2021年, 第34卷, 第11期　刊出日期：2021-11-20

  

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  中国公路学报. 2021, 34(11): 0-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2021, 34(11): 0-0.

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院士专栏
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  基于点云数据的大型复杂钢拱桥智能虚拟预拼装方法

  周绪红, 刘界鹏, 程国忠, 李东声, 黄涛, 梁俊海, 刘虎, 刘雨鑫

  中国公路学报. 2021, 34(11): 1-9. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.001

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  基于点云数据的虚拟预拼装主要包括点云数据采集、拼接控制点提取和拼接控制点匹配。针对完整点云数据存在采集困难、处理成本高等问题，提出用局部点云数据代替完整点云数据进行虚拟预拼装的策略；针对目前拼接控制点提取存在依赖专用软件、效率低且主观性大等问题，基于随机采样一致性、霍夫变换等经典算法和图像处理技术提出大型复杂构件横截面和侧面点云数据的拼接控制点智能提取方法；针对拼接控制点对应关系需人工设定的问题，基于超四点快速鲁棒匹配算法、迭代最近邻算法和广义普氏算法提出拼接控制点智能匹配方法。以大型复杂钢拱桥为例，采用所提的方法对拱肋牛腿-拱间横梁节段和拱肋节段-拱肋节段进行智能虚拟预拼装。工程应用结果表明：所提出的智能虚拟预拼装方法不依赖专用软件、效率高、自动化程度好。研究成果可为钢桥施工质量和安装效率的提升提供理论和算法支撑。
桥梁冲刷水毁仿真、推演与防控专栏
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  桥梁水毁研究综述

  熊文, 蔡春声, 张嵘钊

  中国公路学报. 2021, 34(11): 10-28. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.002

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  近年来，桥梁水毁日益频发，已成为桥梁倒塌失效的首要因素。从冲刷、洪水2类最主要的水文因素出发，充分结合历史数据，分析并对比其对桥梁水毁的影响程度与规律；并按2类水文因素所对应的不同桥梁倒塌失效模式，对桥梁水毁现有的研究工作和方法进行总结归纳；最后，聚焦实桥应用，对现有桥梁水毁监测和诊治手段进行全面梳理。综述可得以下结论：①冲刷是导致桥梁水毁的最主要因素，所致失效桥型以桁架桥、梁桥、拱桥为主，桥梁服役时间、结构安全状态、年平均径流量均与桥梁所受冲刷程度存在较强相关性；②冲刷坑空间形态数值仿真与试验结果仍有一定差距，其泥沙模型缺少考虑床沙级配的影响，经验公式法尚需突破计算维度的局限性，完善考虑时间因素和黏性土的冲刷深度预测；③现阶段洪水波流竖向升力计算公式较少考虑脉动压力，浪荷载水槽试验尚未完全探明波浪特性与作用力间的联系，桥梁可靠度研究多见以冲刷为主的多灾害下联合效应计算，仍缺少波流、浪力作用与地震动水作用等其他灾害联合作用的深入探讨；④桥梁抗水目前仍局限于流场与结构域的独立研究，未见不同水文因素下基于结构域-流场多场耦合的桥梁失效模式分析；⑤雷达、声波以及潜水员水下检测是现阶段桥梁冲刷主流监测方式，桥梁冲刷动力识别适用于复杂环境下大规模、区域性桥梁检测，但仍有待进一步的应用研究，而既有桥梁水毁诊治手段在具体实施时需因地制宜，避免反而加剧水文病害。
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  桥梁基础局部冲刷CFD模拟的研究进展

  祝志文, 刘震卿

  中国公路学报. 2021, 34(11): 29-47. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.003

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  局部冲刷是涉水桥梁失效的主要原因之一。合理的桥梁基础局部冲刷估计，对保证桥梁基础的设计、施工和维护具有重要意义。基于CFD开展桥梁基础局部冲刷研究具有现场观测和水槽试验不具备的诸多优点。首先阐述了桥梁基础局部冲刷CFD模拟的控制方程、湍流模型和泥沙输运模型，以及报导的主要CFD模拟软件；介绍了国内外研究进展，总结了现有研究存在的不足，分析了其中的原因，探讨了局部冲刷CFD研究的发展方向。分析表明，现有CFD局部冲刷研究存在流动Re数过小、未考虑来流湍流特性或来流湍流特性估计不足、湍流模型对流动的非定常特性捕捉不足，以及采用经验性的定常流泥沙输运模型等问题，使得局部冲刷坑形态和最大深度估计与试验不符。一种有望解决上述问题的途径是采用大涡模拟数值求解欧拉-欧拉两相流方程，通过求解流体相和泥沙相的质量和动量方程，采用合适的泥沙相和流体相的压格子封闭模型，并合理模拟泥沙相内相互作用和泥沙相与流体相的相互作用，通过组合壁函数实现高效数值求解，以获得桥梁基础局部冲刷的合理估计，从而推动局部冲刷CFD模拟向大尺度模型和高流动Re数发展。
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  深水桥梁垫层隔震基础冲刷演化机理与设计建议

  王琛, 梁发云, 袁野

  中国公路学报. 2021, 34(11): 48-59. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.004

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  群桩和沉井作为跨江海桥梁的基础支撑体系已得到广泛应用，但近年来实际工程的水深不断增加，现有技术已难以适用于50 m以上的超深水环境条件。为研究垫层隔震基础这一新型深水桥梁基础的冲刷演化机理，针对周期为1.2 s，波高分别为4、6、8 cm的3种波浪条件，以及海流流速为25 cm·s^-1，波浪波高为6 cm，周期为1.2 s的波流共同作用条件，开展砂土中垫层隔震基础冲刷演化机理的波流水槽模型试验研究，结合仅单向流作用下的基础体系冲刷演化机制，重点考察并梳理了隔震垫层的5种典型破坏形式及其特点。结果表明：仅存在单向流作用时，垫层的破坏形式主要为边缘破坏、剪切破坏和完全破坏，且严重程度随流速增大而增大；存在波浪作用时，海床泥沙及垫层材料起动后将发生振荡，导致隔震垫层还会发生掩埋破坏和掏底破坏；波流共同作用时，产生的影响比二者单独作用时更严重，对基础体系的正常工作产生严重影响。此外，通过分析交界面位置附近材料在冲刷过程中的滑动与滚动过程，认为颗粒材料的滑动和滚动是造成隔震垫层材料流失的主要原因。最后，对比分析了国内外抛石设计规范中的粒径计算方法，并在此基础上对垫层材料的设计提出建议。
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  基于车激动力响应互相关指标的桥梁基础冲刷诊断方法

  李岩, 钟以琛, 蔡春声, 林雪琦, 孙航

  中国公路学报. 2021, 34(11): 60-71. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.005

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  针对当前桥梁基础冲刷诊断和检测方法过程复杂、成本高且受环境影响大等问题，提出一种基于车激动力响应互相关指标的桥梁基础冲刷诊断方法。该方法通过桥墩和桥跨不同测点的纵向加速度响应自由衰减段信号的互相关分析，建立基础冲刷诊断指标体系，实现冲刷定位和均匀性诊断。首先，依据互相关函数幅值向量置信度判据指标进行基础冲刷初判；然后，通过响应互相关函数幅值向量因子变化率向量进行冲刷定位，再根据横桥向互相关函数幅值变化率向量诊断冲刷均匀性；并通过统计评估方法提高诊断精度；最后，结合1座连续梁桥算例进行多种冲刷工况的数值仿真分析，对所提方法的有效性和适用性进行验证。结果表明：该方法能够很好地实现基础冲刷的定位和均匀性诊断，指标具有较高敏感性；同时具有较好的抗噪性能，通过所提出诊断指标体系的综合使用可消除噪声对诊断结果的干扰。该方法具有诊断结果精度高、过程简便易行、无需进行复杂且误差较大的模态识别、允许试验测试参数和条件适量变化等优点，可嵌入常规桥梁荷载试验同步开展，具有很好的工程应用潜力和实用价值。
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  桩基非对称局部冲刷条件下土体应力变化解析解

  周航, 王增亮, 刘汉龙, 丁选明, 吴岱峰, 刘冒佚, 陈志雄

  中国公路学报. 2021, 34(11): 72-82. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.006

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  传统桩基局部冲刷坑模型主要采用对称形态的坑体来分析，然而实际问题中局部冲刷坑体常为非对称，这使得桩基处于更不利的状态。评价桩基承载力的关键之一是合理计算冲刷坑造成的土体应力状态变化。而对于桩周形成非对称冲刷坑时土体应力变化，目前仍然没有较为完善和严格的理论分析方法。针对该问题，根据已有试验得到的非对称局部冲刷坑形态，提出非对称冲刷坑内土体应力计算的平面应变简化模型；并基于弗拉曼解在半无限空间中的应用，将冲刷坑以上土体看做荷载并引起土体内应力重分布，得到非对称冲刷坑下土体应力分布计算的平面应变解析解。通过有限元中的"生死单元法"模拟非对称局部冲刷坑的形成过程，并将有限元得到的冲刷坑内土体应力结果与解析解计算结果进行对比，验证解析解的正确性。随后基于该方法考虑桩尺寸的影响，得到非对称局部冲刷坑形成后桩周土体的垂直及水平有效应力计算方法，并与有限元计算结果进行了对比。结果表明：在考虑桩尺寸时，解析解计算结果略保守。在此基础之上，对非对称冲刷坑参数的敏感性进行分析，指出桩上、下游侧冲刷深度差值对桩周土体的应力影响较大，得到了非对称冲刷坑下桩周土体的垂直有效应力及水平有效应力差的变化规律，研究结果可为工程设计提供参考。
桥梁工程
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  无湿接缝高强混凝土工字组合梁桥荷载横向分配试验

  贺拴海, 陈杰, 朱钊, 宋一凡, 李源

  中国公路学报. 2021, 34(11): 83-91. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.007

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  预制装配无湿接缝高强混凝土工字组合梁桥由于其装配化程度高、施工速度快等特点，越来越多地应用于中国公路及市政桥梁建设中。为验证该新型结构的受力性能及荷载分配比例，确立合理的设计计算模式和横隔梁设置方法，分别进行了设置5道及3道横隔梁的8梁式桥梁结构现场足尺模型试验，研究适用于该结构的荷载横向分配比例计算方法。试验及分析结果表明：设置3道横隔梁与采用5道横隔梁的横向分配比例接近，边、中梁比例系数分别为1.08和1.14；正弯矩等效加载试验中的应变校验系数、挠度校验系数分别为0.68~0.90、0.60~0.86；荷载横向分配规律现场实测值及精细化数值分析结果均小于传统理论计算方法（梁格法、刚接板梁法、修正刚性横梁法）计算值，表明该类桥梁横向传力均匀，安全储备充足。采用3道横隔板代替5道横隔板进行桥梁设计时，桥梁受力合理、构造可行、结构安全。
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  新旧混凝土结合面抗剪性能的尺寸效应

  方志, 吴荣杰, 裴炳志, 蒋正文

  中国公路学报. 2021, 34(11): 92-103. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.008

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  为研究新旧混凝土结合面抗剪性能的尺寸效应，以结合面不同处理方式（凿毛和凿毛+植筋）和结合面尺寸（高度分别为100、200、330、440 mm，宽度均为200 mm）为试验参数，对2组共16个Z字形新旧混凝土结合试件进行了抗剪试验。结果表明：凿毛试件和植筋试件结合面的抗剪性能均表现出明显的尺寸效应；凿毛试件的临界极限强度和弹性抗剪刚度分别为结合面高度100 mm试件的51%和32%；植筋试件的临界开裂强度、极限强度和弹性抗剪刚度分别为结合面高度100 mm试件的65%、76%和41%。结合面高度大于1 000 mm后，描述凿毛和植筋2类试件结合面抗剪性能特征参数的尺寸效应均趋于稳定；基于试验和分析结果，建立了凿毛和植筋处理时结合面的黏结-滑移本构模型，提出了表征结合面抗剪性能各特征参数尺寸效应律的计算式，可供工程结构设计和分析时参考。
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  高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅱ：结构体系抗力

  张清华, 袁道云, 李俊, 吴亚坤, 崔闯

  中国公路学报. 2021, 34(11): 104-115. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.009

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  为了深刻认识高疲劳抗力钢桥面板的疲劳特性，准确评估其结构体系的疲劳抗力，基于等效结构应力建立了考虑焊接微裂纹对钢桥面板疲劳性能劣化效应的结构体系疲劳抗力评估方法，并通过疲劳试验对所建立的评估方法进行了验证。在此基础上采用所建立的结构体系疲劳抗力评估方法对高疲劳抗力钢桥面板的疲劳开裂模式、疲劳抗力及其影响因素等相关关键问题进行系统研究。研究结果表明：焊接微裂纹的存在会显著降低钢桥面板的疲劳性能，导致主导疲劳开裂模式发生迁移；结构体系设计参数对纵肋与顶板双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节疲劳性能的影响有显著区别，其中纵肋与顶板双面焊构造细节的疲劳性能主要对顶板厚度的变化较为敏感，其疲劳性能随着顶板厚度的增加而显著提升，而纵肋与横隔板新型交叉构造细节的疲劳性能同时受多个参数的影响，其疲劳性能随着顶板厚度、横隔板厚度和纵肋高度的增大而提升，随着横隔板间距和纵肋底板与横隔板之间焊缝长度的增大而降低；传统钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂，高疲劳抗力钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋底板与横隔板交叉构造细节纵肋焊趾开裂；相对于传统正交异性钢桥面板，高疲劳抗力钢桥面板结构实现了主导疲劳开裂模式的迁移，疲劳性能显著提高。
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  不同构造下的预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性能试验

  刘雪山, 李建中, 张宏杰, 陈子阳

  中国公路学报. 2021, 34(11): 116-128. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.010

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  为探讨预制拼装钢管混凝土桥墩抗震力学性能，充分发挥预制拼装钢管混凝土桥墩的抗震能力，以实际桥墩为参考，考虑不同拼装接缝形式、耗能钢筋配筋率和预应力轴压比等参数，设计和制作了6个摇摆式预制拼装预应力钢管混凝土桥墩和2个对比墩（1个摇摆式预应力钢筋混凝土墩和1个承插式预应力钢管混凝土墩），共8个缩尺模型。采用拟静力试验方法，结合数值模拟揭示预应力预制拼装钢管混凝土桥墩的延性能力、自复位性能、滞回耗能特性、破坏模式和破坏机理。试验结果表明：对于2种构造下的钢管混凝土桥墩，摇摆式桥墩因其可发生一定范围内摇摆，并设置预应力筋和耗能钢筋，使其延性与耗能能力更加优异；在墩底设置UHPC座垫层，加载过程中其对承台的破坏相对较小，提高了桥墩的损伤容限；在相同的目标位移下，摇摆式试件残余位移小于承插式试件，表明摇摆式预制拼装钢管混凝土桥墩拥有良好的自复位特性；对于摇摆式预制拼装钢管混凝土桥墩，增大耗能钢筋配筋率，使得试件损伤状态出现滞后，耗能能力增强，减轻墩底接缝破坏程度，同时使得残余位移增大；增大预应力轴压比，其约束试件变形的自复位能力进一步增强，使试件残余位移减小，有利于桥墩在震后功能的快速恢复；通过建立各试件的有限元纤维模型，进一步验证了试验结果的准确性。研究成果可为后续预制拼装钢管混凝土桥墩的设计与应用提供试验基础。
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  分层圆弧峡谷SV波地震差动模拟理论与桥梁破坏模式

  柳国环, 江大来, 刘中宪, 李鑫洋

  中国公路学报. 2021, 34(11): 129-141. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.011

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  为了探究局部地形及场地分层因素对地下多点地震动的影响，建立了分层圆弧峡谷模型，并进行了目标场地多点地震动模拟程序的开发和验证。在此基础上，对一跨越该场地的刚构桥进行了考虑多点激励作用下的地震反应分析。具体内容包括：首先，在推导得到SV波入射层状圆弧峡谷地震反应频域解基础上，依据规范谱确定矩阵的峡谷各位置自谱（绝对值），联合自谱和峡谷相干函数得到互谱，进而与自谱共同构造出功率谱矩阵。由此同时体现了峡谷局部场地三大典型物理效应：散射、相干和分层效应，奠定了SV波入射下层状峡谷多点地震动模拟的基础，填补了由于竖向边界条件难以满足而大多受限于SH波入射理论解研究的空白。其次，基于上述结果，编制代码和可视化开发，实现理论方法程序化，并验证其可行性和可靠性。最后，为研究SV波输入下分层和峡谷效应多点激励对结构的影响，针对一峡谷桥梁进行模型建立、修正、多点地震反应计算以及分析比较。结果表明：①分层效应对结构反应影响明显，传统均匀介质的假定所带来的影响不容忽视；②采用传统适用于平整场地多点地震动作为激励，会导致与峡谷地形多点地震反应差别明显，且会低估结构反应；③SV波斜入射多点激励下所产生地震动的空间变异性，会使得地震反应计算结果幅值出现明显增大现象。该理论方法、程序开发可供类似工程场地分析参考。
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  钢箱梁的声振特性及影响因素研究

  张迅, 曹智扬, 孔德睿, 刘子琦, 郝晨曦

  中国公路学报. 2021, 34(11): 142-152. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.012

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  为分析钢箱梁的声振特性，联合锤击试验和统计能量分析（SEA）方法从统计能量分析参数和声振响应两方面进行研究。首先，以某钢箱梁节段[10.1 m（长）×4.8 m（宽）×3.1 m（高）]为对象，通过锤击激励获得顶板和底板不同位置的加速度频响函数。然后，建立SEA模型预测钢箱梁的振动声辐射，考察了各板件在100~5 000 Hz频段的模态数，并将加速度频响函数的仿真结果与实测值进行对比。最后，通过数值仿真分析，探讨了结构设计参数（加劲肋和横隔板）对统计能量分析参数和钢箱梁声振响应的影响规律。研究结果表明：除个别频带外，顶板和底板不同测点位置的加速度频响函数没有显著差异；SEA方法可较精确地预测钢箱梁的高频振动噪声，且相比有限元方法具有更高的计算效率；设置加劲肋后，板件的模态密度和输入功率均下降，子系统间的耦合程度降低，但板件的辐射效率增大；设置加劲肋后，顶板和底板的振动速度级在每个频带平均下降8.2 dB和6.7 dB，钢箱梁声功率级在每个频带平均减小3.1 dB（A）；相比加劲肋厚度而言，加劲肋间距对钢箱梁声振响应的影响更大，应优先作为声学优化的主要参数；横隔板可在一定程度上降低板件的振动响应，取消横隔板将导致钢箱梁声功率级在每个频带平均增大1.3 dB（A）。
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  消能自复位摇摆框架墩结构地震反应及易损性分析

  周雨龙, 韩强, 张劲泉, 程寿山, 王利辉

  中国公路学报. 2021, 34(11): 153-164. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.013

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  摇摆构造可限制结构的地震损伤和残余位移，从而提升结构的震后恢复能力。以消能自复位摇摆框架墩结构为研究对象，基于摇摆刚体假定，建立消能自复位摇摆框架墩结构的动力分析模型，并通过试验结果验证了该模型的有效性。模型中采用拉格朗日方程推导出结构的运动学方程，并考虑了桥墩复位碰撞所造成的速度折减以及预应力束和阻尼器的失效。以黄徐路摇摆桥梁结构为工程背景，对消能自复位摇摆框架墩结构进行实例分析、参数分析和易损性分析。实例分析和参数分析结果表明：阻尼器和预应力束的联合应用可减小结构的位移反应，阻尼器刚度的量纲一化参数（ρ_d）越大则结构减震效果越好，且在脉冲近场地震作用下的减震效果更为明显。针对阻尼器屈服、阻尼器失效、预应力束失效和结构倒塌4个极限状态的易损性分析的结果表明：在E1地震作用下，阻尼器失效、预应力束失效和结构倒塌的发生概率极小；在E2地震作用下，阻尼器极易发生屈服，阻尼器失效和预应力束失效的概率小于20%，结构倒塌的发生概率近乎为0；在脉冲近场地震作用下，ρ_d增大可降低各极限状态的发生概率，预应力束刚度的增大对各极限状态的发生概率影响较小，预应力束初始应力的增大会增加预应力束失效的发生概率。
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  RC桥墩加载刚度退化及等效阻尼比试验

  邵长江, 韦旺

  中国公路学报. 2021, 34(11): 165-177. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.014

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  为揭示钢筋混凝土实心墩和空心墩的刚度退化规律及等效阻尼比，以剪跨比、配箍率和配筋率为设计参数，开展了7个方形实心墩和7个方形空心墩的低周往复加载试验。基于拟静力试验结果，探讨不同设计参数对实心和空心墩的滞回耗能及刚度退化的影响，建立了等效阻尼比与位移延性系数之间的关系，给出方形墩等效阻尼比的统一计算模型。通过文献中8组试验结果评估既有等效阻尼比公式，并验证所提出模型的适用性。研究结果表明：剪跨比对滞回耗能的影响不显著，而增加配筋率则可提高构件耗能能力；剪跨比对刚度退化的影响较配筋率和配箍率大，剪跨比越小的试件刚度退化越快；位移延性系数μ<3时，刚度退化系数随位移延性系数的增加呈指数下降，位移延性系数μ ≥ 3时刚度退化系数随位移延性系数的增加呈线性下降；等效屈服前等效阻尼比与刚度退化系数呈线性关系，等效屈服后等效阻尼比与刚度退化系数呈指数关系。既有等效阻尼比公式中，Priestley、程光煜和张艳青等所提公式的计算结果与试验值较为接近；较既有公式，所建议公式的计算值与试验值更为接近，适用于估算方形实心和空心墩的等效阻尼比。
隧道工程
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  运营隧道衬砌病害诊治的现状与发展

  刘德军, 仲飞, 黄宏伟, 左建平, 薛亚东, 张东明

  中国公路学报. 2021, 34(11): 178-199. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.015

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  衬砌病害诊治是隧道运营维护的首要任务。为形成隧道衬砌病害诊治现状与发展趋势的系统认识，从病害类型及成因、病害检测技术、病害加固治理方法3个方面对其发展现状进行了详细阐述和分析，并讨论了衬砌诊治研究尚存在的不足和下一步可能的研究重点。主要结论显示：①不同类型隧道衬砌的主要病害类型已基本明确，但是病害产生原因诊断方法及产生机制尚需进一步研究；②衬砌病害检测技术和方法取得了长足的进步，集合多种检测技术的病害智能检测识别系统成为了研究的主流方向，但是病害信息的快速、高精度拾取和智能识别仍是亟待解决的技术瓶颈；③经过多年研究，已形成了围岩（地层）注浆和内表面加固这2种较为完善的衬砌加固技术方法体系，加固方法作用机制、耦合加固技术和加固设计方法是下一步的可能研究重点。最后，介绍了笔者在衬砌内表面加固研究方面取得的最新进展：开发了隧道衬砌快速早强的FRP网格加固方法，该方法2个小时内即可起到加固作用；提出了衬砌内表面加固界面模拟方法，系统探讨了围岩抗力、前期受力、材料用量、加固范围等对加固效果的影响规律和作用机制；建立了内表面加固的衬砌正截面承载性能及裂缝扩展全过程分析理论。
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  围压对错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响

  郭文琦, 封坤, 苏昂, 何川, 肖明清

  中国公路学报. 2021, 34(11): 200-210. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.016

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  为了探明围压对盾构隧道错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响，以苏通GIL电力管廊隧道为工程背景，采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"对3种不同围压下的错缝拼装的管片衬砌结构进行了原型加载试验，从管片衬砌结构的内力、变形、纵缝张开、螺栓应变和主筋应变等方面研究了围压对管片衬砌结构的影响。研究结果表明：①围压变化对管片衬砌结构弯矩的大小和分布影响较小，而对轴力大小和分布影响较大，围压增大，管片衬砌结构的轴力分布更为均匀；②管片衬砌结构的形变呈现不规则的"椭圆形"，围压增大可显著降低管片衬砌结构的整体形变，提高管片衬砌结构的稳定性；③围压增大有利于控制管片纵缝张开量，减小螺栓的应变；④围压的增大能够降低管片内侧主筋拉应变，但管片外侧主筋的压应力会随围压的增大而增大，使得正常使用阶段管片外侧主筋应力由压应力控制；⑤围压增大能够有效延长管片衬砌结构单点位移、纵缝张开、螺栓应变线性变化过程，延缓了管片衬砌结构进入塑性变形的时间；⑥高围压条件下管片结构处于高轴压受力状态，使得管片结构外侧受压钢筋应力增大，易造成钢筋屈服先于混凝土压溃发生，使管片结构抗压强度降低。在进行工程设计时，建议对高围压下管片结构的外侧受压钢筋进行加强设计。
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  断层破碎带内隧道纵向受荷特征和变形分析

  颉永斌, 董建华

  中国公路学报. 2021, 34(11): 211-224. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.017

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  为了探究断层破碎带处隧道沿纵向的变形和受力特征，首先基于筒仓理论和地层应力分布特征，考虑断层破碎带的几何特征和围岩特性，建立了断层破碎带内隧道纵向荷载简化计算模型，并利用应力传递原理进行了求解；其次将隧道简化为破碎带纵向荷载作用下的弹性地基梁，利用有限差分理论计算了破碎带纵向荷载作用下的隧道变形和受力特征。开展了相应的数值模拟和室内模型试验，结合试验数据和数值计算结果对理论模型进行了验证，并分析了埋深、破碎带宽度和倾角变化对隧道纵向变形和受力的影响。结果表明：①埋深越大，破碎带内纵向荷载越大，但纵向荷载的增长速率越小，隧道在上下盘与破碎带交界面附近的剪力和弯矩差值越小；②破碎带宽度越大，纵向荷载整体越大，隧道在上下盘与破碎带交界面附近的剪力和弯矩差值越大，最大变形位置越接近于下盘和破碎带交界面；③破碎带倾角越大，纵向荷载越接近于均布，上下盘和破碎带交界面附近变形和受力越趋于对称。
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  细水雾与排烟系统共同作用下地铁车站火灾烟气蔓延规律

  王亚琼, 李勇, 孙铁军, 任锐, 李浩

  中国公路学报. 2021, 34(11): 225-235. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.018

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  为研究岛式地铁车站内列车发生火灾时，站台细水雾与排烟系统对烟气蔓延的控制效果，依托西安地铁4号线岛式地铁车站，采用FDS软件建立1：1的数值仿真模型，选择大涡模拟，研究站内列车火灾规模为5 MW时，站台细水雾与排烟系统共同作用下，火灾烟气蔓延速度、能见度与温度场的分布特征，分析了细水雾与排烟系统对烟气蔓延特性的影响规律；并通过缩尺模型试验，验证了数值模拟方法研究细水雾控制地铁火灾烟气蔓延的可靠性。研究结果表明：车门间隔开启时，烟气先向列车两侧蔓延，150 s时扩散至整个车厢并向站台层蔓延，当开启站台细水雾时，烟气温度明显下降，且随着细水雾粒径的减小与流量的增大，烟层降温效果增强；当水雾粒径为100 μm，流量为8 L·min^-1时，距离站台中线3 m处断面平均温度为36.19℃，较未开启细水雾时温升降幅可达62.91%；同时细水雾使得烟层蔓延速度减小，在开启细水雾系统后200 s内2^#楼梯口平均空气质量流速下降39.72%；当开启排烟系统时，可使列车内温度场纵向分布最大值向火源下游移动，加快站台层及列车内对流换热效率，使细水雾的气相冷却作用得到加强，二者同时作用时降温阻烟效果最佳。
交通工程
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  基于长短期记忆网络的换道意图识别方法

  宋晓琳, 曾艳兵, 曹昊天, 李明俊, 易滨林

  中国公路学报. 2021, 34(11): 236-245. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.019

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  准确识别周围车辆的换道意图将有助于自动驾驶系统决策，从而提升安全性和舒适性。提出一种基于长短期记忆（Long Short-term Memory，LSTM）网络的换道意图识别方法，能够较为准确地识别周围车辆的换道意图。该方法先通过构造收益函数来描述目标车辆（被预测的车辆）与其邻域车辆之间的交互关系，得到目标车辆左换道、右换道和车道保持的收益值，并将该收益值作为交互特征输入到意图识别网络；在意图识别网络中，引入注意力机制，通过网络自学习得到的权重对LSTM层各个时刻的输出加权求和，能够对编码信息进行有效利用，提高换道意图的识别性能；由于车辆的换道意图存在较强的前后依赖性，引入条件随机场（Conditional Random Field，CRF），采用意图转移特征函数对各个时刻换道意图进行联合建模，并构建负对数似然损失函数作为整个网络的损失。为了验证所提方法的有效性，基于NGSIM数据集训练并评估模型。结果表明：所提方法对换道意图识别的准确率、宏观F1分数、测试集损失分别为0.916 4、0.874 6和0.168 3，均优于支持向量机（SVM）、隐马尔可夫模型（HMM）和LSTM模型。同时，所提模型对左换道和右换道的平均换道提前识别时间分别为3.08、2.33 s，综合换道提前识别时间为2.81 s，优于基线模型，能够为主车的决策提供充足的冗余时间。通过消融分析可知，引入的交互作用模块、注意力机制和条件随机场对准确率的贡献分别为0.012 2、0.004 3和0.011 0，印证了相关模块的有效性。最后由场景验证的案例可以得出，所提方法在准确率、稳定性和换道提前识别时间等指标上优于对比模型。
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  基于TD3算法的人机混驾交通环境自动驾驶汽车换道研究

  裴晓飞, 莫烁杰, 陈祯福, 杨波

  中国公路学报. 2021, 34(11): 246-254. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.020

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  提高人类驾驶人的接受度是自动驾驶汽车未来的重要方向，而深度强化学习是其发展的一项关键技术。为了解决人机混驾混合交通流下的换道决策问题，利用深度强化学习算法TD3（Twin Delayed Deep Deterministic Policy Gradient）实现自动驾驶汽车的自主换道行为。首先介绍基于马尔科夫决策过程的强化学习的理论框架，其次基于来自真实工况的NGSIM数据集中的驾驶数据，通过自动驾驶模拟器NGSIM-ENV搭建单向6车道、交通拥挤程度适中的仿真场景，非自动驾驶车辆按照数据集中驾驶人行车数据行驶。针对连续动作空间下的自动驾驶换道决策，采用改进的深度强化学习算法TD3构建换道模型控制自动驾驶汽车的换道驾驶行为。在所提出的TD3换道模型中，构建决策所需周围环境及自车信息的状态空间、包含受控汽车加速度和航向角的动作空间，同时综合考虑安全性、行车效率和舒适性等因素设计强化学习的奖励函数。最终在NGSIM-ENV仿真平台上，将基于TD3算法控制的自动驾驶汽车换道行为与人类驾驶人行车数据进行比较。研究结果表明：基于TD3算法控制的车辆其平均行驶速度比人类驾驶人的平均行车速度高4.8%，在安全性以及舒适性上也有一定的提升；试验结果验证了训练完成后TD3换道模型的有效性，其能够在复杂交通环境下自主实现安全、舒适、流畅的换道行为。
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  人机混驾环境下混行车辆雾模型研究

  梁军, 徐鹏, 蔡英凤, 陈龙, 刘擎超

  中国公路学报. 2021, 34(11): 255-264. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.021

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  目前搭载高级驾驶辅助系统和车联网（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）技术的智能网联车（Intelligent Connected Vehicles，ICV）正大量涌入人工驾驶车（Manual Vehicle，MV）流之中，ICV与MV共存的异构车辆混行交通态势逐步形成，异构车辆之间的交互产生壁垒。混行之下单个ICV虽可依托单车硬件传感与单车计算单元实现与MV的交互意图识别，但其受有限算力与有限传感的影响，资源负载增大，时效性与安全性方面存在一定的误差与风险，而混行之下的VANET技术也不能够提供全局性车路资源用以高度匹配ICV与MV的交互场景，而且越来越多的ICV计算需求也在激增VANET的负载压力。对此，结合边缘计算概念中的雾计算理论，提出混行车辆雾模型（Mixed Vehicle Fog，MVF），充分发挥车联网络边缘节点能力，通过合理整合调度ICV资源的方法，解决对MV正常交互意图计算的时效性与安全性问题。该模型首先通过各感知单元响应混行交通环境下ICV与MV的正常交互事件，然后利用基于容错节点分簇的资源调度算法（Fault-tolerant Node Clustering Resource Scheduling Algorithm，FNC-RSA），动态划分局部路段内对交互事件具有相关意图感知与计算需求的ICV为一组"协同雾群"，再评估雾内ICV节点自身资源与路由代价，定向定量调度资源，最终实现雾群内部MV交互信息共享与驾驶意图协同计算。试验借助Prescan和MATLAB搭建联合仿真平台，与低能耗自适应分簇型路由算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）模型对比，验证MVF模型的运行效率与模型鲁棒性。研究结果表明：MVF模型通过交互事件细分协同雾群，保证了计算负载均衡，提高了ICV定向资源计算与传输效率，比LEACH模型降低了55.17%的平均跳数，缩短了45.40%的平均任务完成时间，抗时延干扰能力强，鲁棒性能优异。该模型对于打破混行环境异构车辆交互壁垒，提高混行道路交通行车安全，创造车联网络良性发展空间具有积极作用。
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  专用短程通信辅助的车辆卫星定位故障检测方法

  刘江, 蔡伯根, 王剑, 赵泽乾

  中国公路学报. 2021, 34(11): 265-281. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.022

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  为了确保卫星定位性能满足特定协作式智能交通应用需求，提高车辆定位系统的故障容错能力，针对车辆卫星定位的自主故障检测与性能优化问题，提出基于专用短程通信辅助的卫星定位故障检测方法，充分利用专用短程通信设备的测距率观测信息，实现故障检测对不同类型卫星可视条件的有效适应。基于专用短程通信多普勒观测特性，构建基于载波频偏的车间测距率观测模型；设计卫星定位与专用短程通信组合观测与解算框架；基于容积卡尔曼滤波提出适于非线性观测特征的故障检测、识别与排除算法，并叠加量测噪声方差矩阵动态调整策略，对故障检测性能进行优化；基于实测试验检验车间测距率的观测性能，并运用实车轨迹对多车协同运行及定位采集过程进行仿真，检验所提出方法的故障检测性能。研究结果表明：提出的方法有效解决了常规接收机自主完好性监测算法受卫星可视条件限制的问题，所引入的量测噪声方差矩阵调整策略提升了故障检测及故障排除性能的稳定性，在给定仿真场景中，常规卫星观测条件下阶跃故障、斜坡故障排除率相对常规方法最高可分别提升52%、18%，受限观测条件下不同水平2类故障的排除率最高分别可达100%、89%，边界观测条件下不同水平2类故障的检测率最高分别可达100%、96%。研究结果对于充分发挥车-车协同模式的核心优势、保障车辆定位性能具有重要价值。
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  基于抽样车辆轨迹数据的信号控制交叉口排队长度分布估计

  谈超鹏, 姚佳蓉, 唐克双

  中国公路学报. 2021, 34(11): 282-295. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.023

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  排队长度是评价信号控制交叉口运行状态的重要参数之一。现有大多数基于抽样车辆轨迹数据的排队长度估计方法可以实现周期级排队长度估计，但是需要信号配时、渗透率或车辆到达分布等实践中难以获取的输入信息。此外，这类方法在低渗透率条件下往往难以确保估计结果的准确性和可靠性，极大地限制了其实用性。因此，提出一种抽样车辆轨迹数据驱动的时段级信号控制交叉口排队长度分布估计方法，可不依赖任何交通流理论模型和前述输入信息实现排队估计。首先，通过理论推导可以证明时段内抽样车辆的停车位置分布和排队长度分布之间可互相转化；然后，提出一种扩展的核密度估计方法来拟合并平滑抽样车辆停车位置分布，从而有效地适应不同日期和周期的轨迹叠加所带来的波动，提高方法的适用性；最后，基于前述推导和拟合的停车位置分布实现时段排队长度分布、平均排队长度和百分位排队长度估计。分别采用仿真和实证数据对上述方法进行验证和评价。结果表明，通过叠加5 d相同时段的抽样轨迹数据，15 min的平均排队长度估计误差仅为1.59 veh，相对误差仅为9%。同时，面向不同分析时长，只要给定超过100 veh抽样车辆的观测样本，无论渗透率高低，所提出的方法在定时或自适应信号控制交叉口都可实现时段排队长度分布的准确估计，其成果可进一步用于信号控制交叉口运行可靠性评估以及多时段定时信号控制的鲁棒优化。
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  排阵式交叉口几何设计与信号控制协同鲁棒优化

  赵靖, 陈凯佳, 周溪召

  中国公路学报. 2021, 34(11): 296-305. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.024

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  针对排阵式交叉口在实际交通波动环境中存在车辆滞留排序区，运行效率稳定性难以保障的问题，提出了鲁棒优化方法，平衡交叉口运行的效率和稳定性。在分析排阵式交叉口运行特性的基础上，指出了其运行效率波动性与交叉口几何设计、信号控制、交通需求、饱和流率和运行车速这5个因素有关。确定了将交通需求、饱和流率和运行车速这3个客观波动因素作为模型的输入参数，将几何设计和信号控制这2个可受设计人员控制的要素作为模型的优化控制变量进行协同优化的模型框架。在此基础上，以交叉口车均延误条件风险值最小为目标，考虑了各流向车道数、信号相位相序、排序区车辆清空等方面的约束条件，构建了基于情景的鲁棒优化模型，并建立了遗传算法对模型进行求解。通过案例分析，对鲁棒优化模型的置信水平取值和算法准确性进行了分析，证明了算法可以使目标函数收敛到最小值，并基于蒙特卡洛模拟对优化效益进行了检验。研究发现，所建立的几何设计与信号控制协同鲁棒优化模型可实现在交通需求和供给的波动下，对排阵式交叉口的车道功能、排序区长度以及主、预信号控制进行协同优化。相较于确定性的设计方法，在平均延误层面基本维持原有水平，但对延误标准差和最大值有着较为明显的改善，案例中分别减少了48%和23%。
汽车工程
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  智能网联汽车节能优化关键问题与研究进展

  洪金龙, 高炳钊, 董世营, 程一帆, 王玉海, 陈虹

  中国公路学报. 2021, 34(11): 306-334. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.025

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  汽车保有量的增加和能耗排放法规日益严格的限制给车辆节能减排提出了巨大挑战，网联化、智能化和电气化是提高未来交通效率和减少公路能源消耗的三大支柱。为了全面了解智能网联汽车节能减排的前沿问题与研究进展，对当前经济驾驶领域的重点问题进行了总体概述。首先，从广义的能量转换角度总结了智能车辆节能优化技术的本质和3个过程，其中Wheels to Distance环节的车辆系统优化是挖掘汽车节能潜力的重要一环，针对其介绍了智能网联汽车节能优化问题的基本数学原理；其次，从智能运输系统的各类非同源异构数据出发，分别从人-车交互、车-车通信、车-路感知三方面阐述来源于"人-车-路"交互体系的智能信息与数据；然后，针对单车智能网联环境下的多维度信息与先进控制技术相结合的关键问题，从考虑道路坡度预测巡航控制、跟车工况预测巡航控制、智能辅助驾驶和车道变换等应用场景进行具体介绍；针对"人-车-路-云"多源异构环境下车辆行为协同节能关键科学问题，从经济驾驶、多车协同节能、道路交叉口车路协同节能和车云协同节能等方面详细介绍研究现状；并进一步介绍电气化公路系统的前瞻性研究，说明融合智能化信息的E-highway节能潜力和智能重型商用车协同节能的未来发展趋势。最后，总结并梳理智能化信息对于提升车辆节能的重要影响，并展望了其在理论与实际层面遇到的挑战。
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  基于强化学习DDPG的智能车辆轨迹跟踪控制

  贺伊琳, 宋若旸, 马建

  中国公路学报. 2021, 34(11): 335-348. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.026

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  针对智能车辆在轨迹跟踪过程中的横向控制问题，提出一种基于强化学习中深度确定性策略梯度算法（Deep Deterministic Policy Gradient，DDPG）的智能车辆轨迹跟踪控制方法。首先，将智能车辆的跟踪控制描述为一个基于马尔可夫决策过程（MDP）的强化学习过程，强化学习的主体是由Actor神经网络和Critic神经网络构成的Actor-Critic框架；强化学习的环境包括车辆模型、跟踪模型、道路模型和回报函数。其次，所提出方法的学习主体以DDPG方法更新，其中采用回忆缓冲区解决样本相关性的问题，复制结构相同的神经网络解决更新发散问题。最后，将所提出的方法在不同场景中进行训练验证，并与深度Q学习方法（Deep Q-Learning，DQN）和模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）方法进行比较。研究结果表明：基于DDPG的强化学习方法所用学习时间短，轨迹跟踪控制过程中横向偏差和角偏差小，且能满足不同车速下的跟踪要求；采用DDPG和DQN强化学习方法在不同场景下均能达到训练片段的最大累计回报；在2种仿真场景中，基于DDPG的学习总时长分别为DQN的9.53%和44.19%，单个片段的学习时长仅为DQN的20.28%和22.09%；以DDPG、DQN和MPC控制方法进行控制时，在场景1中，基于DDPG方法的最大横向偏差分别为DQN和MPC的87.5%和50%，仿真时间分别为DQN和MPC的12.88%和53.45%；在场景2中，基于DDPG方法的最大横向偏差分别为DQN和MPC的75%和21.34%，仿真时间分别为DQN和MPC的20.64%和58.60%。
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  结构-电磁激励下某电驱总成噪声控制

  郭栋, 张韬, 李文礼, 陈芳超, 任杰

  中国公路学报. 2021, 34(11): 349-358. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.027

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  针对某电动汽车电驱总成的噪声问题，依据电驱总成车内噪声产生机理，进行整车状态声振特性测试，运用不同工况组合下的频谱特征和阶次特征等分析方法，识别出该电驱总成噪声问题为结构共振和电磁激励所致。针对结构共振问题，考虑电驱总成结构耦合特性、电机材料复杂多样性和线圈绕组质量，建立电驱总成有限元分析模型，求解出电驱总成的模态和振动响应，并通过敲击法模态试验得到模态参数进而对有限元模型进行验证，在此基础上以模态应变能为依据对电驱总成结构的局部刚度进行优化，提升结构共振频率，降低共振风险。针对电磁激励问题，以电驱总成中的永磁同步电机为研究对象，建立电磁仿真分析模型，以影响磁通密度的转子槽口的槽形、槽宽、槽深和槽间角度4个因素建立正交试验设计表，通过极差值得到各因素对齿槽转矩和输出转矩的影响水平，最后以降低齿槽转矩、加工工艺简单和对输出转矩影响小为目标，运用16组具有代表性的电磁方案，完成256个参数组合的寻优，并对优化方案进行了数值仿真计算。研究结果表明：优化方案的改善效果较显著；研究可为电动汽车车内噪声改善提供试验技术支持，并为电驱总成的结构共振噪声和电磁噪声控制提供方法参考。