中国公路学报杂志

中国公路学报杂志2019年第7期

• 汽车碰撞安全与轻量化研发中的若干挑战性课题

  周青, 夏勇, 聂冰冰, 黄毅, 赖兴华

  汽车结构与动力电池的碰撞安全性是开发轻量化、电动化汽车的强制性要求和关键基础性支撑技术。通过3个方面的10个典型课题及研究结果，介绍并综述了汽车碰撞安全性研发的技术挑战。第一，采用夹层式汽车前舱罩盖技术，提升罩盖结构力学特性的横向均匀性以及冲击响应历程的均匀性，满足汽车吸能位移限定下的行人头部碰撞响应控制；采用精细人体有限元模型解析复杂工况下行人下肢损伤机理和影响参数，基于人体组织损伤层面的虚拟评估改进汽车结构的人体碰撞保护设计；面向复杂道路交通事故工况和多样化人体特征，解决强非线性条件下的自适应乘员智能保护系统优化设计难题，通过在时间和空间上对乘员约束载荷的均衡化实现针对工况可调的碰撞保护。第二，揭示材料冲击测试中系统共振导致信号振荡和材料屈服放大振荡的机理，开发抑制信号振荡的轻质动态力传感器；精细表征材料在碰撞载荷和复杂应力状态下的力学行为，针对高强钢、塑料、胶粘和焊点等轻质高强材料及复合连接接头建立大变形失效断裂预报方法及仿真模型。第三，基于动力电池多工况挤压试验，建立电池在外载荷作用下的材料失效、电压陡降与温度上升的响应特征关联性，提出用力学响应特征预测电池内部损伤起始和短路发生的判据，解决电池在机械滥用载荷下的短路预测问题，建立能准确预测电池变形响应的数值模型及碰撞安全评估方法，并应用于电池包和电动车的轻量化与碰撞安全性设计。

• 饱和软土三轴剪切特性与微观结构关系试验

  刘勇健, 杨鑫, 罗岚, 李彰明, 梁仕华, 方昊圆

  天然土体均具有一定的物质组成和内部结构，因而表现出不同的工程特性。为探求软土在剪切变形过程中微观结构的演化规律，研究土体的宏观物理力学性质与微观结构之间的相互关系，对珠江三角洲饱和软土进行真三轴剪切试验和核磁共振试验，获取不同剪切速率条件下不同应变阶段的软土力学响应特征和孔隙微观结构参数。试验结果表明：三轴试验前后软土的孔径均主要集中在1～20 <em>&mu;</em>m区间，经三轴剪切试验后软土的微观结构及其参数均发生了不同程度的变化，如平均孔隙半径减小，孔隙率降低，含水率减少。在剪切过程中，软土的剪切变形存在一个应变阈值（竖向应变4%～5%），当竖向应变小于应变阈值时，软土的小孔隙的百分数随应变增大而减小，中、大孔隙百分数随应变增加而增加；当竖向应变大于阈值后，孔隙分布随应变的变化趋势则反之。软土的微观结构形态及其微观结构参数变化受剪切速率和土的应变值这2个因素影响较明显；孔隙形状参数（<em>S/V</em>）随土的应力状态（广义剪应力<em>q</em>和应变<em>&epsilon;</em>_s）有规律变化。此外，从微观结构层次和分子动力学角度揭示了软土剪切力学行为，软土剪切过程实质是土微（细）观结构不断自我调整的过程，土体的受力变形在微观上主要表现为孔隙大小和形状的变化。

• 计入受压宽度的圆盘劈裂问题弹性解及应用

  谈至明, 从志敏, 陈景亮, 肖建

  为了完善计入受压宽度的圆盘劈裂问题的理论基础，构建了一个可满足圆盘外表面任意应力条件的Airy应力函数，应用该应力函数推演了圆盘上、下外表面局部荷载作用下的弹性解，通过调整局部荷载的分布形态得到了与圆盘同半径刚性弧形垫条及承载压板下的圆盘劈裂问题解。研究了2种加载形式、荷载接触宽度、材料泊松比及不同平面假设条件下圆盘的应力-应变规律，提出了圆盘最大拉应力和最大拉应变的回归公式，讨论了圆柱体劈裂问题的应用。结果表明：圆盘的最大拉应力始终出现在圆心位置，其值随着荷载接触角的增加而减小，与套用集中力作用下圆盘劈裂强度计算式得到的劈裂强度偏差随着荷载接触角的加大而增大；圆盘的最大拉应变随着材料泊松比增大、荷载接触角缩小而加大，其位置也随之由圆心向荷载作用区靠近，且平面应变状态的最大拉应变比平面应力状态的最大拉应变大一些；在外荷载总量相同的情况下，平面应力状态的圆盘上、下对称轴的压缩量较平面应变状态的大一些，当材料泊松比分别为0.2，0.4时，两者相差约4%和20%；最后，给出了圆柱体劈裂强度及劈裂压缩强度比的计算式，并认为现行国际岩石力学学会（ISRM）、美国材料与试验协会（ASTM）和中国圆柱体劈裂试验规程中采用固定荷载半接触角为0.128的弧形垫条是必要且较适合的。

• 基于砾钢渣+橡胶颗粒的新型填料动剪切模量与阻尼比特性试验

  王丽艳, 周亚军, 闫家涛, 王炳辉, 井合进

  为了解决固体废弃物循环利用问题，提出将废旧轮胎橡胶颗粒掺入废弃钢渣中形成新型土工填料。为了了解该新型填料的动力特性，采用共振柱试验对基于钢渣+橡胶颗粒的新型土工填料的动剪切模量和阻尼比特性开展研究。首先分析围压与橡胶颗粒含量对新型填料动剪切模量和阻尼比的影响，试验结果表明：动剪切模量和阻尼比与剪应变的关系类似传统土类，动剪切模量随着剪应变的增大而减小，阻尼比则随着剪应变的增加而增大，变化曲线趋势基本一致；新型填料的动剪切模量随着钢渣含量的减少和橡胶颗粒含量的增加而逐渐减小，橡胶颗粒含量达到20%时，动剪切模量与剪应变的关系曲线低缓显著，新型填料中橡胶颗粒不宜掺入太多。然后，基于Hardin-drnevich双曲线模型建立新型填料的动力特性理论模型，Hardin-drnevich双曲线模型能够较好地模拟新型填料动剪切模量归一化的数据，并对新型填料参考剪应变随橡胶含量的变化趋势进行了预测。最后，将新型填料的最大动剪切模量与纯钢渣、南京砂和福建标准砂的最大动剪切模量进行比较。分析结果表明：新型填料的橡胶颗粒含量不宜超出15%，这种新型填料动剪切模量适中，阻尼比较大，具有较好的抗震减震能力，能够替代砂土成为一种回填材料。

• 基于Bodner-Partom模型的水泥乳化沥青混合料黏弹塑压实特性

  张翠红, 曹学鹏, 焦生杰, 徐信芯, 职统超, 付耀

  为揭示水泥乳化沥青混合料压实过程中的黏弹塑性变形特性及其变形机理，结合现场路面压路机的施工工艺参数，采用万能试验机压缩试验模拟该混合料的压实过程。针对试验循环荷载力学响应曲线变形特征，引入有效平均应力构建混合料压实变形的Bodner-Partom本构模型。通过对应变-时间的非线性拟合识别出该混合料的B-P模型参数值，进而揭示压实过程中混合料的黏弹塑性动态流变特性及变形机理。试验结果表明：压缩试验可充分反映混合料压实过程中的力学响应变形特性；随着循环荷载次数的增加，混合料塑性和黏塑性变形减小而弹性和黏弹性变形增大。据混合料复压阶段的黏塑性变形规律导出试样空隙率的计算式，进而获得有效平均应力随试样空隙率的变化规律。B-P本构模型分析结果表明：黏性参数<i>η</i>随荷载作用次数的增加而逐渐增大，说明混合料在压实过程中黏性增强；应变率敏感系数<i>n</i>₁基本保持不变，表明压实过程中混合料温度相对稳定；参数值<i>Z，D</i>₀随荷载作用次数的增加分别呈递增、递减的规律，前者显示随着混合料被进一步压实其非弹性变形抵抗力增大，进而导致塑性和黏塑性应变逐渐减小，后者显示塑性应变率减小，表明单次循环荷载下塑性变形占总变形量的比例逐渐减小。B-P模型参数值可准确表征水泥乳化沥青混合料与时间和荷载相关的黏弹塑性流变特性，重构后的B-P本构模型可有效揭示混合料压实过程中的黏弹塑性变形机理，可为深入研究其压实流变性能和路面压实工艺奠定基础。

• 钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳裂纹扩展特性研究

  张清华, 郭亚文, 李俊, 袁道云, 卜一之

  正交异性钢桥面板纵肋构造细节疲劳危害严重，修复困难，传统单面焊构造疲劳抗力不足是导致该部位疲劳开裂频发的主要原因。采用双面焊构造可望显著提高该构造细节的疲劳抗力，而初始焊接缺陷是该类构造细节疲劳抗力的关键影响因素。以双面焊构造为研究对象，基于线弹性断裂力学理论，建立多裂纹扩展模拟方法，通过多裂纹扩展试验验证该方法的可行性；在此基础上，对焊根处存在单一和多个初始缺陷条件下构造细节疲劳裂纹扩展特性进行研究。结果表明：外侧焊根单裂纹、内侧焊根单裂纹与焊根多裂纹扩展模式均为Ⅰ型开裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式；多裂纹扩展特性并不显著，多裂纹在扩展初期由于临近裂纹等效应力强度因子幅值的迅速降低而转变为单一裂纹，此后其扩展规律与外侧焊根单裂纹扩展规律基本一致；3种裂纹在扩展初期裂纹形状比变化规律存在差异，但随着扩展深度的增加，等效应力强度因子幅值下降段变化规律基本一致，裂纹扩展达到一定深度后均呈扁平状且随扩展深度增加扁平状趋势更加显著；外侧焊根处的单一缺陷是控制钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳抗力的主要缺陷，制造时应采取有效措施避免这类缺陷。

• 基于试验数据的大跨度拱桥有限元模型修正

  秦世强, 胡佳, 曹鸿猷, 康俊涛, 蒲黔辉

  为了获取菜园坝长江大桥的基准有限元模型，结合Kriging代理模型和一种改进的粒子群优化算法，利用荷载试验数据对其初始有限元模型进行修正。首先，叙述模型修正和Kriging模型基本理论，在基本粒子群算法中引入交叉变异计算，提出一种改进的粒子群算法，并通过测试函数对改进的粒子群算法进行验证；其次，简要介绍菜园坝长江大桥荷载试验、荷载试验结果及初始有限元模型；最后，根据敏感性分析选定6个待修正参数，通过试验设计得到频率和位移关于修正的参数的样本，并建立有限元模型的Kriging代理模型以预测结构响应；以频率和位移的试验值和计算值残差为目标函数，分别利用基本粒子群算法和改进的粒子群算法在修正参数的设计空间内寻找目标函数的最小值，并对比分析模型修正的结果。结果表明：测试函数表明改进的粒子群算法具有较好的稳定性和成功率，并能获得更为精确的优化结果；建立的Kriging代理模型均方根误差较小，可以替代有限元模型预测结构频率和位移；经过模型修正，菜园坝长江大桥前5阶频率计算值与试验值相对误差均控制在5%之内；除个别测点外，位移相对误差均控制在10%以内；相比基本粒子群算法，改进的粒子群算法获得了更小的目标函数值，修正后的频率和位移的相对误差更小。

• 带EPS的整体式桥台-桩-土相互作用拟静力试验

  黄福云, 程俊峰, 薛俊青, 林友炜, 庄一舟

  整体桥中台后土压力在温度循环作用下会发生较大变化，这种季节性横向土压力的变化在每次温度循环后会持续增大，其实际所受水平土压力会远大于桥台设计时的压力，同时桥台桩基会产生累积和残余变形，因而有效减少台后土压力与桥台桩基的累积和残余变形至关重要。为此以桥台-H形钢桩试件为研究对象，通过在桥台侧向施加水平位移荷载，开展带膨胀聚苯乙烯（EPS）填料板的整体式桥台-桩-土往复荷载拟静力试验，分析桥台、桩基的骨架曲线、滞回曲线及其沿入土深度方向的水平变形和桥台转角等的变化规律，初步研究EPS填料板的厚度对桥台-桩基-土相互作用受力性能的影响。试验结果表明：在台后埋设EPS填料板能有效减小上部结构变形时桥台所受到的水平力，最大可减小31%；同时，也可减小模型试件的累积变形，其随着EPS厚度的增加而逐渐减小，尤其对桩的累积变形减小最为显著，最大减小了74.3%；在台后埋设EPS填料板也可有效减小台后填土对桥台转角的约束作用；台后埋设EPS填料板会使单步位移荷载作用下产生的变形有所增大，但幅度不大；试验全过程各模型试件均表现出了良好的弹性性能和变形能力。

• 环向预应力钢绞线加固RC拱肋力学性能试验

  罗征, 王银辉, 王小荣, 李应根

  通过RC方柱偏压试验和RC拱肋面内受力全过程试验，对环向预应力钢绞线（LPSW）加固拱桥方法进行研究。对相对偏心距分别为0，0.25，0.5的3类RC方柱进行偏心受压试验，偏心试验表明：RC方柱加固后，预应力钢绞线先于箍筋约束混凝土，有效抑制了混凝土裂缝的纵向开展，预应力钢绞线及箍筋之间具有良好的变形协调性；LPSW加固柱承载力提高了3%～34%，LPSW加固技术适合于小偏心受压结构，偏心距越小，增强效果越明显。在偏压试验基础上，拓展了LPSW加固RC拱肋的模型试验，对LPSW加固模型拱荷载-挠度曲线、截面应变和结构破坏模式等方面进行分析。拱肋试验表明：LPSW拱肋受力过程和破坏模式与RC拱肋相似，分为弹性阶段、裂缝开展阶段和钢筋屈服阶段，最终因出现5个塑性铰形成机构而呈塑性破坏。由于环向预应力钢绞线约束，使RC拱肋提前处于3向受压应力状态，横向膨胀受到约束，避免拱肋出现拉应力，加固拱肋的初裂荷载、钢筋屈服荷载和极限荷载为未加固拱的2倍、1.6倍和1.47倍。基于偏压柱及拱肋试验结果，利用弹塑性失稳理论的等效梁柱法，建立LPSW加固拱肋极限承载力的计算公式，计算值与试验值吻合较好，且偏于安全，可用于评估实际加固拱桥的承载能力。

• PP-ECC用于墩底塑性铰区域的抗震性能试验

  贾毅, 赵人达, 廖平, 李福海, 占玉林

  为增强桥墩的抗震能力，探讨塑性铰区域采用聚丙烯纤维水泥基复合材料（PP-ECC）桥墩的抗震性能和损伤容限，设计并制作3个剪跨比为7的钢筋混凝土高墩试件，其中2个桥墩试件的塑性铰区域采用不同高度的PP-ECC材料，1个普通混凝土桥墩为对比试件。基于低周反复荷载试验获得桥墩试件开裂过程、破坏形态和水平力-位移滞回曲线等试验结果，对比分析墩底潜在塑性铰区采用不同PP-ECC高度对桥墩延性、承载力、耗能以及刚度等抗震性能指标的影响，并与普通混凝土桥墩的抗震性能指标进行对比分析。研究结果表明：与普通混凝土桥墩相比，采用PP-ECC材料可以明显改善桥墩的破坏形态，控制裂缝的宽度和发展，提高桥墩的损伤容限；局部使用PP-ECC材料可以提高桥墩的位移延性系数，该构件具有良好的变形能力和抗倒塌能力；相对普通混凝土桥墩，PP-ECC桥墩的滞回曲线面积更大且滞回环更加饱满，骨架曲线下降段较为平缓，承载能力和刚度退化缓慢，耗能能力提高了20%；PP-ECC材料高度增加1倍，桥墩位移延性系数提高了15.2%，能量耗散系数变化不大，试件的侧移刚度有一定的提高，刚度退化变缓；墩底PP-ECC材料与普通混凝土相交的界面未出现剪切滑移现象，可见PP-ECC材料的黏结性较好，可以保证2种材料协同受力，共同工作。

• 火灾高温下盾构隧道衬砌结构热力耦合模型试验

  张高乐, 张稳军, 喻国伦, 雷家艳

  为研究火灾高温下盾构隧道衬砌结构的热力耦合行为，利用自主研制的温度加载设备和衬砌管环外压加载设备，分别设计并开展整环衬砌结构的无外压受热模型试验和热力耦合模型试验。试验使用不考虑接头效应的钢纤维混凝土匀质管片。首先，介绍2种试验设备的原理、主要构造和各类参数；在此基础上，针对模型试验过程进行细致的说明。然后，通过对衬砌管片结构形式的分析确定试验的火灾加载工况；详尽描述不同试验的相关结果，重点分析衬砌结构内表面各处温度场的变化过程、分布情况、管片的变形结果及破坏模式。研究结果表明：温度加载设备和衬砌管环外压加载设备能够较好的满足整环衬砌热力耦合研究的模型试验要求；试验初期底部管片的升温速率相对顶部管片有所滞后，但各部分间的温差数值随加热的持续进行会逐渐减小，衬砌结构内部能够形成稳定的温度场；无外力作用下匀质管片的破坏形式表现为沿幅宽方向的贯穿裂缝，各管片结构的裂缝发展路径存在差异；衬砌管片由于外压作用产生的压应变随温度的升高而减小；外压荷载对衬砌结构在高温下产生的膨胀变形存在抑制效果。研究结果可为盾构隧道整环衬砌结构热力耦合研究的进一步发展提供参考。

• AMT驱动构型对纯电动客车综合性能影响研究

  刘晓东, 马建, 贺伊琳, 张一西, 张凯

  为研究自动机械式变速器（AMT）驱动构型对纯电动客车综合性能的影响，以12 m电机直驱纯电动城市客车为研究对象，装备3挡AMT并对驱动电机重新选型，利用NSGA-Ⅱ多目标优化算法以0~50 km&middot;h^-1加速时间最短和中国典型城市工况（普通道路和快速道路）下行驶能耗最低为目标对变速箱传动比进行优化，并制定基于车速和加速踏板开度的双参数动力性与经济性换挡规律，在中国典型城市工况不同道路下，采用2种换挡规律对整车驱动能耗与制动能量回收进行仿真，并利用最大爬坡度及加速时间对整车动力性能进行分析。研究结果表明：与原电机直驱构型下整车性能相比，AMT驱动构型在将驱动电机峰值转矩降低68.4%后，最大爬坡度从20.07%提高到20.3%，0~50 km&middot;h^-1加速时间从14.19 s增加到18.69 s，整车动力性虽满足要求，但加速时间增加了31.7%；其驱动能耗有所降低，但制动能量回收能力有所减弱，且二者都受行驶工况和换挡规律的影响，普通道路行驶时，经济性和动力性换挡规律百公里驱动能耗分别降低了1.55%和0.55%，百公里制动能量回收分别减少了1.35%和1.53%，百公里综合能耗分别降低了-0.12%和1.62%，快速道路行驶时，经济性和动力性换挡规律百公里驱动能耗分别降低4.78%和3.72%，百公里制动能量回收分别减少了1.53%和5.1%，百公里综合能耗分别降低了5.63%和3.35%。可见，纯电动客车采用AMT驱动构型时，需综合考虑车辆设计要求及行驶工况与换挡规律的影响。