中国公路学报

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中国公路学报. 2024, 37(9): 2-0.

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封一/四

中国公路学报. 2024, 37(9): 3-0.

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桥隧结构极端荷载与安全运维专栏导语

中国公路学报. 2024, 37(9): 4-0.

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    截至2023年底，我国各类桥梁总数已超过120万座，隧道总数突破4万座，桥梁与隧道作为交通基础设施的关键节点工程，其安全是交通强国建设的重要支撑。然而，桥隧结构在其运维期间常遭遇各类极端荷载作用，包括爆炸、火灾、飓风、碰撞、水毁、地震以及高地应力、高地温、断层活化位错、超高水压、低温冻涨等，其诱发的垮塌、倾覆、岩爆、大变形、突水涌泥、塌方、开裂、掉块、渗漏水、挂冰等灾害将会对桥隧结构造成严重破坏。桥隧结构一旦遭遇这些极端荷载，将导致不可逆的严重损伤甚至垮塌破坏，因此，极端荷载是桥梁与隧道工程安全运维研究领域的世界性难题之一。为保障桥隧结构安全，提升国家对交通基础设施的应急响应能力和管理水平，近年来，众多科研人员围绕桥隧结构极端荷载分析理论与计算方法、桥隧结构遭遇极端荷载时（后）的破坏机理和安全评估及其抵抗极端荷载的安全运维理论与方法，开展了大量卓有成效的工作，取得了丰硕的研究成果。
    为系统展示我国桥隧结构极端荷载与安全运维领域的最新研究成果，及时总结该领域的前沿动态与技术发展，保障交通基础设施的安全性和耐久性，《中国公路学报》编辑部联合长安大学张岗教授（我刊青年编委）和石家庄铁道大学徐飞教授共同策划了“桥隧结构极端荷载与安全运维”专栏，并邀请石家庄铁道大学杜彦良院士作为顾问专家，同济大学李国强教授、广西大学韩林海教授、深圳大学任伟新教授、西南交通大学李永乐教授、东南大学郭彤教授、石家庄铁道大学赵维刚教授、山东大学李利平教授、东南大学宗周红教授、东南大学王浩教授、同济大学闫治国教授、大连理工大学许福友教授、北京航空航天大学杜博文教授、铁道科学研究院马伟斌教高、长安大学韩万水教授、长安大学罗彦斌教授、浙江工业大学彭卫兵教授、哈尔滨工业大学李忠龙教授、深圳大学周海俊教授、内蒙古大学李国栋教授作为组稿专家，共同向该领域的知名专家学者约稿，出版本期“桥隧结构极端荷载与安全运维”专栏。本专栏共收到相关论文40余篇，最终录用13篇，研究内容主要集中于以下3个方面：
    (1) 桥隧火灾行为、抗火机制、预测预警、安全防护研究与灾后评估。主要内容包括*分级车辆火灾下吊索系统的抗火性能计算方法、油轮爆火环境悬索桥安全性能预测与预警方法研究、强降雨作用下隧道火灾烟气蔓延特性及控制试验研究、火灾后盾构隧道衬砌结构残余承载力评估模型研究。
    (2) 桥隧碰撞、冰毁、涌水与抗风研究。主要内容包括*现浇及装配式超高墩连续刚构桥碰撞响应及其影响试验研究、内填砂粒的桥梁钢管桩围堰船撞试验与模拟、寒区冰激桥墩动力模型试验、基于桥梁监测系统振动响应的浮吊船悬索桥主梁碰撞荷载估算与分析、盾构隧道联络通道涌水涌砂诱发结构倒塌试验、极端台风下特大悬索桥的GNSS实时振动监测及动力响应分析。
    (3) 桥隧健康监测关键技术与算法。主要内容包括：基于改进Prony理论的结构非缩放位移柔度识别、考虑模态振型影响的斜拉桥非线性内共振能量转换研究。
    在此特向专栏组稿专家、审稿专家、论文作者的辛勤付出致谢！希望本期专栏的出版可以进一步推动交通基础设施中桥隧结构极端荷载与安全运维技术的不断发展与创新。《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供学习、交流的平台，促进我国桥梁建设事业的高质量与可持续发展。由于水平及时间有限，专栏中的不足之处在所难免，恳请各位专家不吝指出。

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分级车辆火灾下吊索系统的抗火性能计算方法

刘志, 李国强

中国公路学报. 2024, 37(9): 1-16. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.001

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为计算车辆火灾下悬索桥吊索系统的抗火性能，将桥梁车辆火灾分为五级：第一、二级为乘用车火灾，第三、四级为货车火灾，第五级为油罐车火灾，采用不同的最大热释放速率和最大燃烧时长对其进行表征。根据已有的车辆火灾试验，验证该分级方法的合理性，并结合车辆火灾事故，建立第三、四、五级车辆火灾火源的几何特征。采用圆柱火焰辐射体模型，计算乘用车火灾的空间辐射热流密度，并得到3例足尺汽车火灾试验的验证；采用棱柱火焰辐射体模型，计算货车火灾的空间辐射热流密度；采用经液化天然气池火试验验证的计算流体动力学方法，计算有横风时油罐车火灾下吊索表面的空间热流密度包络；推导了吊索截面在辐射热流密度边界条件下的增量法升温计算公式，并得到了有限元模型的验证。根据已有的高强钢丝高温力学性能试验，基于吊索在火灾下的承载能力极限状态，提出了吊索临界温度与吊索设计安全系数的函数关系。最后，整合上述研究结果，提出了分级车辆火灾下吊索系统抗火性能的五步计算方法，可为悬索桥吊索系统的抗火安全评定与设计提供参考。

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油轮爆火环境悬索桥安全性能预测与预警方法研究

张岗, 陆泽磊, 袁卓亚, 傅彦青, 王世超, 汤陈皓

中国公路学报. 2024, 37(9): 17-33. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.002

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油轮爆燃火灾威力巨大，严重威胁跨海桥梁的安全性能。为研究悬索桥在油轮爆燃致复杂极端火灾环境中的结构响应，明确悬索桥遭遇复杂极端火荷载时的安全性能，选取某大跨径悬索桥作为研究对象，给出了油轮爆火(爆燃火灾)时悬索桥结构安全性能(耐火性能)预测过程。首先采用火灾动力学-有限元(CFD-FEM)耦合方法，重构了油轮爆燃火灾环境，建立了悬索桥局部受火梁段和全桥结构在油轮爆火环境的三维多尺度数值预测模型，深入揭示了油轮爆火时局部受火梁段的传热模式和全桥结构性能演变规律。继而，研究了油轮爆火时悬索桥钢箱梁(加劲梁)的高温响应和失效模式，分析了不同起火位置、起火面至钢箱梁底板距离和风速对悬索桥火灾响应行为的影响，提出了油轮爆火环境悬索桥耐火极限预警方法。研究结果表明：油轮爆火环境悬索桥局部受火梁段随受火时间其变形不断增大，受火梁段表现出整体下挠后中间区域上拱的失效模式，导致中间区域吊索索力呈现出先增大后减小的发展趋势；起火位置对悬索桥整体结构性能影响较大，随着起火位置接近悬索桥跨中区域，该区域梁段较近塔区域梁段受火下挠量增加62%；起火面至钢箱梁底板距离由50 m减到20 m时，局部梁段的下挠峰值和总上拱值(下挠峰值与上拱峰值之差)增幅超过19%，结构失效时间提前10 min；风速会改变油轮爆燃火焰形态，明显影响悬索桥加劲梁两侧边箱梁的受热面分布形态和高温响应特征，风速8 m·s^-1时迎风侧边箱梁受火强度明显减弱，相对2 m·s^-1时底板总上拱幅度减小17%；钢箱梁底板反弯变形时的临界温度介于510 ℃~550 ℃之间，钢箱梁底板屈曲失稳时的极限温度介于685 ℃~715 ℃之间，临界温度和极限温度可作为钢箱梁结构安全性能的两阶段预警温度，从而实现钢箱梁失效前的2次实时预警。研究结论可为复杂火灾环境缆索承重钢桥结构安全性能监测和预警提供理论依据，进一步指导同类型桥梁的安全运维。

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在役斜拉桥车致火灾作用下拉索抗火性能研究

冯锦鹏, 李经纶, 高康, 杨兴, 吴刚

中国公路学报. 2024, 37(9): 34-45. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.003

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拉索在桥梁服役期间易遭受腐蚀、车致火灾等因素的影响。当前在役斜拉桥复杂环境作用下结构安全评估方法研究尚不完善。因此，以某服役时间超过25年的斜拉桥拉索为研究对象，开展在役钢丝高温下的拉伸试验，得到在役钢丝高温下力学性能退化规律和计算模型。基于在役钢丝高温下力学性能退化规律，利用Fire Dynamics Simulator软件建立300 MW油罐车失火工况下的火源模型。通过ANSYS分别建立在役斜拉桥拉索传热分析模型和在役斜拉桥结构模型，并开展结构热力耦合分析。结果表明：最不利条件下，300 MW油罐车火灾总计造成桥梁1/4跨附近3组(共6根)斜拉索失效断裂，各组拉索断裂时间分别为551、592、1 064 s；自重作用下主梁挠度最大下降0.08 m，挠跨比1/1 250，主梁挠度变化速率最大值为9.6 mm·min^-1，均处于规范(JTG/T D65-01—2007)的限值内；300 MW油罐车火灾不会造成该在役斜拉桥结构整体垮塌，但会对斜拉桥拉索造成不可逆的严重损伤。研究成果可为在役桥梁复杂环境作用下结构安全分析与评估提供参考。

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强降雨作用下隧道火灾烟气蔓延特性及控制试验

范传刚, 盛子琼, 栾蝶, 焦澳, 马伟斌, 王志伟

中国公路学报. 2024, 37(9): 46-54. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.004

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为探究强降雨对隧道火灾烟气蔓延特性及烟气控制的影响，基于Froude准则搭建了1∶15的缩尺模型隧道试验台，设置了4个不同的降雨强度、4个火源功率以及6个纵向通风速度，对强降雨作用下的隧道火灾烟气蔓延进行试验研究。结果表明：降雨发生时，隧道洞口在降雨作用下产生压差，最终在隧道内诱导形成纵向气流；诱导气流速度随降雨强度的增大而增大。降雨强度较大时，火源上游的烟气在诱导气流的限制下无法从火源上游洞口处溢出；对强降雨作用下的隧道火灾烟气进行纵向通风控制时，纵向通风气流的驱动力一部分用于消除热烟驱动力带来的烟气回流趋势，另一部分用于抵消降雨诱导气流在隧道内的影响。试验结果发现回流长度、临界风速均随降雨强度的增大而增大。火源功率为3.03、6.06、9.09、12.12 kW时，临界风速在强降雨作用下分别提高25.6%、17%、14%以及9%，说明强降雨对隧道火灾烟气纵向通风控制的作用随火源功率的增大而减小。基于前人模型和试验结果建立了强降雨作用下隧道火灾临界风速的量纲一的预测模型，明晰了强降雨影响隧道火灾烟气蔓延及控制的机制。

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火灾后盾构隧道衬砌结构残余承载力评估模型研究

陆尧亮, 姜健, 王波, 李海锋, 陈伟, 叶继红

中国公路学报. 2024, 37(9): 55-67. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.005

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火灾后如何准确、迅速地评估隧道结构残余承载力，直接影响着应急处置及修复工作的可靠性和经济性。以盾构隧道衬砌结构为研究对象，结合层次分析法和数值模拟确定火灾后结构损伤指标体系，研究各指标对隧道结构残余承载力的影响规律；利用聚类分析理论将损伤程度划分为轻度损伤、中度损伤、严重损伤、极度损伤、破坏5个等级，并基于神经网络建立盾构隧道结构火灾后力学性能评估模型。研究结果表明：损伤面积、剥落深度、混凝土劣化深度、混凝土强度折减和螺栓强度折减是影响盾构隧道火灾后残余承载力的主要因素，随着各因素劣化程度的增加，结构力学性能下降，但下降幅度与表现形式有较大差异；BP神经网络可有效用于盾构隧道火灾后性能评估，预测结果平均误差在10%以内。

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现浇及装配式超高墩连续刚构桥碰撞响应及其影响试验

王瑾, 许维炳, 杜修力, 白少聪, 周大兴, 侯立群, 李进, 孙玉龙

中国公路学报. 2024, 37(9): 68-82. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.006

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现浇及灌浆套筒连接装配式超高墩连续刚构桥(CSHP-B、PSHP-B)具有显著的高柔特性，二者地震诱发碰撞及其影响尚不明晰。鉴于此，设计制作了缩尺比为1/20的主桥和边联模型桥，通过振动台试验探究了非长周期地震动、长周期非脉冲型地震动、近断层脉冲型地震动作用下CSHP-B和PSHP-B主桥与引桥碰撞响应及其影响。结果表明：考虑碰撞后，CSHP-B及PSHP-B主梁(墩顶)峰值位移有所减小，而边联主梁(墩顶)峰值位移有所增加；PSHP-B的主梁(墩顶)峰值位移比CSHP-B大，且PSHP-B主梁峰值位移减小率(-8.6%~-19.8%)以及边联峰值位移增长率(+6.9%~+17.5%)均更大。CSHP-B、PSHP-B主桥与边联峰值碰撞力和碰撞次数随激励强度的增加而增加，且近断层脉冲型地震动激励下碰撞次数相对较少；与CSHP-B相比，PSHP-B的峰值碰撞力更大且碰撞次数更少。碰撞会增加高阶振型对2类主桥主梁位移响应的影响，减小二者的墩底纵筋峰值应变和峰值弯矩(曲率)，且对PSHP-B的损伤发展影响更大。

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内填砂粒的桥梁钢管桩围堰船撞试验与模拟

方海, 居慰, 祝露, 张新晨, 姚鹏飞

中国公路学报. 2024, 37(9): 83-95. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.007

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为避免船舶与桥梁相撞威胁交通运输安全，提出一种设置在桥墩处的内填砂粒永临结合钢管桩围堰防撞设施。参照某桥梁工程，设计、制作缩尺比为1∶25的新型防船撞设施模型，进行水平撞击试验并对比分析有无防撞设施的桥墩模型在撞击荷载作用下撞深和撞击力时程曲线；采用非线性有限元模型，对桥墩撞击响应和破坏过程进行仿真模拟，并与试验结果进行对比，验证其有限元结果的可靠性；结合该实际工程，建立船-防撞设施-桥碰撞有限元模型，开展数值模拟研究，分别计算4组撞击工况中防撞设施对峰值撞击力的削减效率。研究结果表明：相比于无防撞设施的桥墩，新型防船撞设施模型受到撞击后，钢管桩围堰可有效保护船艏，对撞深削减率为34.25%；撞击力峰值和撞击深度的误差分别小于10%和5%，验证了有限元模型的精确性；随着船舶质量和撞击速度的增加，峰值撞击力削减率越大，其中200 000 t级船舶以3.97 m·s^-1减载正撞SZ02#南塔，峰值撞击力削减率达38.11%。因此，内填砂粒耗能材料的钢管桩围堰防船撞设施可较好削力，减轻撞击过程中船舶、桥墩、防撞设施损伤程度，为实际桥梁防撞设计提供参考依据。

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寒区冰激桥墩动力模型试验

李忠龙, 葛思佳, 刘鸿娇, 李顺龙

中国公路学报. 2024, 37(9): 96-106. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.008

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冰激振动是影响寒冷地区桥梁行车舒适性和安全性的重要因素。以松花江上流冰期典型简支梁桥为研究对象，采用相似理论，建立桥梁的缩尺模型，通过模型试验探究冰排撞击位置和撞击速度对动冰荷载和桥墩结构响应的影响，解译冰激力作用时程特征，揭示冰激振动耦合作用规律。试验结果表明：撞击后的冰排先发生挤压破碎，后发生纵向劈裂，冰排破碎过程中同时存在碎冰的挤出和剥落现象；破冰棱体结构有很好的破冰效果，试验中冰排在7 cm·s^-1撞击速度下的冰力值大约是52.63 cm·s^-1撞击速度下冰力值的2倍；撞击破冰棱体时的结构响应明显小于撞击圆墩时，在冰排劈裂瞬间横向加速度响应出现并达到峰值，应变和位移响应幅值随冰排速度变化不明显；在冰力加载阶段应变和位移曲线与冰力作用过程吻合较好，可以利用应变和位移响应反演冰力时程，解决了力传感器难以布设的难题。寒区冰激桥墩动力模型试验研究为寒冷地区桥梁的安全评估、结构设计和异常预警提供了数据基础。

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基于桥梁监测系统振动响应的浮吊船-悬索桥主梁碰撞荷载估算与分析

朱亚飞, 任伟新, 王亚飞

中国公路学报. 2024, 37(9): 107-118. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.009

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船桥意外碰撞事故具有突发性和难以预测性，此时碰撞物质量、碰撞速度与角度以及接触刚度等参数未知，导致无法确定真实的碰撞荷载大小，这给意外碰撞后桥梁的安全评估和修复决策带来困难。鉴于结构长期健康监测系统在重大桥梁中的广泛应用，其可用于记录突发碰撞时桥梁的振动响应，如何仅利用结构的振动响应来估算突发碰撞荷载大小成为一个亟需解决的问题。以浮吊船的起重臂与悬索桥主梁意外碰撞事故为背景，采用半正弦船桥碰撞荷载模式，建立该悬索桥的有限元模型，模拟计算24种不同碰撞工况时指定测点的振动响应峰值。数据拟合结果表明:主梁振动响应峰值与碰撞荷载峰值之间呈线性关系，且该线性曲线的斜率与碰撞持续时间有关，从而拟合出结构振动响应峰值、碰撞荷载峰值与碰撞持续时间三者之间的关系式，基于该式根据结构任意两点的碰撞振动响应峰值，便可估算出碰撞荷载峰值与持续时间。最后利用悬索桥健康监测系统记录的意外碰撞振动响应数据所估算得到的碰撞荷载模式，施加在桥梁的有限元模型进行碰撞计算。计算结果表明:主梁碰撞损伤深度和宽度与实际碰撞损伤区域尺寸吻合良好，验证了所建立的仅基于结构碰撞振动响应峰值估算意外碰撞荷载模式的方法合理性。所提方法不涉及动力学逆问题复杂的理论计算，简单实用，可用于安装了长期健康监测系统的重大桥梁意外碰撞时碰撞荷载的估算。

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盾构隧道联络通道涌水涌砂诱发结构倒塌试验

柳献, 孙齐昊, 范森

中国公路学报. 2024, 37(9): 119-132. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.010

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国内外盾构隧道建设施工过程中发生过多起由于局部涌水涌砂进而诱发结构倒塌的事故，造成巨大的经济损失。由于隧道倒塌事故具有突发性与隐蔽性的特点，针对盾构隧道结构倒塌的发展过程与力学机理的研究尚处于起步阶段，难以针对性提出有效的防控措施。为了探明盾构隧道联络通道涌水涌砂进而诱发结构倒塌的机理，为后续防控措施提供理论基础，以上海地铁4号线事故案例为研究背景，设计并开展了盾构隧道联络通道涌水涌砂诱发结构倒塌的模型试验，重现了盾构隧道倒塌的发展过程，对倒塌过程中的地层响应与隧道响应进行了讨论，进而提出隧道渗漏诱发结构倒塌的发展过程与原因。结果表明：①隧道渗漏后渗流侵蚀作用在外部地层产生土洞，土洞在形成→失稳→再现的过程中向地表发展；②地层土拱效应造成隧道外荷载重分布，进而引发隧道结构大变形；③土洞达到临界高度时地表土体失稳坠落，冲击荷载造成隧道结构倒塌，试验中最大冲击荷载达到正常水土荷载的13倍；④初步提出用于计算隧道受冲击荷载的理论计算公式。

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极端台风下特大悬索桥的GNSS实时振动监测及动力响应分析

余加勇, 彭志豪, 孟晓林, 谢轶伦, 方振, 谢义林

中国公路学报. 2024, 37(9): 133-146. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.011

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特大桥梁结构健康监测系统为桥梁模态识别、损伤探测和安全评估提供了重要参数信息和决策依据。鉴于传统加速度计、计算机视觉、光纤光栅等方法存在位移测量不精确、易受外界环境干扰、仅获取局部变量等问题，构建了全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System， GNSS)特大悬索桥实时振动监测和改进经验小波变换(Empirical Wavelet Transform， EWT)的结构动力响应分析方法。依托由GNSS、加速度计和风速仪等传感器组建的苏格兰福斯公路桥GeoSHM变形监测系统，自2014年起实现对桥塔、主梁的高精度、全自动、全天候、三维实时监测；建立基于改进协方差自回归功率谱的频带划分方法和Pearson相关系数有效固有模态函数筛选准则，提出改进EWT算法进行降噪滤波和位移分解，实现风致桥梁振动响应的动力响应分析。采用上述方法对2020年2月的席亚拉(Ciara)台风GNSS监测数据进行分析，识别出索塔纵向振动位移最大振幅为7.91 cm，动态位移最大振幅为2.84 cm，2座桥塔上GNSS接收机识别出的模态频率基本吻合，风速与桥塔水平位移呈正相关，索塔的水平位移沿风向增加明显；主梁纵向、横向和竖向振动位移最大振幅分别为5.51、152.47、68.17 cm，其中动态位移最大振幅为3.73、31.93、54.22 cm，与加速度计识别的动态位移及振动频率结果吻合，风速与主梁三维位移亦呈正相关，台风引起的横向振动最大，因此横向位移随风速增加的趋势显著。研究结果表明：构建的GNSS监测技术和改进EWT数据处理方法，可实现特大桥梁风致振动实时监测和动力响应分析，具有重要的科学研究和工程应用价值。

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基于改进Prony理论的结构非缩放位移柔度识别

徐飞, 张立平, 刘新宇, 周立明, 王志伟, 郑贺民

中国公路学报. 2024, 37(9): 147-156. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.012

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为了准确估算结构模态参数和柔度系数，开发了一种基于环境振动测试的结构非缩放位移柔度识别方法。该方法在时域内对结构的环境振动响应进行分析，并通过奇异值分解来解析结构的位移振型；利用位移振型的正交性，对脉冲响应函数矩阵进行左乘加权和右乘加权运算，构建出结构的增强脉冲响应函数；该方法可以将多自由度多模态的振动信号解耦为单维度单模态的振动信号，基于此特性提出目标秩回归的Prony方法，用来识别结构的基本模态参数(频率、阻尼比)和模态缩放系数，并进一步估算结构的非缩放位移柔度系数矩阵。数值模拟结果表明：增强脉冲响应函数只含有单阶模态振动信息，并能从中识别结构的模态参数和非缩放位移柔度系数矩阵。其工程意义在于，可以预测结构在任意静力荷载作用下的变形形状，能够用于结构的健康监测和安全评估。

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考虑模态振型影响的斜拉桥非线性内共振能量转换研究

陈柯帆, 李源, 卢涛, 贺拴海, 宋一凡, 杨鹏, 任祥伟

中国公路学报. 2024, 37(9): 157-169. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.013

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为研究斜拉桥面内局部模态与整体模态耦合激发非线性的振动复杂机理，针对索-梁耦合结构1∶1内共振进行了数值仿真和模型试验，分析了模态振型影响下的内共振能量转换进程及特点。首先，考虑了由拉索初始垂度引起的几何非线性，建立了由斜拉索与参数质量梁段构成的索-梁耦合动力学模型。然后，根据索-梁端动态耦合条件，基于达朗贝尔原理推导了索、梁动力控制方程，采用有限差分方法代数转换了梁段控制方程的二阶偏微分项以便进行数值求解，通过模态拖拽法和分离变量法得到了结构无穷维的常微分方程组和模态函数。最后，基于4阶Runge-Kutta方法建立了数值仿真程序，结合整体模态振型的影响，分析了1∶1内共振下的能量转换问题，并通过模型试验进行了验证。结果表明：内共振发生时，索-梁锚固点是系统能量进行周期性动态转换的通道，其对应的整体模态振型幅值对能量转换影响较大；锚固于某阶整体模态振型驻点处的拉索即使满足频率比例关系，亦无法被激励产生内共振；拉索的1阶与2阶内共振响应彼此独立，无明显干扰效应；局部与整体模态频率满足等比关系是引发内共振的前提，局部及整体模态间的周期性能量传递是产生内共振的根本原因，而索-梁锚点对应的模态有效参与系数是内共振下能量转换的重要量化指标。

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沥青混合料工作性能研究综述

季节, 于淼章, 王玉果, 周艳东, 王涵, 李伟, 郑文华

中国公路学报. 2024, 37(9): 170-185. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.014

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为实现沥青混合料设计、施工与服役期间的性能一体化，引入沥青混合料工作性能指标，从黏聚性、黏附性、流动性、可压实性和均匀性5个方面分析其对混合料工作性能的影响特征。首先分别阐述了上述5个方面各自的评价方法与指标，总结了现有评价体系的不足与未来研究方向；其次，综合分析了上述5个方面之间的内在联系及其对混合料路用性能的影响规律；最后，基于沥青混合料的工作性能与路用性能，提出合理、便捷且具有代表性的沥青混合料工作性能综合评价方法及指标，并将该综合指标嵌入设计阶段，提出基于工作性能与路用性能的沥青混合料平衡设计法，以此来调整和优化沥青混合料的设计，推动沥青混合料设计方法的完善与升级，促进沥青路面的可持续与高质量发展。

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道路融雪除冰技术生命周期内环境负荷分析

郭猛, 蔡晓晓, 王京京, 杜修力

中国公路学报. 2024, 37(9): 186-196. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.015

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目前广泛采用的融雪除冰方法会对路面和环境产生一定的破坏。为了研究沥青路面融雪除冰技术在其生命周期内对环境的影响作用，以蓄盐路面、电缆加热路面、机械除冰雪3种不同融雪除冰技术为研究对象，基于生命周期分析(LCA)方法，将3种不同融雪除冰技术分为原料开采、拌和、运输、摊铺压实、除冰雪5个过程，量化分析3种不同融雪除冰技术生命周期内环境排放的影响。取全球变暖潜值(GWP)、酸化潜值(AP)、光化学臭氧形成潜值(POCP)、人体毒性潜值(HTP)4种环境影响类别来评价生命周期内融雪除冰技术的环境负荷。研究结果表明：在融雪除冰技术的各个阶段中，CO₂的排放均是最多；在整个生命周期内，3种融雪除冰技术产生的环境负荷的排序均为GWP>HTP>AP>POCP；在4种影响类别中，不同融雪除冰技术中GWP占比均在74%以上。为了使不同融雪除冰技术的环境负荷进行比较，对不同融雪除冰技术的分析结果进行归一化处理，得出电缆加热路面产生的环境负荷最大，蓄盐路面产生的环境负荷最小。

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振动压实致粗粒土填料颗粒运移和空隙演化特征

王萌, 于群丁, 肖源杰, 华文俊, 李文奇, 毛建锋, 李志勇

中国公路学报. 2024, 37(9): 197-208. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.016

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路基粗粒土填料的连续振动压实质量评价仍缺乏颗粒运移、骨架和空隙结构特征等细观指标，为此，针对振动压实最优激振参数组合下的粗粒土填料，基于高精度工业X射线计算机断层扫描(XCT)及三维重构技术，从细观尺度对比分析了基床填料内部颗粒运动、迁移和分布规律，量化分析了不同阶段填料内部三维空隙结构演化特征。研究结果表明：振动荷载作用下粗粒土填料颗粒在第1阶段以竖向运动为主，填料内部空隙减小并逐渐形成骨架；颗粒在第2阶段主要在水平面移动及竖直面内滚动，颗粒间的咬合嵌挤作用增强；当超过60%的颗粒其长轴倾角绝对值大于60°时，表明填料已基本接近或达到较优压实状态；相比其他粒径颗粒，4.75～9.5 mm和2.36～4.75 mm两个粒径范围内的颗粒处于粗细颗粒的分界，在振动荷载作用下更趋向于调整自身的位置，进而强化粗颗粒间的骨架效应；随着压实过程的推进，填料内部粗颗粒骨架结构逐渐形成且细颗粒不断填充骨架结构的空隙，面空隙率沿试样高度方向的不均匀性减小，空隙整体形状向规则型发展且空隙间的形态差异不断减小。研究结论可为粗粒土填料室内振动压实质量评价提供更全面的颗粒运动和空隙结构特征等微细观指标。

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考虑应力水平和化学腐蚀效应的冻融砂岩细观损伤试验

王苗苗, 朱林楦, 周志军, 许江波, 任玉波, 韩静, 冯泓鸣

中国公路学报. 2024, 37(9): 209-220. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.017

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寒区工程岩体在经受冻融作用的同时受到外部荷载和化学溶液的影响，直接体现在孔隙结构的变化上，决定着冻融损伤劣化机制。为研究应力、溶液和冻融共同作用下砂岩孔隙结构的演化特征，开展了不同应力水平和化学溶液的砂岩冻融循环试验，通过核磁共振获得的T₂谱和扫描电镜技术获取的微观图像，分析了砂岩孔隙孔径分布、孔隙度、不均匀系数、渗透率和弯曲率以及微观结构随冻融循环的变化情况，探讨了应力水平和化学溶液对冻融过程中砂岩孔隙结构演化过程的影响规律和控制机制。研究结果表明：随冻融循环次数增加，不同尺寸孔隙增加，中孔扩展速率加快，且易扩展为更大尺寸的大孔，引起孔隙度、不均匀系数、渗透率增加，而弯曲率降低；稀硫酸溶液促进小孔发育为中孔和大孔。当轴向应力较低(0.3σ_f)时，在冻融初期垂直于应力方向的孔隙发生闭合，抑制了化学腐蚀和冻胀力的发挥，不同尺寸孔隙数量较无应力下减少，孔隙度、不均匀系数、渗透率减小，弯曲率增加；之后随化学腐蚀和冻胀力交替累加，再加上轴向应力的附加作用，引起不同尺寸孔隙数量增加。当轴向应力较高(0.7σ_f)时，受应力主控，中孔和大孔增加明显，沿晶裂纹和穿晶裂纹快速萌生和扩展，引起孔隙度、不均匀系数、渗透率快速增大，弯曲率降低，最终导致砂岩破裂。

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车联网中时延感知的依赖任务调度与计算卸载策略

刘树美, 安毅生, 慕晨, 于尧

中国公路学报. 2024, 37(9): 221-235. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.018

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为了提升车联网对任务依赖型应用的执行响应速度，研究了时延感知的依赖任务调度与计算卸载策略。具体包括以下4个设计要点。首先，基于有向无环图(Directed Acyclic Graph, DAG)构建了车辆端的任务依赖型应用模型，不仅详细表征了每个应用中任务间的依赖关系，还构建了多车多应用场景下的总任务DAG。其次，基于部分卸载模式，设计了综合考虑排队时间、计算时间以及结果传输时间等多时延项的本地计算与卸载模型，进而制定了每个任务的执行等待时间表达式和任务总处理时延最小化优化问题。再次，本着“以更短时间完成更多任务”的设计原则，基于任务依赖性特点，设计了任务的执行时间优先级与等待时间优先级指标。基于此，设计综合考虑2种时间优先级指标的改进异构环境下最早完成时间(Heterogeneous Earliest Finish Time, HEFT)任务调度算法，并获得旨在提升时延性能的最优任务调度顺序。最后，为了获得每个任务的最优卸载决策，构建了任务计算的马尔可夫决策过程，进而设计了基于深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient, DDPG)的任务卸载算法，获得了最优的计算卸载决策。在不同的网络设置下进行了仿真试验。研究结果表明，与现有的时延最小化方案相比，所提任务调度与计算卸载方案具有明显的时延性能优势，更适用于对低时延要求较高的车联网环境。

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条件自动驾驶接管与高速公路出口小半径匝道平面线形匹配性研究

林子鉴, 陈丰, 马小翔, 潘晓东, 陈培焱, 袁华智

中国公路学报. 2024, 37(9): 236-249. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.019

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为了解自动驾驶接管后驾驶人行为与现有高速公路出口小半径匝道平面线形的匹配性，基于驾驶模拟仿真平台构建高速公路出口接管场景并进行驾驶模拟试验。以驾驶模式(手动驾驶，接管)、匝道圆曲线半径(50、70、90 m)与匝道交通流密度(每车道5、45 pcu·km^-1)作为自变量，构建12种驾驶模拟场景。招募30名被试进行驾驶模拟试验，记录试验过程中驾驶人的眼动特征及车辆运动状态。选取瞳孔直径、水平视角分布标准差、垂向视角分布标准差、平均纵向速度变化率、横向偏移量标准差、最小碰撞时间(TTC)共6项指标，分析检验不同因素对各指标影响的显著性。依据检验结果选取指标构建匹配性模糊综合评价模型，对不同匝道半径与交通流密度组合下的接管匹配性进行评估。研究结果表明：相比手动驾驶场景，接管场景中驾驶人瞳孔直径变大，视点水平方向离散程度增加，车辆纵、横向行驶稳定性降低；随匝道半径增加、交通流密度减小，驾驶人瞳孔直径减小，车辆纵向行驶稳定性增加，匝道半径的变化对车辆运动状态的影响比对驾驶人视觉行为的影响更大。在交通流密度为每车道45 pcu·km^-1的场景中，增加匝道半径对接管匹配性的提升存在边际递减效应，且较小匝道半径与较高交通流密度的组合会放大各自对接管匹配性的不利影响。当交通流密度较低(每车道5 pcu·km^-1)时，即使匝道半径取设计极限值，接管匹配性也可达到“高”；而当交通流密度较高(每车道45 pcu·km^-1)时，匝道半径需接近目前实际工程应用中的最高标准，方可使接管匹配性达到“高”。基于接管匹配性分级，从人、车、路多角度进行考虑提出接管策略优化建议，以提升驾驶人的接管绩效。研究结果对于提升高速公路出口段自动驾驶车辆接管过程的安全性具有指导作用。

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基于演化博弈的共享停车参与主体收益分配策略

胡晓伟, 陈福存, 安实

中国公路学报. 2024, 37(9): 250-262. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.020

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大城市停车矛盾日益严重，共享停车成为缓解停车难的新途径，但参与主体收益分配不均成为导致其不能快速推广的原因之一。基于此,运用演化博弈探讨共享停车泊位的各参与者之间的均衡收益及合作策略，考虑了共享停车的共享停车平台、停车管理公司和泊位拥有者三方主体的利益，分析了不同停车泊位购买/租赁情景下的收益分配策略，包括全为泊位拥有者一次性购买、一次性购买和租赁混合以及全为租赁的3种情景。首先解析了共享停车平台、停车管理公司和泊位拥有者的三方博弈策略关系，建立了不完全信息下共享停车三方主体演化博弈模型，其次对三方利益主体博弈策略的复制动态系统方程进行稳定性分析，最后进行理论推导和模拟仿真分析。仿真结果表明：①当共享停车平台补贴增加50%时，演化收敛速度加快了20%；②当停车管理公司获得收益增加50%时，演化收敛速度加快了36%；③共享停车平台提高补贴额度、提高停车管理公司的获益比例有利于推进共享停车合作的达成;④得到了各利益相关者在以下3种情景下的收益分配策略: 全为泊位所有者一次性购买、一次性购买和租赁混合以及全为租赁。研究结果可为解决共享停车中收益分配不明确问题提供新的思路，进而为有效推动共享停车发展提供理论参考。

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城市群交通网络凝聚子群重叠性对产业协同集聚的影响

刘欣, 杨琦

中国公路学报. 2024, 37(9): 263-272. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.021

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产业协同集聚是产业集聚的高级阶段，其与城市群交通网络的演化密切相关，关于交通网络结构与产业协同集聚关系的讨论仍存争议。针对关中平原城市群的高速公路网络进行建模分析，采用凝聚子群的重叠性作为网络结构特征的指标，并应用广义线性模型探讨两者间的关系。结果表明，城市群交通网络中的凝聚子群重叠性对产业协同集聚具有负面影响。这一结构特征通过促进资源的反向流动，可能降低某些区域的产业协同集聚水平。作为一种综合性指标，凝聚子群重叠性能稳定评估交通网络与产业协同集聚之间的联系，对于优化城市群交通网络规划和区域产业协同集聚具有重要的理论和实际意义。

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基于实车数据的城市地下螺旋匝道小客车运行特性研究

郑展骥, 郑礼伟, 许宇轩, 饶嘉强, 张河山, 徐进

中国公路学报. 2024, 37(9): 273-288. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.022

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为明确城市地下螺旋匝道的驾驶行为模式和车辆运行特性，选取重庆市渝中区解放碑地下环道-洪崖门地下道开展实车驾驶试验。利用车载仪器采集了20名驾驶人自然驾驶状态下的行驶速度、纵向加速度和横向加速度等运行参数，得到了螺旋匝道范围内车辆的速度特性、纵/横向加速度累积频率，探讨了纵向加速度、横向加速度与速度之间的关系，同时引入G-G图方法对危险驾驶行为进行辨识。研究结果表明：①螺旋匝道的实测速度远高于设计速度，驾驶人在连续下坡路段的弯道行车减速度高于加速度，连续弯道与独立弯道的横向加速度幅值在不同行驶方向下存在差异；②上行匝道弯道(R=80 m)的纵向加速度数据分布呈椭圆形，上行匝道弯道(R=40 m)和下行匝道弯道(R=80 m)的纵向减速度随速度的增加而下降，螺旋匝道其余弯道的纵向加(减)速度随速度的增加先上升后下降；③螺旋匝道弯道的横向加速度与速度呈正相关，仅上行匝道弯道(R=80 m)的横向加速度随速度的增加先上升后下降；④螺旋匝道弯道的风险路段主要位于出弯加速段，仅下行匝道弯道(R=40 m+30 m)在入弯减速段也存在风险路段。研究结果揭示了城市地下螺旋匝道小客车的运行特性，可以为未来城市地下道路螺旋匝道的限速方案和弯道几何设计提供参考。

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中国人体骨骼力学测试与材料参数识别

张冠军, 马巾慧, 汪家文, 肖朝伦, 黄江, 王勤淮, 王强, 王攀峰, 白中浩, 吴文鑫

中国公路学报. 2024, 37(9): 289-300. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.023

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人体数字模型是损伤机理研究、防护装置研发等汽车碰撞安全研究的重要工具，也是未来汽车安全虚拟测评的核心手段。骨骼材料本构参数是决定数字模型精度的关键，但长久以来中外各种数字人体模型所采用的材料本构参数，都来源于欧美人体的测试数据，还没有关于中国人体骨骼力学特性的系统研究，极大地限制了中国人体数字模型的发展和高效应用。为了厘清中外人体在骨骼力学特性方面的差异，获取中国人体骨骼材料力学特性数据，开展了一例中国男性人体骨骼材料测试研究。解剖出股骨、胫骨、腓骨、颅骨、肋骨、髂骨和胸骨，切割出每种骨骼的皮质骨区域，通过金相磨抛机、数控雕刻机等高精加工方法制备出数量众多、尺寸规则的长方体皮质骨试样，尺寸约为12 mm×2 mm×0.5 mm。通过三点弯曲试验获得试样的生物力学响应，通过基于改进的梁理论方法的自编程序，自动高效地获取试样的弹性模量、屈服应力、切线模量和有效塑性应变。研究结果表明：该例中国人体骨骼皮质骨的材料本构参数在文献中欧美人体的数据范围内，且不同骨骼间材料参数的差异显著(p<0.05)。提供的一例中国人体关键骨骼的材料本构参数，可为开发具有自主知识产权且符合中国人体特性的完整汽车碰撞安全数字模型提供了初步数据参考。

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极限操纵工况下CACC汽车队列的非线性动力学特性

吴相稷, 杨秀建, 陈峥, 王申义

中国公路学报. 2024, 37(9): 301-311. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.024

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目前汽车队列控制研究中对车辆轮胎力附着极限操纵工况考虑较少，相应的队列控制策略可能无法满足低附着、高速近距跟驰等极限工况下队列的安全稳定行驶。因此，针对探讨较多且应用前景较好的协同自适应巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control, CACC)汽车队列，研究轮胎力附着极限操纵工况下的CACC队列系统的非线性动力学特性，旨在为极限操纵工况下CACC汽车队列的控制策略设计提供理论依据。考虑轮胎力的非线性饱和特性，建立了队列-个体车辆一体化非线性动力学系统，基于控制增益参数空间分析研究了极限工况下队列的平衡点稳定性和头-尾弦稳定性特性。结果表明：极限工况下队列稳定性增益参数设计范围非常有限，在自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control, ACC)队列的基础上增加对领航车的跟驰控制后变为CACC队列，会导致平衡点稳定性增益参数设计范围变小，但是可以大大增加头-尾弦稳定性的增益参数设计范围；极限工况下弦稳定性比平衡点稳定性的要求更为苛刻，弦稳定性的增益参数空间要显著小于平衡点稳定性的参数空间；与ACC队列相比，CACC队列对极限工况下车速、路面附着等变化在保持队列稳定性方面体现出了更强的适应能力和抗扰能力，具有显著优势。

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AMT半挂牵引车行驶工况构建与换挡场景分析

李彬, 刘洪利, 宋瑞, 阮嘉赓

中国公路学报. 2024, 37(9): 312-326. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.025

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近年来AMT重型半挂牵引车(简称AMT牵引车)在中国的市场份额迅速扩大，但针对该车型的相关研究并未及时跟进，车辆性能仍有较大提升空间。为此，着手建立中国AMT牵引车典型行驶工况，并由换挡场景分析和风格工况构建协助AMT换挡策略完善，有助于优化车辆动力性，提高经济性与环保性能，更好地发挥AMT车型优势。首先，基于车辆实测数据，利用道格拉斯-普克算法分别稀疏化其车速和功率指标以获取相对应的差值和趋势数据，进而建立加速、减速、起步和停车4种典型换挡场景，统计分析不同场景下的换挡车速、功耗波动、换挡次数与换挡负荷；其次，结合t-SNE降维和K-means聚类，基于改进短行程法构建非高速行驶工况，并通过马尔科夫链构建高速公路行驶工况以弥补短行程法的固有缺陷；最后，基于非高速行驶工况，利用客观评分法区分保守型和激进型差值数据，分别与工况框架叠加以灵活构建不同风格工况。研究结果表明：AMT牵引车换挡车速集中在0~20 km·h^-1和55~70 km·h^-1之间，且4种典型换挡场景差异较大，应在不同场景下动态调整换挡策略的动力性和经济性倾向；高速和非高速行驶工况的指标平均相对误差(MRE)分别为4.834%和3.431%(后者相比传统方法降低了27.49%)，仿真油耗MRE分别为6.68%和4.13%，明显优于CHTC-TT和C-WTVC标准工况；激进和保守型风格工况的MRE均在5.6%左右，可用于评估换挡策略在不同驾驶强度下的性能表现；传统方法和风格工况的MRE均高于3.431%，表明有必要在工况构建过程中分离驾驶行为数据，以减轻其负面影响。

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2024年, 第37卷, 第9期　刊出日期：2024-09-30

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