中国公路学报杂志

中国公路学报杂志2020年第7期

• 近30年桥梁基础冲刷研究进展及关键问题

  郭健, 蒋兵

  近年来，基础冲刷导致的桥梁灾害频发，冲刷已成为威胁涉水桥梁安全的重要原因。基于前人已有的成果，对近30年来桥梁基础冲刷领域的相关研究进行了系统分析。首先采用信息量化分析技术给出了近30年桥梁基础冲刷研究的创新研究成果参数，呈现了冲刷研究领域的知识结构体系，探索了其研究热点。研究结果表明：①桥梁基础冲刷研究论文数量呈现上升趋势，特别是最近几年论文数量增速加快，研究热度提高，其中一些主要文献表现出很高的被引用频率，受到研究人员的重点关注；②研究成果主要集中于桥梁基础冲刷机理、冲刷深度预测、现场监测方法和冲刷防护措施等方面；③研究的新兴热点涉及复杂桥梁基础周围的三维流场特性分析、基于不同算法和随时间演变的冲刷深度预测。此外，对跨海桥梁基础冲刷研究的进展进行了分析，总结了不同条件（水力特性、沉积物条件、基础结构形式及空间布置方式等）对跨海桥梁冲刷的影响；阐述了现有冲刷深度分析方法应用于跨海桥梁冲刷深度预测时存在的问题；对比分析了几种冲刷监测方法的优点、不足及精度影响因素；指出跨海桥梁基础冲刷需要加强对复杂海域环境下桩基冲刷机理、冲刷深度预测及冲刷安全监测评估方法的研究。最后提出：桩-土-潮流相互耦合作用的局部冲刷机理研究、排除水流及悬浮泥干扰的实时监测设备研发、考虑围垦等人类活动对跨海桥梁基础冲刷影响及包括冲刷在内的多灾害分析将是今后研究发展的趋势。

• 微型桩-香根草协同护坡试验与计算研究

  邓友生, 孙雅妮, 赵明华, 吴鹏, 王倩

  单一的香根草护坡或微型桩护坡在边坡加固与防护工程中均得到了广泛应用，但针对两者协同护坡的研究和相关工程应用相对较少。边坡安全系数作为评判边坡稳定性的重要依据之一，其计算分析结果的准确程度高，可提升滑坡灾害的预测水平，从而降低损失。通过室外大比例尺模型试验，采用坡顶分级堆载对植被与微型桩协同护坡的效果进行试验，并对采用多种理论与数值方法求得的边坡安全系数进行了比较，分析了香根草及微型桩对边坡安全系数的影响。试验与计算结果表明：采用三维有限元分析得到的安全系数略高于二维有限元分析；相比于素土边坡，微型桩-香根草协同护坡能极大地提高边坡安全系数，有效提高坡体稳定性，而且能够提高边坡承受荷载能力，研究结果可为生态防护与工程加固措施协同护坡工程设计提供理论依据。

• U肋加劲板的声振特性研究

  张迅, 王曦阳, 刘蕊, 周小刚, 李小珍

  为分析U肋加劲板的声振特性，联合锤击试验和数值仿真方法从振动传递特性和声辐射性能2个方面进行研究。首先，以某钢箱梁为原型，设计制作一足尺U肋加劲板结构，通过锤击激励获得不同位置的振动和噪声响应。然后，以有限元计算得到的振动响应作为边界元仿真的边界条件，建立混合有限元-边界元模型预测U肋加劲板的振动声辐射，并将仿真结果与实测值进行对比。最后，通过数值仿真探讨U肋的声振贡献量，并分析结构设计参数（顶板厚度、U肋厚度和U肋间距）对顶板声功率级的影响规律。研究结果表明：相比混凝土结构，U肋加劲板的振动噪声更加明显，且频谱范围更宽，主要集中在几百至上千Hz；U肋正上方和U肋之间的顶板原点导纳差异不大；顶板原点导纳和U肋传递导纳的频谱特性相似，并在量值上具有可比性；混合有限元-边界元预测方法具有较高的精度，但计算效率不高；受到U肋自身的振动声辐射和声反射效应的影响，U肋加劲板正下方的噪声比侧方高出约10 dB（A），声压级峰值频段为400~1 250 Hz；顶板厚度和U肋间距是决定顶板声辐射大小的决定性因素，算例中顶板厚度减小6 mm或U肋间距增大300 mm时，顶板声功率级分别增加5.4 dB（A）或9.4 dB（A）；U肋厚度在6~10 mm内变化时，顶板声功率级改变不大。

• 基于分布式光纤传感器的预应力管道压浆质量检测

  龚士林, 冯新

  现有预应力管道压浆质量检测方法多为点式测量，检测效率低，对检测环境要求高，并且易造成压浆缺陷漏检。为了弥补这一问题，提出一种基于分布式光纤传感器的预应力管道压浆质量检测方法。通过对预应力管道内压浆缺陷进行热力学分析，探讨与压浆密实度相关的热力学指标及其求解方法，并通过物理模拟开展试验研究，将设计的加热型分布式光纤传感器布设于预应力管道内部，采集加热后分布式光纤传感器的温度数据，识别温度分布曲线中的温度峰，计算各温度峰位置所对应的缺陷截面等效导热系数，分析该系数与压浆密实度的相关关系。研究结果表明：通过识别分布式光纤传感器温度分布曲线中的温度峰，可以将预应力管道中所有压浆缺陷准确识别出；缺陷截面的等效导热系数可以作为压浆密实度的评价指标，根据实测结果所得各位置的等效导热系数，可以近似求解出所对应的压浆密实度。

• 盾构隧道纵向接头抗拉性能试验

  耿萍, 王琦, 郭翔宇, 曾冠雄, 陈昌健, 何川

  盾构隧道纵向在受到如地震、纵向地层变形等因素影响时，可能发生环缝张开，使得纵向接头在受拉时更容易破坏。为研究大断面盾构隧道纵向斜螺栓接头在拉拔过程中的受力变形特征及破坏过程，采用自主研制的接头螺栓拉拔装置，开展了1：1接头足尺抗拉性能试验，分析了管片纵向接头在不同加载方式及荷载工况下，管片混凝土应力分布、螺栓应力分布及传递、结构声发射信息和接头最终破坏模式等特征。研究结果表明：斜螺栓纵向接头在拉拔过程中会对管片纵向接缝面及外表面的应力分布产生影响，对管片内表面的应力分布影响较小；纵向斜螺栓在顺向拉拔过程中，未能充分发挥其承载能力，而在垂直接缝面的拉拔过程中，螺栓与套筒、管片内部混凝土的破坏基本保持同步，可充分发挥其承载能力，与混凝土强度配合较好；螺栓拧进套筒的程度影响纵向接头的抗拉拔能力，拧进程度越大，螺栓与套筒的联结能力越强，越能发挥纵向接头的抗拉拔能力；结构最终破坏模式是螺栓、套筒及混凝土间的联结失效，破坏具有突发性，顺拔工况下，纵向接缝面会在孔口周围发生近外表面的锥体破坏，垂直拔工况下，套筒内部螺纹被挤压破坏，因此，可采取提高套筒强度、加强套筒周围配筋等措施以进一步改善纵向接头的整体性能。

• 基于Hoek-Brown准则的隧道围岩改进单元安全度分析

  姜谙男, 张权, 许梦飞, 申发义, 张勇

  为了建立基于应变软化Hoek-Brown强度准则的围岩安全性评价方法，首先推导了Hoek-Brown准则与Mohr-Coulomb准则之间的关系，求得等效内摩擦角和黏聚力。其次将屈服接近度和破坏接近度进行变换统一到单元安全度量体系，进而总结了由Hoek-Brown应变软化参数表征的改进单元安全度（Zone Safety Index，ZSI）公式，实现了对单元的弹性、屈服和破坏状态的表达，并基于FLAC3D中FISH语言进行二次开发，编译了ZSI计算程序。随后，通过FLAC3D软件建立三维隧道模型，对该方法进行验证，并研究了Hoek-Brown准则参数对ZSI的影响规律。最后针对甄峰岭隧道大变形段的锚杆加固效果进行研究，利用ZSI法对大变形段不同长度锚杆加固方案进行安全稳定性对比分析，确定了较为合理的加固支护措施。研究结果表明：①ZSI小于1的区域与MIDAS的有效塑性应变区域基本一致，验证了ZSI程序的正确性，且ZSI可对岩体的弹性、屈服、破坏区域进行量化评价。②ZSI随地质强度指标GSI增加而增大，采用三次多项式进行拟合精度较高；随着单轴抗压强度<i>&#963;</i>_ci增大，ZSI呈指数方程增加，具有较高的相关性，扰动越大，单元安全度越小，表征围岩稳定性越差，ZSI随扰动因数<i>D</i>呈双曲线递减趋势变化；③ZSI法能够作为隧道初期支护方案优化和安全性评价的参考指标，对相关隧道的优化结果显示，3 m长注浆锚杆，同时加强其他支护结构能有效控制事故区的大变形，且安全性较好。

• 人机混驾环境下基于LSTM的无人驾驶车辆换道行为模型

  黄玲, 郭亨聪, 张荣辉, 吴建平

  道路系统中的人机混驾交通环境是指人工驾驶车辆与自动驾驶车辆混合运行的交通环境，其中换道行为建模是人机混驾环境下无人驾驶车辆行为研究的热点。基于深度学习理论，构建人机混驾环境下基于长短期记忆神经网络的无人驾驶车辆换道行为模型（Long-short-term-memory-based Autonomous Vehicles Lane Changing，LSTM-LC）。通过研究人工驾驶车辆在换道过程中与周边车辆的相互作用，对换道行为影响因素进行分析；同时，为了提升模型的迁移性，引入道路横向偏移量信息。结合LSTM神经网络的输入要求，使用美国公开交通数据集Next Generation SIMulation（NGSIM）构建换道行为样本库。针对LSTM-LC模型，以均方差MSE作为损失函数，使用RMSprop优化方法进行训练，对LSTM网络结构、历史序列长度<em>N</em>及训练样本量3个重要参数进行标定。最后，针对道路横向偏移量<em>M</em>对LSTM-LC模型性能的影响进行对比试验。研究结果表明：相比GRU-LC模型，LSTM-LC模型对换道行为的表征更准确，在模型的精度和迁移性上有着显著的提升；GRU-LC模型的均方差为4.64 m²，迁移性均方差为119.82 m²，而LSTM-LC模型的均方差为3.18 m²，迁移性均方差为79.58 m²，分别优化了31.5%和39.71%；通过引入道路横向偏移量<em>M</em>，可将LSTM-LC模型精度和迁移性提升约10%，且模型稳定性更强。

• 山区高速公路驾驶人加减速行为建模

  陈志贵, 王雪松, 张晓春, 张凯

  山区地形地质条件复杂，各类复杂的组合线形设计更为常见，例如直线与平曲线间组合或不同平曲线间组合。驾驶人在相邻组合路段行驶时会感知到线形的变化，引起驾驶行为的改变，最终车辆的纵向加速度也会随之改变。频繁的加减速行为会引起驾驶人不适，甚至形成安全隐患。目前针对相邻组合路段驾驶行为的研究中，关于加速度的研究主要基于路段特殊点进行计算。随着驾驶模拟技术的发展，高仿真驾驶模拟器为高速公路的设计评估提供了更好的数据及试验条件支撑。在高仿真驾驶模拟器中，基于湖南省永吉高速公路道路设计参数及周边地形环境参数，构建山区高速公路的三维虚拟模型，以山区高速公路中的相邻组合路段为研究对象，获取山区高速公路组合线形路段的车辆纵向加速度数据，提取加减速事件后，基于驾驶人的加减速行为，采用混合Logit模型，分别判定道路线形层和驾驶人层的影响，研究组合线形对驾驶人纵向加减速选择的具体影响变量以及变量的影响范围。研究结果表明：下游路段最大曲率、上游路段圆曲线段比例、下游路段变坡点数量、下游路段曲线数量、上游路段平均曲率和当前位置曲率等对驾驶人加减速行为有显著影响；通过对比混合Logit模型和多元Logit模型，指出驾驶人层面对模型结果的影响显著。研究结果提供了一种山区高速公路连续纵向加减速行为的建模方案，并可为研究驾驶人在复杂线形条件下的纵向加速度选择行为提供基础。

• 路面附着系数的自适应衰减卡尔曼滤波估计

  刘志强, 刘逸群

  为了获得实时、准确的路面附着系数，进一步提高观测路面附着系数算法的精度和收敛速度，结合非线性车辆动力学模型和轮胎力修正模型，搭建分布式驱动电动汽车联合仿真平台，提出一种基于自适应衰减无迹卡尔曼滤波的路面附着系数观测算法。该算法设计与各轮对应的路面附着系数观测器，应用协方差匹配判据对观测器发散趋势进行判别，设计自适应加权系数修正预测协方差，以增强新近观测数据的利用率；同时采用次优Sage-Husa噪声估计器对未知的系统过程噪声进行估计，抑制观测器的记忆存储长度，调整过程噪声和测量噪声的均值与协方差，提高观测器的跟踪能力。利用分布式驱动电动汽车分别进行高、低附着路面和对开路面直线制动试验，并将自适应衰减无迹卡尔曼滤波路面附着系数观测器的观测结果与无迹卡尔曼滤波观测值、参考路面附着系数进行比较和分析。结果表明：高附着路面条件下，所设计的算法估计误差可控制在0.64%以内；低附着路面条件下，所设计的算法估计误差可控制在1.03%以内；对开路面条件下估计误差可控制在1.26%以内；自适应衰减无迹卡尔曼滤波算法相比无迹卡尔曼滤波算法响应速率更快，具有更高的估计精度和较强的自适应能力，估计结果整体上维持稳定，能够适应各种不同路面的估计。

• 基于多体动力学的车辆悬架控制臂载荷谱混合分布外推研究

  董国疆, 杜飞, 王威, 张龙升

  试验场强化路载荷谱外推全寿命载荷谱是汽车构件疲劳耐久性能评判准确性的关键因素，针对参数法外推单分布估计的局限性，引入混合分布估计描述载荷谱多峰或复杂分布的综合特征。基于试验场强化路实车测试，应用多体动力学与有限元联合仿真，提取控制臂危险点应力谱；分别应用单分布和混合分布法解算应力谱拟合优度，以此为据选取应力谱最优均值、幅值概率密度并将应力谱循环外推至10⁶次，应用FKM平均应力修正法编制8级应力谱，依据Miner准则分别从载荷幅值分布、损伤分布以及总损伤量等方面对单分布与混合分布外推应力谱进行综合分析。研究结果表明：应用拟合优度能较好评估两分布对应力谱均、幅值拟合程度，混合分布拟合效果优于单分布，拟合优度均为98%，对应力谱分布特征描述更为精确，可为外推提供较真实的载荷分布概率密度，从而提高外推载荷谱精度；比较应用2种分布拟合的外推载荷谱，损伤分布趋势相近，中级载荷损伤占比高，单分布外推载荷谱总损伤量为6.3&#215;10^-4，大于混合分布外推载荷谱总损伤为5&#215;10^-4，寿命预测偏于保守，导致耐久性设计裕度较大，应用混合分布外推能提高耐久性评估与轻量化设计精度。