中国公路学报杂志2021年第5期-中国公路学报杂志社

中国公路学报杂志2021年第5期

大变形隧道钢拱架自适应节点轴压性能研究（双语出版）

何满潮, 王博, 陶志刚, 乔亚飞, 肖颖鸣
针对挤压型软岩隧道大变形问题，基于能量释放的让压支护理念，发明了一种适用于软岩大变形隧道的自适应钢拱架节点；该节点通过滑移实现让压，能够显著降低围岩压力，充分发挥支护材料的性能。通过理论计算与室内试验，研究了自适应节点的轴向承载特性，证实了自适应节点的可行性和让压性能，并总结了自适应节点工作的4个阶段：弹性变形阶段、恒阻滑移阶段、压实阶段和塑性变形阶段。建立了考虑自适应节点细部构造的三维精细化模型，并基于理论解析和试验结果进行了对比分析。研究结果表明：自适应节点能够在保持恒定滑移阻力的同时产生较大变形，对比传统钢架连接节点具有较高的可压缩性；自适应节点的滑移阻力随螺栓扭矩的增大而增大，螺栓扭矩在70，80，90，100 N·m时，理论值、模拟值和试验值吻合较好。对比分析设置自适应节点的钢拱架和传统钢拱架的支护效果可知：在相同收敛变形时，设置自适应节点可使钢拱架的内力显著降低，但在节点处出现了应力集中；设置自适应节点可使钢拱架的极限收敛变形提升10倍左右，能够更好地适应隧道大变形。新型自适应节点取材方便、构造简单，可以为高地应力区软岩公路隧道大变形支护技术研究提供新的思路，但其与围岩的相互作用还未探明，要在实际工程中应用还有待进一步的研究。
基于能量耗散原理的振杆密实可液化地基范围研究

程远, 付宇鹏, 郜新军
为了建立振点间距和振动时间的计算方法，对振杆密实可液化地基加固范围进行理论预测。针对已有基于能量法的液化评估方法不适用于地基密实设计的现状，发展了基于地震容量曲线的液化评估能量方法，并对其应用于振杆密实设计的适用性进行了评价；建立了基于能量耗散原理的振杆密实模型来预测液化范围并与实测结果进行对比。研究结果表明：门槛剪应变为0.01%时预测液化范围与现场实测差别较大，基于稳定振速预测的液化范围小于基于峰值振速的预测值，达到最终液化范围的振动时间增加；门槛剪应变为0.015%时基于峰值振速预测的液化范围与现场实测差别较小，推荐使用；振动液化用时30 s左右，实际施工中无需留振；高振动频率下的能量传递效率降低，液化边界远小于共振频率下的加固范围。
正交异性钢桥面板弧形切口及其CFRP补强的疲劳性能

李传习, 柯璐, 陈卓异, 贺君, 郭立成, 焦阳
横隔板弧形切口疲劳裂纹为正交异性钢桥面板的主要疲劳病害之一，为研究该细节的疲劳抗力与裂纹处治技术开展了正交异性钢桥面足尺模型疲劳试验，对横隔板光滑弧形切口、含人工缺陷弧形切口、以及CFRP单面加固含人工缺陷弧形切口的疲劳性能进行了比较研究；结合有限元方法对横隔板光滑弧形切口疲劳评估方法进行了探讨。结果表明：打磨光滑的横隔板弧形切口在标准疲劳车作用下的疲劳寿命超过5 000万次，基本不存在疲劳问题。车轮荷载横隔板弧形切口处存在显著的压应力集中，热残余应力和轮载应力幅的组合效应构成了弧形切口疲劳开裂的外部驱动力。此外，初始几何缺陷是该细节疲劳开裂的重要影响因素。光滑弧形切口的疲劳评估，可采用距切口自由边6 mm处横隔板表面的主应力作为该细节名义应力，其疲劳抗力高于AASHTO规范的疲劳等级A（CAFL为165 MPa）。外贴CFRP补强可有效阻止含缺陷弧形切口处疲劳裂纹的发展。若以裂纹长度6.5 mm作为损伤容限，单面粘贴CFRP加固含缺陷横隔板弧形切口的疲劳寿命为未加固切口的14.5倍以上；若采用双面CFRP加固寿命将提高更多，提高幅度有待进一步研究。
基于位移控制CFRP板新型锚具锚固性能研究

龙佩恒, 史文浩, 侯苏伟, 焦驰宇, 许颢迈
为探究通过位移控制施加预紧力的CFRP板锚具的锚固性能，明确静载作用下锚具的锚固效率及CFRP板的受力机理，对新型曲面夹持式锚具进行设计，锚具构件由钢制夹板以及限位板组成。夹板通过弧面设计避免端口效应产生的剪切破坏，通过改变限位板厚度，控制夹板挤压位移，以达到调控预紧力的目的。通过8组16次试件锚具静载试验，探究限位板厚度在1.65~2.00 mm，夹板挤压位移在0.30~0.65 mm时CFRP板的锚固效率、应变、变形量、相对滑移以及总位移。结合ANSYS有限元软件，对锚具在不同限位板厚度控制下CFRP板的张拉应力以及锚固效率进行分析，对锚具静载试验进行对比。研究结果表明：锚具静载试验，当夹板挤压位移在0.30~0.45 mm时，破坏形态为滑脱，达到0.5 mm时CFRP板发生纵向劈裂破坏；夹板横向两侧位移0.65 mm时，发生由横向两侧向中部的爆炸式破坏，最大试验锚固效率为89%；夹板挤压位移在0.3~0.65 mm时，CFRP板变形量为1.41~2.95 mm，滑移量在0.7~2.1 mm之间，总位移未超过4 mm，锚固性能越好滑移量越小；有限元模拟最大锚固效率为91%，CFRP板位移对比差值未超过5%。；由于CFRP板回缩及夹板变形带来一定的应力损失，损失大小建议取张拉应力的7.67%；试验同时发现，CFRP板为正交异性板，其横向宽度较大，张拉时受纵向剪应力影响比较大，因此设计时需尽量避免横向出现的挤压应力不均；对CFRP板纵向剪应力进行分析，得到主要影响参数夹板厚度的最优范围在35~40 mm之间。
地震-波浪耦合作用下考虑相位差影响的深水桥墩动力响应分析

赵秋红, 许梦凡, 董硕
跨海深水桥墩往往受到不可忽视的波浪作用，在设计时需考虑波浪力。在地震作用下，桥墩附近海域的波浪场受到地震动水压力的干扰，波浪作用也受到影响，桥墩的动力响应需考虑两者的耦合作用。另一方面，地震起振时，墩底处地震波的相位可简单视为0，而桥墩处的波浪相位可能在0~2π之间变化，地震与波浪之间的相位差将直接影响波浪作用的大小，进而影响地震-波浪耦合作用。为了研究地震-波浪对深水桥墩的动力耦合作用，并考虑相位差对桥墩动力响应的影响，采用有限元分析软件ADINA建立的组合桥墩的精细化模型及桥墩附近水体的势流体单元模型，以模拟流固耦合作用；分别进行了地震单独作用下、波浪单独作用下以及地震-波浪耦合作用下桥墩的动力响应分析，并考虑了地震动、波高及地震与波浪之间相位差的不同。研究结果表明：地震与波浪间的耦合作用不能忽略，其对桥墩上总动水压力的影响在15%左右；地震与波浪之间的相位差对桥墩动力响应影响显著，当相位差在0~2π之间变化时，最大响应幅值变化接近54%；最不利相位差的取值与地震频率、桥墩水下基频和结构形式密切相关。利用MATLAB软件，提出了最不利相位差的计算方法及其适用条件；提出了耦合作用折算系数，以简化最大动力响应幅值的计算，推动实际工程应用。
基于位移的整体桥混凝土桩基抗震设计准则

黄福云, 单玉麟, 罗小烨, 陈宝春
实际工程中的整体桥常采用柔性桩基础吸纳温度或地震作用下产生的水平往复变形。为研究整体桥桩基的抗震性能和变形能力等，开展多种类型桩基的拟静力试验研究，分析比较不同类型桩基的破坏模式、水平变形与承载能力、应变与弯矩分布规律等。研究结果表明：钢筋混凝土RC桩和PHC管桩的破坏位置随配筋率和预应力度的增加而加深，桩-土相互作用效果提高，能有效改善混凝土桩基的抗开裂变形性能；矩形截面较圆形截面桩具有更好的桩-土相互作用效果和耗能能力；桩基的变形拐点会随着配筋率和截面的增大而明显加深，更有利于提高桩基的有效桩长和水平变形能力；相比RC混凝土桩，H形钢桩表现出了更好的弹塑性变形能力和延性，耗能能力更强；桩基承载比可以较好地评估桩-土相互作用效应；混凝土桩基的骨架曲线可以用弹性极限位移、不可观测的开裂位移、可观测的开裂位移、压碎位移、峰值荷载位移和极限位移的特征点表述，且随着配筋率和预应力度的增加，其位移特征点均会有所提高；提出基于位移的整体桥混凝土桩基“三阶段设防、五等级破坏”抗震设计准则，可供有关规范的设计与制定提供参考。
套筒加强式圆形钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验

卜永红, 赵均海, 张冬芳, 樊军超, 兰官奇
为解决圆形钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓节点在地震荷载作用下存在的安全隐患，提出套筒加强式节点。以节点构造方式和梁柱刚度比为主要影响因素，设计10个1/2缩尺比例的圆形钢管混凝土柱-钢梁节点试件，采用柱端加载方式完成了试件的低周反复荷载拟静力试验，观测了试件的破坏过程与破坏模式，分析了各试件的滞回曲线、承载能力、延性和耗能能力、强度与刚度退化等特征参数，系统研究了不同影响因素下套筒加强式焊接节点、栓焊混合节点与传统螺栓连接节点的破损规律差异，并给出了此类节点极限弯矩的计算方法。研究结果表明：节点的破坏模式主要取决于节点的构造方式和梁柱刚度比，套筒加强式栓焊混合节点避免了螺栓松弛、断裂以及焊缝开裂等破坏形式的发生，达到了“强节点，弱构件”的抗震设计要求；套筒结构使节点核心区的焊缝和螺栓共同承受弯矩和剪力，提高了节点强度和梁柱连接的刚度，节点由螺栓连接时的半刚性连接变为刚性连接；与传统螺栓连接节点相比，套筒加强式节点具有更高的承载力和安全储备，其等效黏滞阻尼系数、转角延性系数、弹性及弹塑性层间位移角均满足规范要求，各抗震性能指标良好；节点极限弯距的计算结果与试验结果吻合较好，表明该方法可用于此类节点的设计计算。
中庭式地铁车站地震响应振动台试验

张志明, 禹海涛, 袁勇, 赵慧玲, BILOTTA Emilio
中庭式地铁车站因用大量横梁取代楼板来形成中庭大开口（顶层和中层楼板的开口率均超过50%），且站厅层无柱，站台层采用宽高比达7.5的薄壁柱，车站结构抵抗横向变形比如地震作用的能力，成为值得担忧的一个问题。为此，针对埋置于人工模型土中的中庭式地铁车站模型，进行了一系列1g振动台试验，探究中庭式地铁车站结构的地震响应特征，以及地震动强度对土和车站动力响应的影响规律。试验结果表明：地震作用下，站厅层横梁两端的峰值动拉应变最大，站厅层横梁两端为抗震最薄弱环节；中庭式车站侧墙与邻近土体的加速度响应差异在不同埋深处表现不同；地震动强度对车站结构和场地的地震响应均影响显著；随地震动强度增加，场地的卓越频率变得越不显著，其加速度傅里叶谱的主要幅值段趋向坐落于更宽的频带内；随地震动强度增加，顶板埋深处土和侧墙加速度放大系数差异逐渐递减；随地震动强度增加，侧墙上峰值动土正应力分布形状可能发生变化，且沿车站左、右侧墙的峰值动土正应力呈非对称分布；水平横向地震动输入下，中庭式车站存在摇摆运动，且车站顶板的竖向加速度随水平输入地震动强度的增加而增大。试验结论有助于更好地认识中庭式地下结构的地震响应规律，为类似结构的抗震设计提供参考。
盾构施工影响下砂土地层变形规律模型试验研究

房倩, 杜建明, 王中举, 刘翔
为了研究盾构施工影响下隧道埋深、地层损失率、颗粒级配对砂土地层变形规律的影响，设计由试验模型箱、隧道开挖模拟装置以及非接触试验监测系统组成的模型试验系统，利用该试验系统对10种试验工况进行研究。试验模型箱是由钢化玻璃板、底部钢板以及刚框架组合而成的开口箱体，砂性地层采用完全烘干的砂土来制作，盾构开挖过程通过一种能够精确控制地层损失率大小的小型圆筒状传动装置来模拟，试验过程中的地层变化利用视频测量系统进行监测。研究结果表明：随着隧道埋深增加，土体扰动范围逐渐向两侧扩展，地表最大沉降值逐渐减小；当隧道埋深临近土拱形成深度时，沉降槽宽度显著增加，隧道上方核心沉降区逐渐减小。地层损失率与沉降槽宽度之间存在明显的线性关系。砂土粒径越大，地表最大沉降值越小，沉降槽宽度越大；当最大粒径与最小粒径比一定时，地层沉降范围内的最大沉降量随着砂土粒径的增大而减小；当最大粒径一定时，地层沉降范围内的最大沉降量随着粒径范围的增大而增大。不同隧道埋深、地层损失率和砂土颗粒级配下的地表沉降曲线均具有类似高斯分布函数的形态特征，向隧道中线处急剧下降，向远处逐渐变缓，与地层变形规律相似。
基于多源数据的单调道路环境与驾驶疲劳关系模型

阎莹, 袁华智, 杨香丽, 刘革, 郭忠印, 王磊
为了研究单调道路环境对驾驶疲劳的影响，采用眼动仪、脑电仪等仪器设备在G109格尔木—西藏沿线开展实车驾驶试验，获取19名被试驾驶过程中的生理和驾驶行为等多源数据以及驾驶疲劳主观KSS量表，分析不同时间窗下各特征参数随疲劳程度的变化规律。采用不同海拔对应的植被等级作为单调道路环境的量化指标，将驾驶疲劳程度划分为清醒、轻度疲劳、重度疲劳3个等级，根据皮尔逊相关性和自变量共线性检验结果，选取脑电（α+θ）/β、平均眨眼持续时间、血氧含量和植被等级为自变量，驾驶人疲劳程度为因变量，建立基于有序多分类Logistic的单调道路环境与驾驶疲劳的关系模型，并分析单调环境下驾驶疲劳生成机理。研究结果表明：在高海拔单调道路环境下，短时驾驶疲劳主要与环境单调程度有关，驾驶时间并不是引起短时驾驶疲劳的主要因素；脑电α/β和心率与驾驶疲劳程度无显著相关性，脑电（α+θ）/β、平均眨眼时间与疲劳程度呈正相关，血氧含量与疲劳程度呈负相关。当植被覆盖率从较稀疏变为稀疏时，驾驶人警觉性较高，疲劳程度增加5.9%；随着植被覆盖率下降至非常稀疏状态，驾驶人会出现克服自身疲劳的情况，疲劳程度增加5.8%；当环境单调性进一步加剧，植被覆盖率降低至严重稀疏状态时，驾驶人疲劳程度明显增加，进入重度疲劳状态。研究成果可为单调道路环境下驾驶疲劳的预防奠定理论基础。
驾驶人在手机通话行为中的认知分心图像识别研究

程文冬, 付锐, 马勇, 周扬, 刘京凯
在手机通话（MPC）行为中，驾驶人极易陷入认知分心（DCD）状态，对此提出了一种基于头-眼行为特性的DCD图像识别方法。为适应自然驾驶中的波动光照和复杂背景，首先建立基于YCbCr色彩空间的在线肤色模型，提取待检肤色区域的PCA-HOG特征并建立支持向量机分类器来识别MPC手势；与此同时，采用多尺度局部模极大值方法检测嘴部显著边缘，并通过边缘活跃度来识别驾驶人说话行为，综合MPC手势和说话行为建立MPC行为的判别逻辑。最后，以5 s为时间窗口获取驾驶人的眼球活跃度、眨眼指数、头部横摆和俯仰运动活跃度，采用D-S证据理论建立融合头-眼行为特性的DCD识别方法。试验结果表明：融合手势和说话行为图像检测的MPC识别率为92.8%；对于不佩戴眼镜的驾驶人，眼球活跃度是DCD识别率最高的单一指标，“眼球活跃度-头部横摆活跃度-头部俯仰活跃度”融合证据的DCD识别率最高，为86.2%；对于佩戴眼镜的驾驶人，“头部横摆活跃度-头部俯仰活跃度”融合证据的DCD识别率最高，为83.2%；算法对熟练驾驶人的DCD识别率略高于非熟练驾驶人。
不连续路面标线对跟车间距调节行为的影响机理

丁乃侃, 朱顺应, 刘兵, 焦泥沙
为了解析不连续路面标线对跟车间距调节行为的影响机理，深入挖掘了不连续路面标线的视觉信息特征，提出单色路面标线（2，3，4 m黄色标线铺设周期长度，即Y-2 m，Y-3 m，Y-4 m）和双色路面标线[1根黄色标线连接1根红色标线（1Y+1R）、2根黄色标线连接2根红色标线（2Y+2R）、3根黄色标线连接3根红色标线（3Y+3R）]2种不连续路面标线的设计形式，并将该设计具体呈现于实际的高速公路路面上。通过摄像法间接采集了车辆连续通过6个观测断面的跟车行驶车头时距、车头间距和行车速度特征数据。此6个观测断面依车流行进方向两两之间间隔100 m均匀设置，构成500 m的试验区域，其中观测断面1和6分别代表起始和终止断面，观测断面2~5之间为路面标线铺设区域。研究结果表明：从总体来看，铺设不连续路面标线后，试验路段跟车车距（车头时距、车头间距）相较于铺设前有显著的增大，而行车速度有显著的减小，其中1Y+1R方案下的车距增大和速度减小幅度均最大，分别为0.61 s，3.6 m和5.1 km·h-1；从观测断面来看，铺设不连续路面标线后，跟车车距和行车速度随着车辆在试验区域内行进，分别呈现出一致的增大和减小的趋势，且通过对比观测断面1和5发现，1Y+1R方案下跟车车距和行车速度的断面变化幅度最大，分别为0.62 s，5.7 m和5.3 km·h-1；相同铺设周期条件下，双色路面标线可以产生更为显著的跟车车距调节效果。基于以上研究结果，从驾驶人距离感知、速度感知和颜色变化3个层面，深入剖析了“不连续效应”和边缘率对跟车间距调节行为的影响机理，并讨论了距离感知和速度感知对跟车行为的协同作用过程。研究结果可为视觉干预措施的进一步完善、优化提供理论支撑，并为探索低成本的交通事故预防措施提供新的应用实例。
针对铰接工程车辆的变角度全景环视系统研究

李伟, 曹立波, 刘金源, 冯谢星
针对铰接工程车辆车头与车厢间存在铰接角度且车身长导致的视觉盲区大的问题，提出了一种可以根据铰接角度实时调整拼接图像的变角度全景环视系统。对于静态俯视图像的生成，提出一种用于将畸变图像转换为俯视图像并对齐到指定位置的查找表快速映射方法，实现了通过一步变换完成鱼眼校正、逆透视变换与图像配准，提升了静态俯视图像生成的速率。对于动态全景环视图像的生成，提出了一种根据铰接角度改变后对应的动态查找表直接生成变角度全景环视图像的方法，提升了角度改变时图像重新配准的速率。对于全景环视图像的融合，提出了一种循环颜色调整和透明度融合相结合的方法，从而对整幅变角度全景环视图像进行均衡化处理并降低拼接缝带来的图像损失。试验结果表明：在同样的硬件平台下，对于静态俯视图像的生成，该系统不仅将运行速度提升了接近1倍，并且有效减少了图像的失真程度；在图像融合方面，该系统不仅获得了较好的融合效果，并且保证了运行的实时性；通过实车验证，该系统可以生成全局均衡且无缝的变角度全景环视图像并在嵌入式处理器上实现了接近30 帧·s-1的处理速度；该系统实时生成的变角度全景环视图像可以有效消除铰接工程车辆周围的视觉盲区，从而提升铰接工程车辆行驶的安全性和便捷性。
基于S变换的汽车零部件疲劳载荷谱编辑法研究

董国疆, 韩杰, 张永强, 魏留伟
小波变换和短时傅里叶变换为频域载荷谱编辑方法的主要分析工具，小波变换法分解函数及分解层数难确定和短时傅里叶变换法窗宽固定的缺陷，导致对随机载荷的分析结果存在偏差，影响载荷编辑质量。为解决此问题，基于S变换基本理论，探索S变换在载荷加速编辑领域的应用，对试验场采集的应变信号进行S变换分析提取最大幅值谱，并以此为依据提取轮心六分力信号中的损伤载荷获取加速谱。将S变换、损伤保留、小波变换和短时傅里叶变换加速谱从载荷压缩量、损伤保留比例、功率谱密度、统计参数、穿级计数和疲劳仿真等方面进行对比分析。研究结果表明：基于S变换最大幅值谱可准确识别原始信号中的小损伤载荷；保留相同损伤保留量前提下，S变换加速谱的压缩效率最高且统计参数误差最小；S变换编辑法可将原始载荷时间压缩46.67%，同时加速谱的疲劳分析误差仅为2.2%，可获得与原始载荷相同的分析结果；S变换编辑法在疲劳分析效率和分析精度方面优于损伤保留、小波变换和短时傅里叶变换编辑法；该方法适用于汽车零部件疲劳耐久性分析。

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