中国公路学报杂志2024年第8期-中国公路学报杂志社

中国公路学报杂志2024年第8期

大跨桥梁车辆追踪与荷载时空分布智能识别

黄永, 徐海鹏, 闫昕, 蒋运泉, 金耀, 李惠
车辆荷载是大跨桥梁最重要的作用荷载之一，也是大部分桥梁疲劳劣化的最主要原因。但桥梁动态称重系统造价昂贵，无法在桥上分布式布置，桥梁车辆荷载分布信息的动态识别仍是挑战性难题。面向大跨桥梁结构健康监测需求，引入计算机视觉与深度学习技术，建立了一套集成化的桥梁车辆荷载时空分布智能识别系统。首先，研究基于交通监控数据和深度目标检测网络的车辆识别方法，开展车辆目标检测任务的YOLOv7深度网络训练，并通过训练后模型获取单摄像头数据中包含车辆类型与时间等信息的车辆图像；其次，引入HardNet深度特征描述符，建立图像点特征匹配方法，通过分布布置的监控视频数据设计搜索匹配策略，实现车流方向多个监控对应车辆图像数据的匹配，并对监控盲区采用线性插值估计车辆位置，得到车辆在桥梁上的时空分布信息；然后，将各方法集成，建立车辆荷载时空分布识别系统，该系统可结合动态称重数据自动输出车辆荷载时空分布信息与可视化结果，实现从监控数据到车辆荷载时空分布的一体化流程；最后，采用九江长江大桥监控数据进行应用验证。研究结果表明：该系统基于视频数据实现车辆目标识别与匹配追踪，运算耗时小于输入视频时长，对大型车辆匹配准确率达97.62%，可以快速、准确地识别车辆荷载分布信息，该系统对保障桥梁服役安全具有重要的意义，应用前景广阔。
基于最大熵正则化的桥梁动态称重算法与试验验证

张龙威, 原璐琪, 邓露, 陈宁, 袁帅华
车辆超载会对桥梁结构产生不可逆的损伤，降低桥梁的使用年限，严重时可直接导致桥梁垮塌。目前获取过桥车辆轴重的主要途径为商用桥梁动态称重系统。然而，商用桥梁动态称重系统的核心算法——Moses算法通过误差函数得到的轴重识别方程为病态方程，导致在轴距较近、路面较粗糙时存在过拟合的问题，而且进行轴重识别时未区分单个车轴轴重对轴重识别结果的贡献度，导致单轴轴重识别结果精度不高。为此，提出一种基于最大熵正则化的桥梁动态称重算法。首先，引入熵正则化项和与轴重分配相关的权重系数，建立误差函数；其次，计算误差函数的梯度，并将其代入非线性共轭梯度法的迭代公式，得到每个正则化参数对应的轴重；然后，将每个正则化参数对应的轴重代入Regińska公式中计算参数ψv，绘制λ-ψv曲线，得到曲线极小值对应的轴重，该轴重即为所需轴重值；最后，通过数值仿真和实桥测试验证最大熵算法识别结果的准确性和鲁棒性。结果表明：无论是数值仿真还是实桥测试，最大熵算法的轴重识别精度都优于Moses算法；尤其对于实桥测试，最大熵算法前轴的误差均值为27.1%，远低于Moses算法的36.3%。由此说明，新算法通过引入熵正则化项和权重系数，可以在一定程度上抑制方程的过拟合，消除部分动力效应干扰的影响，提高单轴轴重识别结果的精度，可以更好地应用于实际桥梁的车辆监管。
基于视觉大模型和机器学习的非接触式车辆动态称重方法

高康, 陈子达, 张皓炜, 刘松荣, 吴刚
为解决现有基于计算机视觉的车辆称重系统在泛化能力和环境适应性方面的局限，提出了一种基于视觉大模型与机器学习的非接触式动态称重方法。首先，通过视觉大模型设计了一个创新的边缘检测算法，用于精确获取轮胎变形参数；其次，基于Mask-RCNN（Mask-Region-based Convolutional Neural Networks）开发了一个包含完整轮胎字符数据库的通用识别模型，能够准确标记并提取轮胎侧壁的特征信息；进一步，采用LightGBM（Light Gradient Boosting Machine）构建了一个用于预测车辆轮胎与路面接触力的机器学习模型，并验证了其准确性、可行性和有效性。特别地，通过对SUV车辆和载重货车的测试，证明了该方法与传统动态称重系统相比，最大误差不超过5%，显示出高精度和优越性能。该研究提供了一种不需安装传感器的车辆称重技术，操作简便、成本低廉，未来在收费站、高速公路等交通工程领域有着广泛应用前景。
改进型波形钢腹板组合箱梁桥构造细节的疲劳应力研究

罗奎, 邵天彦, 冀伟, 孔烜, 邓露, 李捷奇
在车辆荷载作用下钢结构桥梁的关键构件会受到循环荷载作用而产生疲劳，疲劳的不断积累可能会导致构件发生疲劳损伤甚至断裂。疲劳冲击系数是车辆荷载对桥梁疲劳性能影响的重要参数，随着桥梁运营年限的增加，桥面不平整度会发生劣化，使得桥梁的疲劳冲击系数发生改变。改进型波形钢腹板组合箱梁桥（ICBGBCSW）是一种新型的桥梁结构，其构造细节的受力复杂，研究ICBGBCSW构造细节的疲劳性能至关重要。因此，考虑桥面不平整度劣化，对ICBGBCSW构造细节的疲劳应力进行了研究。首先，利用有限元模型计算静荷载作用下ICBGBCSW的静应力，以确定ICBGBCSW构造细节的疲劳应力分布规律；然后，研究了不同车速和桥面不平整度对ICBGBCSW构造细节的疲劳应力和疲劳应力冲击系数的影响；最后，基于桥面不平整度劣化模型，提出了ICBGBCSW疲劳冲击系数的设计值。结果表明：波形钢腹板（CSW）的波折处容易出现应力集中现象，且桥面不平整度劣化为差和非常差时，其应力和应力幅冲击系数超过AASHTO桥梁规范中规定的0.15；当桥面不平整度为一般且车速小于60 km·h－1时，应力和应力幅冲击系数也超过了AASHTO桥梁规范值。研究成果可为考虑桥面不平整度劣化的ICBGBCSW疲劳应力和疲劳冲击系数分析提供参考。
考虑非平稳因素的大件车与普通车流混行中小跨径桥梁安全评估

刘博, 韩万水, 赵卫华, 王涛, 刘修平, 王俊峰, 袁阳光
为满足大件运输车辆与普通车流混合通行中小跨径桥梁安全评估的紧迫需求，提出了基于分项系数模式的混行车流通行桥梁可靠度评估方法。首先，输入考虑空间相关的路面不平整度，建立混行车流-桥梁耦合振动分析系统；其次，根据WIM系统实测车流数据，综合考虑分车道荷载差异与车辆特征参数相关性模拟普通车流荷载，在极值理论框架下将非平稳车载过程离散化建立混行车流极值模型；然后，基于可靠度理论开展对评估基准期、目标可靠指标及分项系数校准问题的研究，并确定了抗力非平稳退化模型；最后，采用构建的评估方法对工程实例开展应用分析。结果表明：混行车流相比大件车单车居中过桥的结构响应增幅可达到30%以上；普通车流模拟结果中重载货车的轴重、轴距分布均匀，与实际车流的分布特征基本相符；基于历史交通量确定的Logistic函数可较好地描述交通量非平稳增长规律；单次混行车流通行桥梁的目标可靠指标受混行车流年均通行次数的影响，呈现增长放缓的趋势；基于Gamma随机过程的抗力非平稳退化模型与连续不间断的退化进程相适应；通过对实例桥梁的安全评估，经校准后的分项系数对交通量增长不敏感，抗力退化相比交通量增长对混行车流通行安全的影响更为显著，综合考虑二者非平稳因素对结构安全评估尤为重要。所建立的评估方法可为大件运输车辆与普通车流混行中小跨径桥梁的安全评估提供参考。
悬索桥自适应锚碇基础土压力与变位离心模型试验

梁发云, 华建, 江铸炜, 卢永成, 戴建国
以上海黄浦江某越江大桥在方案研究中提出的自适应锚碇基础为背景，针对埋置于砂土地基中的自适应锚碇基础开展了离心机模型试验，分析了主缆拉力作用下锚碇的侧土压力分布及变位规律，探讨了偏心填土对锚碇稳定性和变位的影响。研究结果表明：锚碇在主缆拉力作用下呈现绕侧面趾部的旋转变位模式，靠近锚拉点一侧受主动土压力作用，远离锚拉点一侧受被动土压力作用，两侧的土压力差能够提供一定的水平抗力。锚碇基础承受主缆拉力作用时，其主要的变位模式为转动变位，刚性水平变位对锚碇整体变位的贡献较小；偏心填土显著减小了锚碇的水平变位，有利于提高锚碇抗倾覆稳定性与变位控制。研究结论对于自适应锚碇基础的理论分析和工程设计具有参考价值。
Rayleigh波对跨V形河谷拱桥地震反应的影响

罗超, 盛川, 宛俊舟, 许春荣, 郭慧乾, 王昊
为了研究Rayleigh波输入对跨越河谷拱桥地震反应的影响，以某跨越V形河谷拱桥为例，开展了Rayleigh波在V形河谷地形中传播时引起的河谷两岸的非一致激励对桥梁结构地震响应影响的研究。以SV波输入作为参考，对比了Rayleigh波和SV波作用下的河谷场地地面运动的分布特征、拱脚处地震动输入、桥梁结构内力分布规律和桥梁结构关键部位地震响应。研究结果表明：相较于SV波，Rayleigh波入射时河谷场地的地震动峰值加速度PGA分布呈现出入射一侧放大和出射一侧减小的特点，具有显著的非一致特性；在桥梁结构内力反应方面，Rayleigh波入射时的主拱圈的轴力、弯矩和剪力均显著大于SV波入射时的情况，其中轴力和弯矩的最大放大倍数在1.8倍以上，同时2种波入射时桥梁结构的轴力和弯矩在拱圈上的分布规律也有显著区别；在桥梁结构关键部位的地震反应方面，Rayleigh波入射时主要激发绕横桥向转动的振型，而SV波输入时主要激发纵桥向的振型；Rayleigh波输入时高阶振型放大系数最大，考虑到高阶振型频率对应的反应谱值更大，会出现结构反应由高阶振型起控制作用的情况。在地震动输入时考虑Rayleigh波对桥梁结构地震反应有显著的影响，在工程设计中应予以重视。
模块式三维加筋土桥台变形特性载荷试验

朱晨, 蔡晓光, 李雨润, 李思汉, 黄鑫, 冯加煜
三维加筋土桥台因前墙宽度有限，上部荷载作用下前墙与翼墙均会发生变形，仅在平面应变条件下讨论其变形特性显然与实际工程情况不符。为此，以实际桥台为原形，开展大比例尺载荷模型试验，研究三维条件下加筋土桥台顶部沉降、面板水平位移、土体水平位移和筋材应变规律，并将试验结果与现有计算方法结果进行对比分析。结果表明：顶部沉降值随荷载增加而近似线性增大，最大沉降发生在桥座处；桥台在使用极限状态（100 kPa荷载）下的沉降值小于1%H（H为桥台下部结构高度），联邦公路管理局规范中使用极限承载力设计相对保守；桥台前、翼墙的最大面板水平位移均出现在桥台中上部，变形规律基本一致；考虑三维效应的变形修正方法计算结果与实测结果具有较好的一致性；顺桥向筋材应变最大值为1.31%（600 kPa下），潜在破裂面为双折线形；横桥向筋材最大应变都发生在桥座下，在同一高度下整体沿横桥向呈现中间大并向两侧衰减的变化特征；实测筋材拉力最大值与刚度法计算值具有很好的一致性。
矩形钢管混凝土柱-软钢板组合高墩的抗侧刚度

蔡哲罕, 卓卫东, 王志坚, 黄新艺, 刘秋江
抗侧刚度是高墩设计中需要关注的构件基本性能之一。通过4个试件的低周往复水平荷载试验，初步研究了轴压比和软钢板相对高厚比对新型可更换部件的矩形钢管混凝土柱-软钢板组合箱形截面高墩抗侧刚度的影响。试验结果表明：在弹性阶段，新型组合高墩试件具有较大的初始抗侧刚度，可满足高墩对墩顶位移量的控制要求；软钢板发生弹塑性屈曲后，试件的抗侧刚度下降32%～53%。利用试验结果对新型组合高墩有限元模型进行验证，以验证后的有限元模型为基础进行参数拓展分析，探讨影响新型组合高墩抗侧刚度的关键因素。参数分析结果表明：轴压比、软钢板相对高厚比及其屈服强度对高墩的初始弹性抗侧刚度几乎没有影响；软钢板发生弹塑性屈曲后的高墩抗侧刚度与软钢板相对高厚比密切相关，当软钢板相对高厚比由200降至100时，屈曲抗侧刚度和最小抗侧刚度分别增加37%和48%。将新型组合高墩简化为由软钢板连接的多肢钢管混凝土柱，分别推导建立了适用于新型组合高墩初始弹性抗侧刚度和屈曲抗侧刚度的实用计算公式，理论计算结果与试验结果和有限元计算结果吻合良好；当软钢板属于中厚板或厚板时，后者计算公式可用于估算大震后新型组合高墩的抗侧刚度。
短线预制悬拼连续梁施工误差实桥试验及安装线形分析

刘红平, 邢江, 陈浩, 程高, 周浩, 刘江
短线法节段预制悬拼连续梁安装线形偏差源于节段制造尺寸、质量、安装时机、温度、接缝宽度、预应力等施工误差，设置接缝垫片来纠偏安装线形易产生接缝不密实、渗水、预应力损失、整体刚度削弱等问题，但目前尚无其他有效纠偏方式。为探明短线法节段梁施工偏差及其对大跨连续梁悬拼安装线形的影响规律，依托某短线法节段预制拼装大跨连续梁桥，基于三维点云数据进行节段的虚拟拼装及线形控制，开展梁段质量、温度、胶接缝宽度等实桥测试和悬拼线形监测，分析施工偏差变化特征并基于有限元模型揭示主梁安装线形受施工偏差的影响规律，提出安装线形纠偏策略与方法。实桥试验及有限元分析结果表明：短线法预制连续梁节段质量偏差介于－6%～6%，而悬臂梁边中跨总质量偏差约4.5 t，仅为单个节段质量的1/10。以连续梁最大悬臂状态恒载产生最大挠度为基准值，可得到因节段制作尺寸、温度、胶接缝宽、存梁时间、节段质量及预应力等施工误差产生的下挠值分别为259.2%、108.9%、81.8%、20.5%、9.0%和7.5%。节段制造尺寸是引起安装线形偏差的关键，间接影响节段质量、胶接缝宽度，首节段尺寸偏差对安装线形的影响最大。节段制作尺寸若不及时纠偏，可产生最大83 mm的高程偏差。提出的节段预制逆作法和安装线形“两级纠偏”方法为大跨变截面连续梁安装线形控制提供参考。
节段预制拼装综合管廊承插式接头抗弯性能研究

凌同华, 余彬, 谷淡平, 谭嘉诺, 肖健
抗弯刚度是表征接头抗弯性能的重要力学参数，为给预制拼装综合管廊承插式接头抗弯设计提供理论依据，开展了等尺寸承插式接头抗弯力学性能试验，研究了弯矩作用下接头应变、挠度、张开高度、底部张开量、转角等参数变化规律及破坏特征，并计算接头抗弯刚度。建立了预制拼装综合管廊承插式接头抗弯力学模型，推导了接头抗弯刚度计算解析表达式，并采用有限元软件ABAQUS建立了接头抗弯数值模型，对比分析了3种方法计算得到的接头张开距离、张开高度和转角随弯矩的变化规律，以验证接头力学模型与数值模型的正确性。结果表明：接头抗弯刚度计算解析公式及有限元数值模型计算得到的接头张开高度、接头转角和底部张开距离随弯矩变化规律均与试验结果基本相同，三者结果吻合良好，验证了接头力学模型与数值模型的正确性；预制拼装综合管廊承插式接头受弯变形可分为3个阶段（全截面受压阶段、弹性阶段及极限承载阶段）；接头屈服弯矩约为极限弯矩的83%，接头屈服张开距离与转角约为极限状态的1/3；弹性阶段抗弯刚度为40 000 kN·m·rad-1，极限承载阶段抗弯刚度为5 461 kN·m·rad-1；弯矩作用下承插式接头顶部外侧和承口端底部受压开裂破坏，插口端顶角出现混凝土剥落导致接头破坏。研究结果可为预制拼装综合管廊承插式接头抗弯性能安全评价与设计提供科学依据。
隧道围岩块体垮塌声发射与自振频率演化特征试验

胡杰, 张延欢, 吴威涛, 刘洪亮, 贺鹏, 潘浩岚, 徐一帆
隧道围岩垮塌灾害防控技术对隧道安全建设具有重要意义，监测预警技术是隧道灾害主动防控的重要手段。针对传统位移、应力等监测指标对隧道围岩突发块体灾害难以有效响应的难题，从块体垮塌灾变机制出发，分析灾变过程的声发射和自振频率演化规律。首先基于理论推导，从简化二维应力状态的角度对块体失稳过程进行简化分析，建立了隧道围岩块体振动模型，分析了不同失稳模式下规则方形块体自振频率与应力、接触面积、摩擦力等要素的对应关系。同时基于自研的新型块体垮塌过程模拟试验系统，设计开展了室内块体失稳大尺度物理模拟试验，研究了应力状态、接触面积等因素对块体失稳过程自振频率的影响，进一步研究了块体失稳过程滑移面摩擦声发射信号的演化规律。研究成果表明：滑动型块体自振频率随着侧压力的增加而增大，当侧压力由0.1 MPa增加至0.5 MPa和1 MPa时，自振频率分别增加了16.18 Hz和25.79 Hz。接触面积减小，自振频率随之减小，块体自振频率可以有效反映滑动面对关键块体的约束作用；岩块滑动过程声发射主频分布带宽相对较小，但集中分布的频段较多，绝大部分声发射信号集中于0、20、40、50、150 kHz频带附近，与侧压力大小无关。该研究成果可为隧道围岩块体垮塌灾害的“声-振”联合监测预警方法提供必要的理论支撑。
隧道爆破炮孔堵塞结构运动规律与长度优化研究

叶志伟, 陈明, 杨建华, 姚池, 张小波, 周创兵
合理确定炮孔堵塞长度对提升爆破破碎效果及控制爆破有害效应具有十分重要的意义。针对隧道爆破堵塞结构的运动规律与长度优化，基于一维轴向运动模型，对炮孔堵塞结构进行了受力分析，考虑了炮孔扩腔膨胀、岩体裂隙扩展及堵塞结构运动对爆生气体压力的影响，优化了爆炸荷载的计算方法，同时还考虑了堵塞结构冲击压缩对滑动摩擦阻力的影响，揭示了附加滑动摩擦阻力的产生机制，建立了用于计算堵塞结构宏观运动过程的“分时分段”计算模型，揭示了堵塞结构滑动摩擦阻力自底部至顶部递减的分布规律，分析了岩体类型、装药结构及堵塞长度对堵塞结构运动规律的影响，提出了允许堵塞结构部分冲出炮孔的“运移式”优化原则，并基于此计算了隧道爆破不同岩体工况下掏槽孔、崩落孔及周边孔的最优堵塞长度。结果表明：堵塞结构运动过程并不是固定不变的，岩体类型、装药结构及堵塞长度均会对其产生显著影响；隧道爆破常见工况下炮孔最优堵塞长度范围为0.3～0.6 m，对于等级为Ⅰ或Ⅱ类的较好岩体，取0.5～0.6 m，对于等级为Ⅲ类的中等岩体，取0.4～0.5 m，对于等级为Ⅳ或Ⅴ类的较差岩体，取0.3～0.4 m；对于较好岩体，掏槽孔与崩落孔的最优堵塞长度相等，且均大于周边孔；对于中等岩体和较差岩体，掏槽孔和周边孔的最优堵塞长度相等，且均小于崩落孔。最后通过工程案例分析验证了结果的可靠性。
基于脑电信号的不良驾驶状态识别研究综述

任立海, 聂珍龙, 于潇, 陈可欣, 蒋成约
驾驶人是“人-车-路-环境”交通系统的重要环节之一，驾驶人状态与自身的驾驶行为密切相关。脑电信号（Electroencephalogram，EEG）作为驾驶人大脑活动的直接体现，能够有效地表征驾驶人当前时刻的驾驶状态。基于现有文献研究成果，阐述了EEG与驾驶人分心、疲劳及情绪等不良驾驶状态之间的内在关联，并对EEG研究中涉及的试验环境、数据处理及分析方法进行重点归纳总结。结果表明：大部分研究的本质可解释为不同驾驶人状态与EEG之间的定性与定量关系研究，通过志愿者模拟驾驶等方法收集EEG相关数据，利用线性或非线性等分析方法提取EEG特征值，以数学模型或神经网络模型对驾驶人的状态进行识别。进一步地，为提高状态识别模型的准确率，基于EEG的多源信息融合方法在不良驾驶状态等场景中的研究逐步增多，基于EEG在驾驶状态识别系统中的运用也逐步走向市场化。由此表明，目前基于EEG的驾驶人识别算法具有良好的安全应用潜力及前景，但在EEG特征提取、实时处理、不同驾驶人状态识别精度等方面仍具有较大改进空间。
疏港道路交叉口客货分道信号控制优化方法

高云峰, 罗昊涵, 石伟宏, 张浩, 孙科
在疏港道路，常以大型集疏运货车作为主要交通流。由于货车具有总重大、速度低、视野盲区大等特点，会降低交叉口的运行效率，并带来较大的安全隐患。为提高交叉口的安全性和通行效率，设计了交叉口的客货分道布局方案与精细的相位方案，以左转直行冲突量与客货车车均延误为目标建立非线性整数规划模型，并设计相应的遗传算法求解。在建模时，为了充分体现车种的影响，以veh·h－1作为客货车流量的单位。选取上海自贸试验区临港新片区内的同顺大道与康翔路交叉口作为研究对象，将现状方案与优化后的客货混行方案、客货分道方案进行对比。计算结果表明：客货分道方案既有效减少了左转直行冲突，又兼顾优化了延误，相比于未优化的初始客货混行方案，左转直行冲突量减少了5.14次·h－1，客车延误降低了27.5 s，货车延误降低了29.6 s。进一步研究了左转直行冲突量、客车延误与货车延误3个指标的权重取值对所设计的客货分道方案的影响，发现当冲突量权重取值在区间[0.2，0.4]，且客货延误权重之比为2∶5时，客货分道方案的表现较优。另外研究了不同客货比例对优化结果的影响，发现随着货车比例的提高，左转直行冲突量不断下降，且客货车均延误先增加后趋于平稳。所建立的方法可以有效提高疏港道路交叉口的通行效率与安全性，并做到二者的平衡。

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