2023年, 第36卷, 第6期　刊出日期：2023-06-30

  

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  中国公路学报. 2023, 36(6): 0-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2023, 36(6): 2-0.

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路面工程
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  增容剂对煤直接液化残渣与石油沥青相容性的改善效果评价

  季节, 黄昶惟, 马童, 徐新强, 张健, 韩秉烨, 魏建明

  中国公路学报. 2023, 36(6): 1-13. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.001

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  为分析苯甲醛(Benzaldehyde, BENZ)和邻苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Phthalate, DOP)对煤直接液化残渣(Direct Coal Liquefaction Residue, DCLR)与石油沥青相容性的改善效果，选取饱和分、芳香分、沥青质与胶质代表沥青四组分，采用分子模拟软件(Materials Studio, MS)组建SK-90沥青、DCLR、BENZ、DOP单体分子模型，并利用以上分子模型构建14种体系，通过分子动力学模拟计算体系间溶解度参数差值、Flory-Huggins参数、体系间相互作用能，探究单掺或复掺BENZ和DOP对DCLR与SK-90沥青相容性的影响机制，并分析BENZ和DOP对DCLR与SK-90沥青相容性的改善效果。研究结果表明： BENZ和DOP的掺入提高了SK-90沥青的溶解度参数，从而使SK-90沥青与DCLR体系间溶解度参数差值降低，提升了DCLR与SK-90沥青的相容性；3种掺配方式对DCLR与SK-90沥青相容性提升效果排序为复掺BENZ和DOP>单掺BENZ>单掺DOP；相互作用能中范德华势能与非键接能作为评价DCLR与SK-90沥青间相容性的指标比静电势能更优异。
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  沥青路面表面纹理重构与构造深度预测模型（双语出版）

  阳恩慧, 陈强, 李杰, 狄海波, 黄兵, 邱延峻

  中国公路学报. 2023, 36(6): 14-23. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.002

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  为了实现通过调整混合料的级配设计来获得期望的路面平均构造深度的目标，采用高精度三维激光扫描技术，采集了AC、SMA、OGFC三种典型级配的沥青混合料试件表面纹理特征信息。通过邻域插值法对采样数据的异常值和离群值进行替换,并通过均值滤波对采样数据进行降噪处理后，三维重构了试样表面；在采用傅里叶变换得到重构表面频域信息的基础上，根据宏观纹理的波长对应的频率设计带通滤波器，从重构表面中分离并提取出了路面宏观纹理。应用蒙特卡罗算法计算了路面的平均构造深度，通过采用筛上质量比-粒径积同时考虑了混合料的粒径和筛孔通过率对平均构造深度的影响。采用多元线性回归、随机森林和人工神经网络的方法，建立筛上质量比-粒径积与平均构造深度的预测模型，研究了混合料级配对沥青路面平均构造深度的影响。研究结果表明：均值滤波在去除噪声信号的同时也比较完整地保留了高程轮廓特征，三维重构的试样表面特征与原始表面特征一致；平均构造深度会受到级配曲线中除最大公称粒径外的其他粒径及筛孔通过率的影响；通过多元线性回归、随机森林和人工神经网络3种模型建立了以各筛孔尺寸的筛上质量比-粒径积为自变量，平均构造深度为因变量的回归模型，得到的预测值与实测值的决定系数R²在0.95以上。
路基工程
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  粉细砂填料土工格室柔性挡墙工程性状研究

  杨晓华, 李浩, 曾浩, 孔永博, 晏长根

  中国公路学报. 2023, 36(6): 24-35. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.003

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  以孟加拉达卡绕城公路项目为依托，通过模型试验和数值模拟对以粉细砂为填料的土工格室柔性挡墙工程性状进行了研究。模型试验结果表明：柔性挡墙墙背土压力近似“R”形分布，墙身水平位移为“鼓形”分布，在墙高H/2处墙背土压力明显减小且墙身水平位移最大，水平位移最大值为66 mm；土工格室壁应变曲线呈反“S”形分布，在墙高H/2以下时，格室壁最大应变面从墙趾到墙背线性发展，与水平面的夹角为34°，墙高H/2以上时，格室最大应变面沿墙背发展，柔性挡墙的潜在破裂面即格室壁最大应变的连线。在此基础上，通过有限元软件ABAQUS研究了不同墙宽B、坡率R、高宽比H/B及格室间距和地基模量下柔性挡墙的受力变形特性，数值模拟结果表明：墙宽与最大高度成正比，坡率与最大高度成反比，墙宽2 m的最大高度为7.3~8.5 m，墙宽3 m的最大高度为8.1~9.8 m，墙宽4 m的最大高度与墙宽3 m接近，介于8.2~10.2 m之间。高宽比增大时，墙身水平位移和挠曲变形均变大，且最大位移点随墙高的增加由H/2逐渐降低到距墙底约H/3；土工格室层的间距与墙身水平位移成正比，与墙背土压力成反比，格室层的最大间距不宜超过格室高度的75%；地基模量的降低使柔性挡墙破坏模式变成了外部失稳的整体滑动，墙身水平位移和墙背土压力由非线性分布变成近似线性分布，滑动面切过墙后填土及地基土，墙身水平位移最大点出现在墙顶处。试验结果可为柔性挡墙设计提供参考。
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  融化期川西地区季节冻土边坡稳定性分析

  崔凯, 吴博涵, 李琼林, 刘杰, 苏磊

  中国公路学报. 2023, 36(6): 36-48. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.004

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  为解决融化期季冻区边坡失稳问题，针对川西高原地区混合土边坡，综合考虑粗颗粒含量及含水率影响，采用大型直剪与常规直剪相结合的试验方案，获取混合土抗剪强度参数，基于冻土水热耦合理论，通过COMSOL有限元软件对边坡融雪入渗过程进行数值模拟，分析边坡水热场时空变化规律，同时考虑冻融过程中土体强度参数动态改变建立季冻区混合土边坡稳定性计算分析模型，分析融化期混合土边坡稳定系数、滑动面发展规律，定量分析总结融化期季冻区边坡失稳机理。结果表明：相同干密度条件下，混合土饱和渗透系数与粗颗粒含量成正比，抗剪强度与粗颗粒含量成正比而与含水率成反比；融化期边坡融雪入渗作用加强，浅层土体处于富水状态，形成最大厚度0.80 m的暂态饱和区；川西季冻区混合土边坡潜在滑动面与冻融交界面位置基本一致，滑动面形式主要是折线型，为浅层滑动；融雪入渗与冻土消融作用是季冻区边坡融化期失稳破坏的主要诱因，融化期间边坡稳定性系数减小速率随融雪入渗过程逐渐加快，融化深度最大时，边坡稳定性系数最小；川西地区季节冻土边坡稳定性主要影响因素为粗颗粒含量与初始含水率，粗颗粒含量越高，初始含水率越低，融化期边坡稳定性越好。
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  顺向缓倾岩层临坡地基复合破坏模式与极限承载力计算

  胡惠华, 王宏祥, 张鹏, 曹文贵, 刘榕, 刘海波

  中国公路学报. 2023, 36(6): 49-57. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.005

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  顺向缓倾岩层临坡地基的破坏模式及极限承载力，与层面抗剪性能及产状与组合关系密切相关。迄今为止，众多学者基于临坡地基极限承载力的滑移线法对这一问题开展了研究，这些方法可以考虑层面特征与组合关系的影响，相比其他方法具有明显优势。然而这些研究大多都假设主动朗肯区底部与优势结构面直接相接，忽略普朗特尔过渡区的范围，这在一些情况下会出现计算结果偏大等问题。针对上述问题，基于滑移线严格解，考虑地基中客观存在的普朗特尔过渡区，采用应力间断面静力分析的力矩平衡法，建立了顺向缓倾岩层临坡地基极限承载力试算方法。采用该方法对不同倾角的顺向缓倾岩层破坏模式进行了分类：当岩层倾角小于最小临界值β_min,时，岩体发生“自锁”，为均质破坏模式；当岩层倾角大于最大临界值(β_min,β_max)时，发生顺层滑动破坏；当岩层倾角位于区间β_max时，发生复合破坏模式。最后将该模型应用于洞庭溪沅水特大桥中。结果表明：忽略过渡区范围的双平面破坏模式在该工程中应用时，计算结果偏大；所提方法计算结果最小，符合潘家铮“极小值”原理，计算结果更准确。所提方法考虑了岩基中层面特征组合与客观存在的普朗特尔过渡区的影响，计算确定了顺向缓倾岩层临坡地基不同破坏模式下岩层倾角临界值，并通过试算确定复合破坏模式中抵抗力最小破坏面，是一种准确确定临坡地基承载力的新方法。
桥梁工程
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  连续钢箱梁抗火性能试验与演变机理

  张岗, 李徐阳, 汤陈皓, 宋超杰, 袁卓亚

  中国公路学报. 2023, 36(6): 58-70. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.006

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  为研究火灾下具有板式橡胶支座支承条件的连续体系多室钢箱结构桥梁的高温响应，设计并制作了两榀两跨连续双室钢箱结构模型试验梁，对其开展了跨中区域与负弯矩区域的耐火试验。采用横向偏位加载实现弯扭耦合作用效应，制作了板式橡胶支座以研究火灾过程中支座性能的退化。通过试验获取了双室钢箱梁的截面温度分布特征、高温变形规律、钢梁屈曲模式以及裂缝开展过程，探析了火灾后钢材与橡胶支座的性能；然后建立了数值分析模型进行验证，结合模型计算剖析了其内力重分布规律与破坏过程，分析了负弯矩区功能失效路径，并开展了参数对比分析，揭示了连续钢箱梁抗火性能演变机理。研究结果表明：火灾下双室钢箱梁中腹板与边腹板的最大温差超过160 ℃，截面温度梯度分布受火灾强度的影响较大；单跨受火时受火跨持续下挠，而非受火跨先上拱后下挠，中支点受火时仅在末期出现位移激增，弯扭-高温耦合作用下双室钢箱梁出现随受火时间明显增长的横向扭转变形，破坏时截面两侧的挠度差值达到94 mm；连续钢箱梁在受火前期会发生剧烈的内力重分布，负弯矩区急剧扩大，中支座反力骤增至常温时的2倍以上；单跨受火时钢箱梁破坏状态表现出随着中支点附近的塑性扩展最终发展至受火跨的垮塌，而中支点受火时钢箱梁破坏状态则呈现出支点处钢梁的突然压溃，同一升温条件下中支点受火的钢箱梁破坏要远早于单跨受火，耐火极限缩短约40%；试验梁经历最高温933 ℃和825 ℃后，底板取样钢材的剩余强度分别约为67%和78%，钢梁的强度损失取决于其所经历的最高温度；橡胶支座具有良好的高温隔热性能，但外层橡胶在火灾下达到燃点后会导致橡胶燃烧碳化，进而使支座丧失承压能力，造成塌陷和支承功能失效，应对橡胶支座外部予以防火保护。该研究可为钢桥的抗火性能理论分析与结构性能提升方法提供指导依据。
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  深切峡谷地貌桥面行车高度风环境现场实测研究

  吴风英, 崔巍, 赵林, 郭增伟, 葛耀君

  中国公路学报. 2023, 36(6): 71-81. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.007

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  为研究深切峡谷地形条件下的桥面局部风场，对桥梁跨中和过桥塔区局部区域风环境开展了现场实测。对局部风场特征进行了讨论分析，其中包括平均风速特征、紊流度、脉动风速功率谱和极值风速分布等。探讨了跨中和桥塔区位置风剖面分布，同时给出了跨中和桥塔区的平均风速拟合关系，量化了过桥塔区顺桥向风速分布的桥塔遮挡效应和地形加速效应，总结提出了一种典型的过桥塔区顺桥向风速曲线模型。此外，桥塔区域风速紊流度显著大于跨中位置，表明桥塔和特殊地形对局部风场存在较大影响。桥塔区脉动风速实测谱高频段能量明显上升，与惯性子区谱-5/3斜率衰减效应变化特征不符。相较于规范风谱，推荐了3阶双对数多项式，可更加准确地表征脉动风湍流能量在频域上的分布特征。对瞬态阵风极值风速的分析结果表明，相较于平均风速，极值风速用于评估行车安全更为合理。
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  O型套环对圆柱结构气动力和干索驰振影响的试验

  孙一飞, 刘庆宽, 常幸, 邵林媛, 王仰雪

  中国公路学报. 2023, 36(6): 82-93. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.008

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  圆柱类结构在土木工程领域应用十分广泛，其风荷载和风致振动一直是研究和设计十分关注的问题。根据圆柱结构风致振动的机理，提出了O型套环这种被动式的三维气动措施，并对其减阻抑振效果进行了全面研究。通过风洞内的天平测力和干索驰振试验，研究了O型套环的几何参数(间距、宽度和厚度)对气动力和干索驰振的影响规律，并对减阻抑振机理进行了分析。研究结果表明：同标准圆柱类似，套环圆柱的平均阻力系数和雷诺数密切相关；当雷诺数小于3.0×10⁵时，套环圆柱的平均阻力系数小于标准圆柱的结果，最大减阻率为29.5%；当雷诺数大于3.0×10⁵时，套环圆柱的平均阻力系数大于标准圆柱的结果，最大增阻率为36.4%；标准圆柱和套环圆柱均会在高风速区间发生干索驰振，套环间距越小、宽度越大、厚度越小，对干索驰振的抑制效果越好；在亚临界区，套环圆柱可以减小阻力，原因是圆柱安装套环后，尾流宽度变窄，旋涡形成区变长，流场呈现三维特征；在临界区，套环圆柱会增大阻力，一定程度上可将套环视为对流场的扰动，加剧层流向湍流的转捩；套环圆柱对干索驰振的抑制和加剧与套环圆柱在临界区增阻的机理相似。
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  新型组合桥面板UHPC收缩效应足尺试验

  李传习, 方昌乐, 张永明, 谭珂, 舒本安, 施宇, 罗滋润

  中国公路学报. 2023, 36(6): 94-106. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.009

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  针对钢-UHPC组合桥面板中UHPC的收缩效应，进行了3个不同钢-UHPC面积比的组合桥面板节段足尺试件和UHPC自由收缩试件的养护全过程应变及温度测试，分析了收缩应变发展规律及蒸养温度的影响。基于所得UHPC自由应变、组合桥面板UHPC约束应变和时变止效应方法，求解了养护过程的UHPC弹性模量和组合桥面板收缩应力。结果表明：①UHPC总自由收缩约为756×10^-6,蒸养的UHPC内部温度愈高，收缩完成愈快；以自收缩时间零点算起，-1 h开启蒸养，龄期5 h的UHPC内部温度达90 ℃以上，持续蒸养48 h，则龄期5、25、35 h时分别完成总收缩的52%、82%、91%以上，龄期12 d时收缩全部完成;②UHPC弹性模量、组合桥面板收缩应力与收缩应变的发展规律基本一致;③整个养护过程，钢-UHPC组合桥面板的UHPC收缩应力远小于其当时的轴心抗拉强度，不会产生收缩裂缝，与观测现象相一致;④钢-UHPC组合桥面板的UHPC上缘约束收缩拉应力值为2 MPa左右，与静载试验所得钢-UHPC组合桥面板负弯矩的开裂应力较轴心抗拉强度减少值基本一致;⑤基于UHPC自由收缩应变、组合截面约束收缩应变计算UHPC弹性模量及组合截面收缩应力的时变止效应方法可行。
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  钢-UHPC组合桥面板中焊接栓钉的疲劳性能及设计布置方法

  史占崇, 苏庆田, 陈亮

  中国公路学报. 2023, 36(6): 107-122. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.010

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  钢-超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)组合桥面板中焊接栓钉在实现UHPC层协助正交异性钢桥面板受力进而缓解疲劳开裂方面发挥着重要作用。为探究组合桥面板中栓钉的疲劳性能，开展了钢-UHPC组合桥面板足尺节段梁式疲劳试验，揭示了栓钉的疲劳破坏模态。基于梁式疲劳试验结果，分别采用线性回归法及考虑溜号样本影响的极大似然法建立了栓钉抗剪S-N曲线，并与UHPC层中栓钉推出疲劳试验的S-N曲线进行了对比。探讨了现有设计规范中栓钉抗剪S-N曲线与所建立的S-N曲线的差异。针对混凝土材料性能对栓钉疲劳性能的影响，提出了可量化该影响因素的栓钉抗剪统一的S-N曲线。研究结果表明：疲劳破坏发生在栓钉-钢顶板焊接热影响区附近；破坏模态可分为单一型模态及复合型模态，破坏模态不受混凝土材料性能、试验方法(梁式试验或推出试验)及栓钉几何尺寸的影响。基于极大似然法具有95%存活率的S-N曲线略高于线性回归法，且2种方法200万次疲劳寿命对应的抗剪疲劳强度分别为162、158 MPa，远高于推出疲劳试验值103 MPa。现有设计规范在应用于钢-UHPC组合桥面板栓钉的设计时过于保守。根据栓钉抗剪统一的S-N曲线得到的200万次疲劳寿命对应的抗剪疲劳强度与试验值的偏差在10%以内，证明了该曲线具有较好的预测精度。此外，基于组合作用及栓钉抗疲劳2个控制条件，提出了钢-混组合桥面板中栓钉的设计布置方法；该方法可考虑U肋几何尺寸、横隔板间距及混凝土力学性能的影响，并给出了计算实例。
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  波纹钢管约束承插式拼装桥墩抗震性能研究

  刘朵, 李航, 熊辉, 蔡忠奎, 王阳春, 张建东

  中国公路学报. 2023, 36(6): 123-131. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.011

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  承插式预制拼装桥墩是将预制混凝土墩柱插入承台预留的凹槽内，在间隙中填充混凝土或灌浆料连接形成的装配式结构，承台预留槽内设置波纹钢管以增强对桥墩根部的横向约束。开展承插式拼装桥墩和现浇桥墩2组试件的拟静力荷载试验，研究了承插式拼装桥墩的抗震性能以及波纹钢管的横向约束效应，并通过相关影响参数的模拟分析，探讨了承插深度、灌浆料强度和连接界面处理方式对承插式桥墩抗震性能的影响规律，为其抗震设计提供依据。研究结果表明：波纹钢管约束承插式桥墩柱脚形成的塑性铰区域及破坏形态与现浇桥墩基本一致，承载能力没有明显差异，但破坏时极限位移提高约20%，结构延性和耗能能力有所提高，波纹钢管约束承插式拼装桥墩具有良好的整体性和抗震性能;随着承插深度的增加，承插式桥墩的抗震性能随之提高，当承插深度超过0.6D(D为墩身直径)时，其抗震性能提升趋于缓和；当灌浆料强度达到桥墩主体混凝土强度后，继续增加强度对桥墩抗震性能影响不大；相对光滑界面连接，波纹键齿和梯形键齿连接的承插式桥墩承载能力分别提高约30%和26%，累积耗能分别提高20%和15%，波纹键齿连接的效果最优。
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  可恢复组合梁中高强螺栓连接件抗剪性能试验

  邢颖, 刘雁斌, 史才军, 郭琪, 陈庆伟

  中国公路学报. 2023, 36(6): 132-142. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.012

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  为探究高强螺栓连接组合梁的功能可恢复性，通过更换失效螺栓对栓接组合推出试件进行了多次损伤-修复，并对滑移前钢-混凝土界面摩擦性能和滑移后螺栓杆抗剪性能展开了详细研究。以滑移失效和承载力破坏失效为临界点，共对24个推出试件开展了力学性能恢复测试，考虑了重装配次数、螺栓预拉力、螺栓强度、螺栓直径和螺栓孔间隙等因素的影响。最后，通过拟合得到了与螺栓预拉力相关的钢-混凝土界面摩擦因数计算公式和螺栓抗剪承载力计算公式，并提出了单个螺栓的荷载-滑移曲线实用公式，可为考虑滑移的组合梁设计提供基础。试验及分析结果表明：若混凝土板没有开裂，则更换螺栓再装配后，磨损的钢-混凝土界面摩擦性能有一定提高，螺栓抗剪承载力不会降低，可以达到原设计要求，证明螺栓连接的组合结构具有较好的可恢复性能；钢-混凝土界面摩擦因数不是定值，界面处理相同情况下，摩擦因数随螺栓预拉力的增加而非线性增大，其极值为0.53～0.56；增大螺栓直径和强度等级可以显著提高抗剪承载力和承压抗剪刚度，但混凝土板破损严重，不利于重复利用；螺栓直径小于20 mm时，螺栓与混凝土强度适配良好，可以充分发挥钢材强度；随螺栓预拉力的增加，混凝土局部压损加重，螺栓抗剪刚度减小，60～100 kN为较合适的预拉力范围。
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  港珠澳大桥智能化运维技术与工程实践（双语出版）

  景强, 郑顺潮, 梁鹏, 汪劲丰

  中国公路学报. 2023, 36(6): 143-156. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.013

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  跨海交通基础设施具有工程规模大、复杂程度高等特点，传统运维工作尚存在成本高、效率低、精度差和外海作业安全风险较大等瓶颈性问题。为了实现港珠澳大桥的安全、可靠、高效运维，总结出跨海交通基础设施存在服役状态感知能力低、监测信息利用率低、交通风险主动管控效率低、运维管理信息化和养护决策智能化程度低等四大共性难题，梳理了港珠澳大桥智能化运维的关键技术，提炼出港珠澳大桥智能化运维的9项工程建设内容：基于5G的跨海交通基础设施运维物联网，基于北斗的毫米级变形监测及封闭空间定位系统，水下结构智能监测平台与大数据融合处理系统，基于无人机集控的巡查、检测、应急一体化系统，基于巡检机器人的跨海桥隧抵近检测与维养系统，跨海集群设施服役环境数字化与运行状态监测评估系统，基于全寿命周期理论的跨海集群设施数字化维养管理系统，全时交通安全运行与快速应急处置智能系统，跨海集群设施运维一体化管控平台。此外，还提出了包括设备感知层、通信层、基础资源层、数据支撑层、业务支撑层、智慧应用层、用户交互层等的总体技术架构。最后，总结了港珠澳大桥智能运维的主要技术特色。港珠澳大桥的智能运维工作、成果、经验可为其他跨海交通基础设施的运维工作提供重要参考。
隧道工程
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  推拼同步中考虑盾构位姿的推力重分配计算方法（双语出版）

  王旭阳, 袁大军, 金大龙, 姚占虎, 成晓青

  中国公路学报. 2023, 36(6): 157-170. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.014

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  盾构推拼同步技术的关键是盾构推进系统存在缺位油缸时，如何重新分配其余推进油缸的推力，从而保证盾构位姿(位置、姿态)和速度的可控。为此，提出了一种盾构推拼同步模式下可考虑盾构掘进位姿的推进系统分区推力重分配计算方法。从力学模型上揭示了推拼同步模式下盾构推力重分配原理，建立了可考虑盾构位姿、不同分区模式的推拼同步分区推力重分配方程，给出了相应的重分配分区推力优化方法。最后结合某盾构隧道工程案例，探究了不同缺位油缸组、不同掘进位姿状态以及推进系统不同分区模式等因素对重分配推力的影响规律，验证了所提方法的有效性。结果表明：缺位油缸组使与其相邻的分区油缸由于代偿作用承担更大的推力，与缺位油缸组相对的分区油缸承担较小的推力；盾构位姿参数中y、z 增加会使等效驱动力的F_x分量减小，在对应方向上的F_y和F_z分量增加；滚动角ψ增加会使F_x分量减小，M_x分量呈线性增大。盾构位姿参数俯仰角θ和偏航角Φ的增加分别会引起上下分区推力差和左右分区推力差的增大。盾构推进系统分区数量主要影响重分配分区推力曲线的均匀程度。所提出的分区推力重分配方法误差在10^-14以下。研究成果对盾构推拼同步中推力重分配具有一定的指导意义。
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  接触溶蚀条件下喷射混凝土钙离子析出规律探究

  蒋雅君, 林利达, 刘世军, 喻良敏, 肖华荣

  中国公路学报. 2023, 36(6): 171-179. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.015

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  隧道排水系统中碳酸钙结晶是造成排水管堵塞的重要原因,其主要来自于混凝土中析出的游离钙离子等产物。为研究接触溶蚀条件下喷射混凝土析出钙离子的规律,配制了固定配合比的一批混凝土试块,开展了为期30 d的去离子水浸泡试验,测试了溶液中的钙离子浓度、析出量和溶液pH值的变化情况。结果显示：经过28 d标准养护后取出并随即浸泡的试块,浸泡周期内单块试块钙离子溶出量低于20 mg·L^-1；脱模后立即放入去离子水进行浸泡的试块,在浸泡周期内水溶液pH值保持在12.5~12.8,单块试块钙离子溶出浓度最高为164.2 mg·L^-1；脱模后立即放入去离子水浸泡的试块,若以24 h为周期进行每次1 L去离子水的固定体积换水,并对每次换下的水溶液进行钙离子浓度检测后计算钙离子质量,得出浸泡周期内水溶液pH值从12.4逐渐递减11.0,单个试块平均溶出的钙离子质量为1 092.78 mg,最高达1 149.21 mg；取脱模后的试块切割为等高度的三部分后进行浸泡,不换水条件下试块钙离子溶出量最高为227 mg·L^-1,换水条件下试块在30 d内钙离子溶出质量累计为1 289.35 mg,溶液pH值从12.1递减至11.0。研究结果表明：混凝土在外部环境水充盈时,若混凝土未充分水化且增大其与水的接触面积后,混凝土中的游离钙离子容易持续析出并造成混凝土内部孔隙和裂缝增大,密实性降低；充分养护、水化较完全的混凝土其自身密实性得到保证后,钙离子在接触溶蚀条件下的析出速度和析出量将会大幅降低。
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  让压(组合)锚杆在挤压大变形隧道中的力学特性试验

  郭新新, 汪波, 喻炜, 王振宇, 王勇

  中国公路学报. 2023, 36(6): 180-189. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.016

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  全长黏结型长锚杆作为一种被广泛应用于治理挤压大变形隧道的支护措施，常因围岩变形过大,发生杆体断裂和垫板屈服等现象。为此，提出一种可自进式让压(组合)锚杆，通过在部分杆体上外套光滑套管形成无黏结段，使该无黏结段先于锚固系统破坏前“屈服”伸长，实现了长锚杆在全长灌浆条件下的“让压”，提升了锚固系统的整体稳定性。以新建木寨岭公路隧道为工程依托，采用自进式施工工艺，开展了全长灌浆下的10 m全长黏结锚杆和10 m让压(组合)锚杆的对比试验。试验结果显示：全长黏结锚杆轴力200 kN，超过杆体屈服荷载，且垫板在支护初期(4~5 d，围岩位移75 mm)即出现明显屈服，锚固系统整体稳定性差、可靠性低；让压(组合)锚杆因存在无黏结段，杆体轴力和垫板应力均出现下降，最终保持在一个较低的量值(130 kN和190 MPa)，实现了全长灌浆型长锚杆的大尺度支护。研究成果可为大变形隧道中长锚杆的选型提供借鉴。
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  基于FDM-DEM耦合的盾构开挖面前方土体三维位移特性研究

  黄戡, 孙逸玮, 陈湘生, 邓喜, 刘汝宁, 吴奇江

  中国公路学报. 2023, 36(6): 190-206. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.017

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  盾构隧道施工本质上是在三维空间中利用机械实现动态掘进的过程。为了研究盾构施工对开挖面前方土体的位移影响，基于有限差分法(FDM)与离散单元法(DEM)开展了多组三维连续-离散耦合数值计算，并结合现场监测，提出相应的施工建议。首先，基于弹性力学的Mindlin解，综合考虑盾构顶推力、辐条式刀盘摩阻力和盾壳摩擦力对土体位移的共同作用；基于三维镜像法和球孔收缩问题推导了地层损失引起的三维土体位移场表达式，建立了开挖面前方土体三维位移完整解析公式；其次，为了同时满足工程分析尺度和反映土体细观力学特性需要，引入新版连续-离散耦合技术。依托工程实例，通过三维单剪模拟试验与室内直剪试验对离散域内的颗粒细观参数进行验证。最后，基于三维位移解析解和连续-离散耦合模型分析了开挖面前方土体位移特性及不同盾构顶推力、刀盘转速和推进速度下的三维土体位移特征。结果表明：三维位移解析解和连续-离散耦合的计算结果均与实测值匹配程度较好；在盾构掘进过程中，地表沉降量逐步增大，盾构开挖面通过后沉降量得到暂时控制；顶推力过大容易使开挖面前方H/4～5H/4范围内地表出现局部隆起现象；刀盘转速的提高会加大地表沉降量，使沉降槽的非对称性更加显著；同一地层中保持单位出土量不变时，盾构推进速度会影响前方土体沿隧道掘进方向和水平侧向的位移量；开挖面前方土体与盾尾后方土体在水平侧向上具有相反的位移趋势，工程中可根据前方土体位移特性动态调整盾尾注浆量。所提三维位移解析解与耦合计算方法可为预测盾构开挖面前方土体位移提供重要参考。
交通工程
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  融合语义的时空相关多步乘车需求预测方法

  袁长伟, 冯健, 陈静

  中国公路学报. 2023, 36(6): 207-219. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.018

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  为了准确预测乘车需求，提高车辆利用率，缓解供需不平衡和交通拥堵，提出一种融合语义的时空相关多步乘车需求预测方法。在空间相关性建模方面，计算区域历史需求数据的互信息以对空间历史需求模式相关性建模；同时考虑基于兴趣点的城市功能区对乘车需求的影响，利用反映城市功能特征的语义信息，借鉴词频-逆文档频率方法对区域兴趣点赋予权重，继而计算区域功能相似度并对空间功能相关性建模。在时间相关性建模方面，利用深度学习网络Transformer捕获数据中潜在的长时依赖性。最后，在真实数据集上验证所提方法的有效性。结果表明：单步预测时，与基线方法的均值相比，所提方法的均方根误差、平均绝对误差和平均绝对百分比误差3个指标分别降低了38.77%、38.79%和54.11%；多步预测时，所提方法的预测精度也有较大提升，在预测步长为6时，与基线方法的均值相比，所提方法的3个指标分别降低了21.35%、21.98%和15.72%。该方法能够更准确预测乘车需求时空分布，合理配置运力资源。
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  考虑通信时延的智能网联汽车协同定位方法

  闵海根, 李尧, 汪建球, 张磊, 李杰, 童星, 吴霞, 赵祥模

  中国公路学报. 2023, 36(6): 220-234. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.019

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  为了满足网联环境下自动驾驶车辆安全行驶的需求，必须实现车辆全时空高精度定位。针对单车定位(Single Vehicle Localization, SVL)方法的不足，提出了一种基于双层滤波结构的智能网联汽车协同定位框架。首先，基于卡尔曼滤波对各车辆状态进行修正;然后设计基于联邦卡尔曼滤波的协同定位估计方法，通过构建一个主滤波器和多个局部滤波器，将本车状态与修正后的邻车状态进行融合；使用多种数据拟合方法，基于真实数据构建传输时延概率模型，基于高斯分布构建处理时延概率模型；此外，提出一种通信时延误差补偿方法，并融入协同定位框架;最后，设计了5组仿真试验，评估SVL、未进行通信时延误差补偿的协同定位方法(CLWC)和基于通信时延误差补偿的协同定位方法(CLC)的定位性能，并深入分析了速度和行驶方向对定位结果的影响。研究结果表明：在城市道路环境下，CLWC相较于SVL，精度提高了15%~23%;在空旷道路环境下，通信时延较小情况时，CLWC优于SVL，CLC在CLWC基础上将精度进一步提高了5%~13%。在长直道、弯道、隧道等场景，CLC能够保证定位轨迹平滑，精度明显高于SVL，同时进一步验证了存在通信时延情况下，车辆速度对协同定位的影响。所提方法不仅克服了SVL误差累积的缺陷，同时有效降低了通信时延的影响，可为车辆提供连续稳定的高精度位置。
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  随机行程时间的电动公交调度模型

  巫威眺, 林越, 李余, 靳文舟, 李成

  中国公路学报. 2023, 36(6): 235-253. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.020

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  在低碳发展政策指引下，全国各地已开始普及电动公交。然而，由于电动公交车技术性能和运营环境的特点，如续驶里程、充电时长约束、随机路网环境等，为电动公交车辆和充电调度带来新的挑战。随机行程时间导致车次衔接中存在延误，由于连续车次任务的相依性，上游车次延误可能造成下游车次晚点，引发车次延误传播的“连锁反应”，致使车次和充电计划的风险承受能力变得非常脆弱，电动公交调度的效能无法得到充分释放。考虑电动公交调度问题中的车次延误传播效应，在分析随机行程时间对电动公交车次与充电计划影响的基础上，从单线调度到区域调度模式建立优化模型获得经济可靠的公交调度方案。首先，运用网络流模型描述电动公交调度过程，并引入马尔科夫过程刻画延误传播效应。在此基础上，计算期望等待时间、期望延误时间等服务质量指标并纳入到目标函数，建立混合整数线性规划模型。然后，运用多商品流模型，将单线调度模型拓展为通用的区域调度模型，设计“延误状态层”用以计算延误时间分布并提高计算效率。最后，以广州市的2条电动公交线路实际数据进行案例分析，调用商业求解器Gurobi获得精确解。结果表明：充电计划的最优时间窗间隔为40 min；在最优调度方案下，车辆能充分利用日间运营的闲暇时段进行充电，且这一特性不受时间窗间隔大小的影响；随着延误惩罚系数的增加，期望延误时间均值先减少后保持波动，当延误惩罚系数大于2 元·min^-2时，期望延误时间均值小于15 s，相较传统模型降低幅度超过50%，说明模型能有效降低行程延误；随着延误惩罚系数的增加，期望等待时间均值先增加后保持波动，说明模型可以智能调整车次之间的衔接顺序，增加等待时间作为缓冲时间，从而减少延误的发生。
汽车工程
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  电动汽车动力锂电池状态估计综述

  赵轩, 李美莹, 余强, 马建, 王姝

  中国公路学报. 2023, 36(6): 254-283. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.021

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  电池状态估计是电池管理系统的核心技术，对保证电池安全可靠的使用、充分发挥电池的能力、延长使用寿命起着至关重要的作用。电池模型是状态估计技术的基础，极大地影响着状态估计的精度和时效。为此，对最常用的电池建模和状态估计方法进行了梳理和总结。首先，对电池模型及其建模方法进行系统概述，主要包括电学特性模型、热模型、电热耦合模型以及老化模型。然后通过对文献的归纳分析，从剩余容量、功能估计、功率预测、健康评估、温度监测和安全保障等角度，对电池荷电状态、健康状态、能量状态、功能状态、功率状态、温度状态和安全状态等估计方法进行了较为全面的阐述。最后，对未来电池状态估计的研究方向和趋势进行展望。研究结果可为电动汽车动力锂电池状态估计朝着先进化、智能化发展提供参考。
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  不可靠车载传输环境下的智能汽车轨迹跟踪控制方法

  张紫微, 郑玲, 李以农, 张志达, 郑浩

  中国公路学报. 2023, 36(6): 284-297. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.022

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  针对外界扰动、参数摄动、数据传输时滞、转向输出滞后等因素给车辆运动控制带来的严峻挑战，基于鲁棒保性能控制理论提出了一种面向不可靠车载传输环境的智能汽车轨迹跟踪控制策略。通过系统扩维的方式引入转向系统动力学，建立增广无滞后不确定轨迹跟踪动力学模型，以描述执行器动态特性影响下的车路耦合动力学响应。基于Lyapunov-Krasovskii(LK)泛函构建时滞相关稳定性判据，考虑模型参数摄动所引起的系统失配问题，采用不等式放大法对不确定交叉项进行放大，引入H_∞指标对广义外界扰动进行抑制，并通过保性能指标配置控制性能偏好，设计具备线性参数时变(Linear-parameter-varying, LPV)特征的纵横向鲁棒协同控制器。最后通过多个典型工况对鲁棒保性能控制策略的有效性与优越性进行了验证。研究结果表明：在信号传输存在时滞、转向输出存在滞后的状态下，所提出的控制策略能够产生光滑平顺的控制输出，可保证车辆的行驶稳定性；尤其是在低附着、高速转向等恶劣行驶工况下，所提出的鲁棒保性能控制策略能够有效补偿模型失配所带来的不利影响,实现轨迹精确跟踪与横向稳定控制的有效兼顾。因此，该算法可在统一架构下综合考虑多种不确定性因素对车辆运动控制的影响，进一步提升车辆在复杂行驶工况下的轨迹跟踪控制性能，也可为数据共享环境下的车辆运动控制提供有意义的参考与技术支撑。
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  城市郊区道路跟车条件下智能网联汽车速度规划

  陈峥, 张玉果, 沈世全, 吴思敏, 刘冠颖

  中国公路学报. 2023, 36(6): 298-310. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.023

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  随着智能网联汽车技术的快速发展，跟车行驶控制能够有效实现车辆智能跟随及快速高效队列行驶。针对城市郊区道路条件下的智能网联汽车速度规划问题，以提高车辆的燃油经济性、舒适性及安全性为目的，基于跟车速度限幅和车辆动力系统信息，设计了基于初值优化的序列二次规划算法(Sequential Quadratic Programming, SQP)，实时求解获取车辆跟车过程中的最优速度轨迹。首先，在车联网环境下，基于车车(Vehicle to Vehicle, V2V)通信及车辆与交通设施(Vehicle to Infrastructure, V2I)通信技术实时获取前方车辆的速度、加速度及位置等行驶信息并实时采集道路交通信息；然后，为减少车辆动态能耗损失和减小所需牵引力，并在规定的时间段内完成相应的行驶路程，利用采集到的前车行驶信息，采用基于初值优化的SQP算法对最优目标车速进行求解；此外，基于周边动态的道路交通场景，考虑边界约束条件，采用滚动时域的方法实现目标车辆速度在每个采样时刻的在线滚动优化，保证目标车辆节能安全地跟车行驶；最后，通过仿真验证了该算法的有效性和实时性。研究结果表明：基于初值优化的SQP算法能够较快求解经济性较优的跟车车速轨迹，可保证车辆的行驶安全性和良好的跟车性能，减少车辆跟车过程中不必要的速度波动，最终实现跟车车辆较好的燃油经济性和行驶舒适性。