的结构表层干缩裂纹形成原因,以湿度扩散理论为基础,采用湿度变形耦合分析方法,研究了变湿度环境下的混凝土桥梁长期收缩变形、结构干缩自应力的分布规律及时变特征;通过经典试验对比分析,验证了所提出方法的可靠性;并通过模型尺寸效应的敏感性分析,进一步总结了混凝土结构的干缩自应力沿深度方向分布规律及随环境湿度变化而周期性变化规律。研究结果表明:混凝土收缩变形受到外界湿度的影响显著,特别是龄期100 d后,混凝土试件的变形规律与环境湿度变化规律基本一致,随着环境湿度的升高,试件发生膨胀变形,而当环境湿度降低时,试件又发生收缩变形;环境湿度的周期变化对实桥结构整体变形及受力状态影响较小,约占收缩变形总量的12%,箱梁局部干缩应力随环境湿度的周期变化而变化,特别是干燥环境下混凝土内部压应力增大至-2.7 MPa,同期混凝土外表面竖向压应力失去作用,并产生1.0 MPa拉应力,增大了腹板开裂风险;分析结果与实际桥梁腹板斜裂缝多为浅表裂纹现象相吻合;箱梁内部湿度变化幅度相对较低,箱梁腹板内缘混凝土自应力变化幅度小于外侧,这也揭示了实际桥梁箱梁腹板外表面裂缝数量明显多于内表面的形成机理。
  • 胡志坚, 王少兵, 贾丽君, 孙立志
    中国公路学报. 2016, 29(8): 85-91.
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    为了解裂缝扩展对PC梁体承载能力影响,基于理论分析提出了考虑开裂非协调变形的PC梁体承载能力分析方法,同时开展了该方法与传统应变协调法和模型梁试验结果的对比研究,并进一步研究了开裂非协调变形对预应力筋应力增量和梁体混凝土受压区高度的影响规律。结果表明:与传统应变协调法相比,开裂非协调变形对预应力筋应力增量的影响在屈服阶段达10.2%,在极限阶段达7.6%,非协调变形对极限承载能力和受压区混凝土高度的影响均超过5%,对极限挠度的影响为10%,进行PC结构承载能力分析时有必要考虑开裂非协调变形的影响。
  • 白桦, 方成, 王峰, 李加武
    中国公路学报. 2016, 29(8): 92-98,133.
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    为了对桥梁结构的颤振稳定性能进行快速评价,基于频域分析法确定了三分力系数与颤振导数的关系,分析振动方程中的单元气动阻尼矩阵与气动刚度矩阵及弯扭耦合颤振驱动机理,将借助颤振导数研究颤振失稳问题转化为借助三分力系数研究颤振失稳。给出了基于三分力系数的颤振稳定性快速评价参数F。结合典型桥梁断面静力三分力与颤振稳定性风洞试验结果,验证了利用F参数快速评价桥梁断面颤振稳定性能的有效性。研究结果表明:通过建立三分力系数与颤振导数的联系,可以利用三分力系数快速评价桥梁结构颤振稳定性,颤振稳定性与升力系数CL、阻力系数CD、升力矩系数CM绝对值负相关;|ĊLĊM|越大,桥梁结构越容易发生颤振失稳;利用F参数快速评价颤振稳定性能方法可以快速对比不同方案的颤振稳定性,便于气动选型。
  • 白文琦, TIONG L K R
    中国公路学报. 2016, 29(8): 99-112.
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    在地下开挖工程进行中,地质风险评估是至关重要却也是最薄弱的环节。由于地下结构的不确定性、复杂性以及结构间多种关联性,对地质结构进行风险评估既困难又耗费成本。在对超大型隧道开挖工程进行风险评估时,为了降低前期准备过程耗费的时间与成本,风险管理经理更倾向于开挖重复地质断面时将其结构视为相似,并认为时间和成本的变化遵从线性关系。但事实上在对地质结构整体进行风险评估时,各个风险参数的相互依赖性和敏感性是未知的。针对进行地质风险评估时风险参数的敏感性和其会引起的变化,采用Monte Carlo模拟法确定了参与地质风险评估的相关风险参数的敏感性和波动性,例如开挖长度、岩石结构排列以及开挖方法等。采用的地质模型和场景以地质学家提出相关假设和较为常规的地质构造为基础。为了便于整合地质风险评估的各种因素,模拟时将不确定性量化为开挖进尺和成本。通过不同场景的模拟,确定地质风险评估中各个参数的敏感性。研究结果表明:地质结构和开挖进尺皆为独立影响因素,但当在不同的地质结构开挖长度相等时,其排列顺序却对开挖进尺和成本影响不大;在开挖重复地质结构时,开挖进尺和成本的变化遵从非线性关系。研究结果提供了一个对风险进行评估和管理的有效系统,可帮助决策者在管理大型复杂的隧道开挖项目时做出更好的判断。
  • 交通工程
  • 蔡磊, 曲仕茹
    中国公路学报. 2016, 29(8): 113-123.
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    为提升车辆检测算法中字典学习的有效性,提出一种新的基于多目标聚类的车辆检测方法。同时考虑聚类检测中的全局偏差和连接性2个重要的指标,并引入提出的新多目标优化方法,期望获得1组同时符合全局偏差和连接性的平衡解。针对字典学习和多目标聚类解的特性,设计了一种新的模型选取算法,用于选出有利于提高检测性能的最终聚类解。对5个车辆部件的聚类任务进行聚类,以验证所提算法的有效性与卓越性。将该方法与5种其他方法(不仅包含2类常用单目标聚类方法,也覆盖了其他多目标聚类方法)对2类车辆检测问题进行检测,以全面检验该方法的性能。结果表明:双目标聚类在车辆检测应用中,对聚类效果有较好促进作用,且该方法的整体性能相比于其他聚类算法,颇具竞争性。
  • 刘占文, 赵祥模, 王姣姣, 高涛, 李淑英
    中国公路学报. 2016, 29(8): 124-133.
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    为了解决弱对比度车辆目标分割不准确的问题,结合多示例学习方法,提出一种基于视觉注意机制的弱对比度车辆目标分割方法。首先提取基于训练图像局部区域的亮度梯度与纹理梯度特征,再采用多示例学习方法进行特征学习并得到具有学习能力的显著性模型,实现预测测试图像的显著性结果;然后利用显著性结果构建精简的加权图模型,对传统图割框架进行优化,最后求解图割代价函数表示的广义特征系统次小特征值所对应的最优分割状态向量,得到测试图像车辆目标的精确分割。试验结果表明:将有监督的显著性检测方法与图割方法结合,能够针对特定类别的图像进行有目的的学习,学习到的显著性检测模型具有较强的适应性,同时利用显著性检测结果作为图割输入,有效提高了图割方法的效率和精度;当弱对比度情况下目标与背景边界过渡缓慢且差异极小时,能够得到较好的车辆目标分割效果;所提算法的PRI均值(0.899)和F指数(0.70)均高于其他3种图割方法,GCE值相对集中在0.15~0.17之间,误差较小。
  • 姚志洪, 沈旅欧, 巫威眺, 蒋阳升, 黄磊
    中国公路学报. 2016, 29(8): 134-142,151.
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    为充分反映公交车停靠随机延误对交通流的影响,准确描述异质交通流车队离散规律,提高交叉口车流到达分布预测的精度和自适应信号控制系统的控制效率,在实证研究的基础上,考虑小汽车行程时间、公交行驶时间和停靠时间分布,假设车辆行程时间服从截断正态分布,并通过调查数据拟合分布,拟合决定系数在0.9以上,证明了假设的合理性。基于此,从流量的角度分别推导了公交车和小汽车的车队流量离散模型,进而分析了2种交通流之间的关系,建立了异质交通流车队流量离散模型。最后,通过实测数据分析了下游交叉口到达流量分布与上游交叉口离去流量分布之间的关系,并将该模型与Robertson模型和混合高斯模型进行对比。结果表明:异质交通流条件下,小汽车和公交车车队存在不同的到达分布规律,与小汽车车队相比,公交车车队到达下游的时间较晚且峰值较缓;与Robertson模型和混合高斯模型相比,所提出的模型不仅能够描述异质交通流条件下的车队离散规律,还能充分体现小汽车和公交车各自的车队离散规律,基于此可研究制定公交优先控制策略。研究成果可为离线信号配时、公交优先控制提供理论支持。
  • 汽车工程
  • 林楠, 刘丽, 马力, 施树明
    中国公路学报. 2016, 29(8): 143-151.
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    为解决整车质量在线辨识模型参数适应性问题及质量辨识结果稳定性不理想的问题,提出一种能适应空气阻力变化的在线质量辨识算法。以内燃机商用车为研究对象,使用车辆CAN总线信息和纵向加速度传感器信息,利用纵向动力学和递归最小二乘算法辨识整车质量。算法将计算空气阻力的系数(包含空气阻力系数和整车迎风面积)作为待辨识参数,与整车质量一起组成待辨识的二维向量进行在线辨识;最后利用重型牵引车在真实的交通流环境中开展了较为充分的道路试验,包含满载、半载和空载3种不同载荷的试验,对算法进行了较为全面的验证。研究结果表明:整车质量与空气阻力合成系数同时辨识可以较好地适应商用车空气阻力合成系数变化范围较大的特性;该质量辨识算法在线运行稳定,算法收敛时间在200 s左右,且具有良好的精度和适应空气阻力变化的能力;该算法不仅可以消除质量辨识结果对空气阻力计算精度的依赖,也可以辨识出不同载货形式下的空气阻力合成系数,对整车载荷和外形特征变化大的商用车有较大的优势。
  • 曾育平, 秦大同, 杜长虹, 刘永刚
    中国公路学报. 2016, 29(8): 152-158.
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    为了提高插电式混合动力汽车催化器的转化效率,提出了催化器温度偏离其适宜温度区间时采用附加代价函数实现温度补偿。在此基础上,以发动机燃油消耗和催化器温度偏离适宜温度区间的附加代价为目标函数,依据庞特里亚金极小值原理建立了Hamilton函数,对目标泛函进行求解,获得了计及催化器转化效率的实时控制策略,并将该实时控制策略与未计及催化器转化效率的实时控制策略进行了比较。结果表明:相比于未计及催化器转化效率的实时控制策略,计及催化器转化效率实时控制策略的油耗增加了2.2%,但HC排放、CO排放和NOx排放分别下降了17.9%、25.9%和24.5%,即计及催化器转化效率的实时控制策略在燃油经济性损失不大的情况下可大幅度改善车辆的排放性能。