长安大学学报（自然科学版）

钢纤维增强铁尾矿热拌沥青混合料的微波加热愈合性能

2025年03月31 00:00

为验证铁尾矿对热拌沥青混合料微波加热愈合的提升效果,将铁尾矿料与天然碎石按不同比例混合制备铁尾矿热拌沥青混合料(IT-HMA),并测试IT-HMA的路用性能; 基于微波加热升温试验和微波加热愈合试验,研究铁尾矿掺量、钢纤维掺量、愈合环境和微波加热参数对IT-HMA升温特性与愈合性能的影响规律。研究结果表明,当铁尾矿掺量超过60%后,IT-HMA的路用性能已不满足规范要求,铁尾矿掺量为60%和80%的IT-HMA分别掺入1%和2%钢纤维后,其路用性能大幅提升且能满足规范要求; 随着铁尾矿与钢纤维掺量的增加,IT-HMA的微波加热升温速度更快,幅度更大,愈合效果随之大幅提升,主要原因是铁尾矿和钢纤维提升了沥青混合料的微波吸收能力,增强了断裂处沥青的流动性; 当铁尾矿掺量为80%、钢纤维掺量为2%时,愈合性能可达到对照组的1.91倍; 与常温干燥路面服役条件相比,浸水和冻融条件下IT-HMA的微波加热愈合性能至少分别降低13%和43%,且损伤程度越大愈合效果越差,因此应在雨季和冬季前及时实施微波加热修复; IT-HMA的微波加热愈合性能随单次微波加热时间的延长先增加后降低,随微波加热次数的增加逐渐降低,过长的微波加热时间和频繁的微波加热都会损害愈合性能。研究成果在揭示IT-HMA微波加热愈合性能变化规律的同时,也为铁尾矿在沥青路面中的高值化利用提供了理论基础。

基于粒子群优化的公路路线走廊带智能优选方法

贾兴利,肖展,郭军恒,付玉佳,邓豫 — 2025年03月31 00:00

为提升公路路线走廊带的多目标决策效率,探究耦合约束下路线空间位置自动更新机制。首先,以粒子群算法理论为基础,界定面向公路路线走廊带空间曲线特性的相对空间位置内涵,提出相对空间位置的分阶段-再分配动态更新方法,构建基于粒子群优化的公路路线走廊带智能优选模型; 其次,筛选并建立包含地形、地质、水文、环境及占地的公路选线约束因子体系,考虑路线与约束因子间相互作用关系,分别求解地形适应度和费用适应度的函数表达,提出公路路线走廊带智能优选流程; 最后,以河谷区高速公路工程为例,开展公路路线方案智能生成和结果分析。研究结果表明:经过20次迭代后适应度出现显著下降,并在迭代至2 000代后保持稳定,通过设置相对空间位置实现了路线段点的方向更新,转换后的单元位置寻优可以有效解决粒子群算法趋于局部空间搜索的问题; 优化后的选线方法表现出对地形函数的高适应度,并可有效降低工程经济费用; 分阶段-再分配的位置更新方法可提高模型寻优能力,地形适应度较未进行再分配的路线方案提高了1.2%,工程经济费用降低了38.4%; 与人工方案相比,优化方案的工程费用降低了9.22%。综上所述,基于粒子群优化的公路路线走廊带智能优选方法可兼顾地形与工程经济费用,为人工选线提供重要参考。

基于改进Yolov8-GCB的公路落石检测方法

2025年03月31 00:00

为确保道路交通安全、及时检测并预警滚落到公路上的落石,构建面向落石灾害的数据集,设计一套基于机器视觉的落石检测系统,并提出一种改进的YOLOv8算法(YOLOv8-GCB),该算法在提升检测精度的同时,优化模型计算效率,便于部署于边缘计算设备。首先,在YOLOv8-GCB算法中设计幻影主干网络,将主干网络中的普通卷积单元替换为幻影卷积单元,降低模型的参数量和计算复杂度,提升模型在低算力设备上的运行效率。其次,在主干网络中引入通道空间混合注意力机制,使模型能够更好地关注落石的关键特征,增强对复杂背景的适应能力。最后,设计跨越加权融合网络,将跨越连接和加权融合的思想融入到特征融合网络中,进一步提升模型对不同尺度落石目标的检测性能,并与YOLOv8算法进行对比试验。研究结果表明:YOLOv8-GCB 算法的平均精度在A_P@0.5上提高了1.2%,在A_P@0.75上提升了1.1%,模型参数量下降了14.1%,模型计算量下降了16.1%; 上述改进为边缘设备在有限算力条件下实现公路落石灾害的智能检测提供了可行的技术解决方案,在确保检测精度的同时,有效兼顾了实时性与资源受限的双重约束,为公路落石灾害的智能化监测与预警奠定了技术基础。

废玻璃粉复合双组分道路标线抗滑性能

2025年03月31 00:00

为提升道路交通安全,减少行人和车辆在通行覆盖标线路面时因抗滑性不足带来的事故,选用不同掺量和级配的废玻璃粉为抗滑集料,以甲基丙烯酸甲酯(MMA)树脂作为主要成膜物质,制备了一种高抗滑耐磨的双组分道路标线; 分别采用摆值(BPN)、磨耗损失、拉伸应力及逆反射亮度系数评价了所制备标线的抗滑性能、耐磨性能、附着力和视认性,并结合数字图像处理技术和扫描电子显微镜(SEM)分析了标线表面形貌,对其抗滑和耐磨机理进行了探讨。研究结果表明:废玻璃粉的掺加在提高双组分道路标线抗滑性能的同时增大了磨耗损失,调整级配和掺量后,标线摆值都有所提高,但此时标线的耐磨性能不佳; 当废玻璃粉掺量为5%时,A级配双组分标线的抗滑和耐磨性能及分布均匀性均较好,摆值为73.33,磨耗1 000 r的损失为119.3 mg; 随着废玻璃粉的掺量增加,附着力降低而视认性增加; 废玻璃粉加入后,会在标线表面形成突出点位,其作为摩擦时与轮胎或橡胶块的主要接触点,增大了粗糙度并提高了其抗滑性能。

风障结构参数对于分离式双箱梁行车风环境的影响

2025年03月31 00:00

为了探究风障挡风率和高度比对分离式双箱梁桥面行车风环境的影响,以某跨海通道中引桥分离式双箱梁为研究对象,开展了计算流体动力学(CFD)数值模拟研究。首先,建立了静态绕流数值模型并验证了网格密度无关性; 其次,采用数值模拟手段研究了风障对桥面风剖面的影响,分析了上下游车道位置风剖面及挡风高度随风障结构参数的变化规律,并与无风障的原断面进行了对比; 最后,通过桥面等效风速和侧风折减系数评估了风障挡风率和高度比对桥面行车安全的影响,同时结合断面三分力系数,引入风障综合评价指标,给出了风障挡风率和高度比的建议值。研究结果表明:不同挡风率和高度比的风障会使桥面车道风剖面产生明显变化,在来流上游距离风障越近的车道所受到的影响越显著; 增大风障挡风率和高度比可以提高减风效果,改善桥面行车风环境,但总体上导致阻力系数随之增大,即桥梁所受风荷载增大; 同时考虑风障减风效果和桥梁所受风荷载影响,保障分离式双箱梁上行驶的集装箱卡车和小轿车的行车安全,建议值取挡风率为75%和高度比为0.45。

预制桥墩与承台间承插式连接直剪性能试验

2025年03月31 00:00

为探究不同参数对承插式连接直剪承载力的影响,以承插式连接处灌浆料类型、界面类型、接缝宽度、键齿数量为研究对象,基于试验与有限元模型研究承插式连接直剪性能的影响机制; 设计12个承插式连接推出试件,采用双面剪切方式完成承插式连接直剪性能试验,并获得推出试验的开裂荷载、裂缝分布和破坏模式。研究结果表明:相较于键齿剪力槽构件,波形钢管剪力槽构件的直剪承载力下降了24.9%～46.4%,表明波形钢管剪力槽构造的界面连接性能不利于结构整体性; 制备的3种C90高性能灌浆料对键齿剪力槽构件的直剪承载力影响不大,但影响了波形钢管剪力槽构件的裂缝发展程度; 采用钢纤维混凝土(SFRC)作为窄缝灌浆料时试件的抗弯折性能更好,有利于抑制窄缝裂缝发展; 对于键齿剪力槽构件,接缝宽度从5 cm增加到10 cm时,其直剪承载力下降了12.2%～36.5%,键齿数量从单键齿增加到双键齿时,直剪承载力提升了19.4%～47.6%; 将单键齿增加为多键齿后,局部推出有限元模型扩展分析所得试件直剪承载力提高了51.45%～118.13%,界面类型从键齿剪力槽改变为波形钢管剪力槽后,试件直剪承载力降低了12.06%～33.58%; 采用美国国家公路与运输协会(AASHTO)规范计算所得试件直剪承载力平均值比试验值低45.9%,而采用日本土木工程师学会(JSCE)规范计算所得试件直剪承载力平均值比试验值高11.3%,说明AASHTO规范的计算值偏保守,而JSCE规范的计算值更贴近试验值。

UHPC蝶形腹板混凝土拱桥试设计

2025年03月31 00:00

结合混凝土拱圈腹板受力特点与超高性能混凝土(UHPC)材料性能特点,提出采用预制拼装UHPC蝶形腹板替代现浇混凝土腹板,形成新型UHPC蝶形腹板混凝土拱结构,以减轻自重和施工难度; 以跨径270 m的乌蒙山特大桥为原型,将原钢桁-混凝土组合拱圈的钢腹杆替换为UHPC蝶形腹板,进行UHPC蝶形腹板混凝土拱桥的试设计。研究结果表明:在施工过程中,试设计拱桥在最大悬臂和现浇完中箱顶、底板状态下的拱圈顶、底板混凝土和UHPC蝶形腹板应力在容许范围内,1阶弹性整体稳定系数分别为12.02和4.12,拱圈强度、整体强度-稳定和变形验算均满足规范要求; 相比钢桁-混凝土组合拱圈,UHPC增加质量与钢材减少质量相近,试设计拱圈自重仅增加5%,材料成本减少21%; 同时,试设计拱圈拱脚、拱顶截面的面外抗弯刚度分别提高25%和32%,各控制截面轴力增加3.8%～6.2%,由于拱轴系数的优化,拱脚和拱顶弯矩最大分别减小37.0%和22.5%; 相比于原桥,试设计拱桥的自振频率要大,但最大增幅仅8.5%,对拱桥动力特性的影响不大。研究成果对促进混凝土拱桥的技术进步具有较好的理论意义与实际应用价值。

开槽外贴CFRP布-混凝土界面的黏结性能

2025年03月31 00:00

为研究混凝土开槽后在凹槽区域外贴碳纤维增强聚合物(CFRP)材料的界面黏结性能,以开槽宽度和深度、混凝土强度等级为主要参数,进行16组开槽外贴CFRP布混凝土试件单剪试验,设置4组未开槽混凝土表面外贴CFRP布试件为对照组; 通过分析试验荷载-位移曲线、应力分布特点及试件破坏现象,探究试件的极限荷载、黏结强度、最大剪应力、最大滑移量等参数的变化趋势,讨论开槽尺寸和加固方法对试件破坏模式的影响,分析试件的破坏原因及机理; 基于试验数据拟合结果建立混凝土开槽外贴CFRP布试件的黏结-滑移模型及最大剪应力计算模型,并将最大剪应力预测结果与文献数据进行对比。研究结果表明:相比于未开槽的加固方法,开槽外贴CFRP布的加固方法能够有效提高混凝土试件黏结界面的极限荷载,试件的破坏模式主要表现为黏结破坏、CFRP布断裂破坏和复合破坏; 采用开槽外贴加固(EBROG)方法的试件在凹槽处黏结界面的最大剪应力和峰值滑移随凹槽尺寸的增大而提高,且存在最佳凹槽宽度和深度的组合; 提出的最大剪应力计算模型的预测结果与现有文献试验结果的误差在16%之内,该模型可用于预测开槽区域最大剪应力。

清水条件下环形石笼减小桥墩局部冲刷的机理

2025年03月31 00:00

针对桥墩的局部冲刷防护,提出一种环形石笼减冲措施,通过室内模型试验和数值模拟相结合的方法,研究石笼填充碎石粒径、石笼直径对石笼减小桥墩局部冲刷特征的影响规律及减冲机理。利用计算流体力学(CFD)软件Fluent,对环形石笼周围流速场特征及河床切应力特征进行数值模拟。研究结果表明:环形石笼可以有效减小桥墩局部冲刷; 当环形石笼防护范围一定时,局部冲刷深度随填充碎石粒径的增大呈先减小后增大的趋势,当粒径为D/24～7D/120(D为桥墩直径)时,减冲效果最好,减冲率为54.9%; 在最佳粒径的条件下,局部冲刷深度随石笼直径的增大呈先减小后增大的趋势,当直径为D/5时,减冲效果最好,减冲率为56.1%; 与无防护相比,实体护圈的减冲效果明显,减冲率可达47.6%; 最大局部冲刷深度与桥墩中心的距离由无防护工况的0.69D增加到1.43D; 与实体护圈相比,填充碎石粒径为D/24～7D/120时,石笼的减冲率最大可达54.9%; 最大冲刷深度与桥墩中心的距离可达1.84D; 当石笼直径为D/5时,其减冲效果最佳,最大减冲率可达56.1%; 最大冲刷深度与桥墩中心的距离为1.68D; 石笼的透水性使两侧绕流流速明显减小,石笼内外部压差使石笼内部流场复杂,使桥墩附近河床表面附近流场及切应力显著减小,起到了减冲作用。

带PBL剪力键的钢-UHPC组合桥面板横桥向负弯性能

2025年03月31 00:00

基于某特大跨组合梁斜拉桥的桥面板受力特点,提出一种带纵向开孔板(PBL)剪力键的钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板结构形式。为研究此结构横桥向受弯性能,进行了2块钢-UHPC组合板足尺模型的静载横桥向弯曲试验和数值模拟,得到带纵向PBL剪力键的钢-UHPC组合桥面板(受拉上层纵筋配筋率为0.89%)在各级受弯静载下的应变、跨中挠度、相对滑移、裂缝宽度、开裂形态及其发展规律,探讨受压钢板厚度、纵向受拉钢筋配筋率等重要参数对组合桥面板横向抗负弯性能的影响。研究结果表明:开裂荷载约为极限荷载的34%,裂缝主要产生于0.5P～0.8P加载过程中(P为荷载),UHPC产生裂缝后仍能为结构提供部分刚度; 在受负弯过程中,PBL剪力键与UHPC能牢固连接,钢板与UHPC间的纵向滑移对结构整体刚度影响非常小; 在正常受拉纵筋率(不低于0.89%)下,组合桥面板的UHPC裂缝宽度达到0.1 mm的荷载(特别裂宽荷载)为开裂荷载1.65倍～1.75倍; 当组合桥面板达到负弯矩承载力状态时,UHPC外层平均拉应力约为抗拉强度的95.6%,达到极限承载力后,组合桥面板仍具有良好的延性; 平钢板与UHPC板两界面黏结失效后,PBL剪力键能够有效阻止两者继续产生纵向相对位移(相对滑移很小,未超过0.04 mm); 新型组合桥面板抗负弯性能主要取决于UHPC层和受拉钢筋的抗拉能力,几乎不受钢板厚度的影响。

斜坡条件下土压力对排桩基础水平承载特性影响

2025年03月31 00:00

基于物理相似原理,依据实际工程,开发等比缩放(1:80)室内试验场景,分析斜坡条件下土压力对排桩基础水平承载力的影响。根据弹塑性理论和摩尔-库伦准则,采用主-从接触算法设定边界条件,选取自适应划分网格的方法,建立排桩基础与周围土体相互作用的有限元模型,对等比缩放室内试验进行验证,并分析斜坡倾角、嵌固深度及桩间距对排桩水平承载能力的影响。研究结果表明:当斜坡倾角从30°增加到60°时,桩水平承载力从2.68 kPa增加到3.18 kPa; 当嵌固深度从0增加到300 mm时,桩水平承载力从0增加到3.18 kPa; 当桩间距从150 mm增至210 mm时,桩身最大弯矩由0.28 N·m增加至0.34 N·m,最大弯矩由距桩顶78 mm处向距桩顶116 mm处移动; 当桩身嵌固深度为300 mm、斜坡倾角为60°时,桩身弯矩达到最大值0.65 N·m; 随着斜坡倾角的增大,桩的水平承载能力降低,桩身稳定性下降; 当嵌固深度较大时,深层土体的水平承载力得到有效利用,桩身稳定性增强; 排桩的水平承载力与桩间距成反比,随着桩间距增大,相邻桩之间的相互作用下降,适当减少桩间距可以有效提高排桩整体承载力。

基于轨迹多特征凝聚层次聚类和GMM的信号交叉口右转车辆受扰轨迹识别

2025年03月31 00:00

为提升右转车辆驾驶人对信号灯时序、行人或非机动车等干扰因素的应对能力,以实际信号交叉口右转车辆轨迹数据为基础,对右转车辆进行主方向和Hausdorff距离的轨迹多特征凝聚层次聚类,获取不同的右转车辆轨迹运行模式,对轨迹受扰特征变化进行统计分析,确定轨迹速度和转向角特征受扰阈值,结合受扰阈值和聚类结果采用高斯混合模型(GMM)对受扰异常轨迹进行识别。研究结果表明:采用基于轨迹主方向和Hausdorff距离的改进凝聚层次聚类算法能够有效刻画不同类别轨迹运动模式,可以将轨迹速度和转向角作为判别轨迹是否受扰的标准,并确定速度受扰阈值为均值减2倍标准差,转向角受扰阈值为均值加减2倍标准差; 轨迹多特征凝聚层次聚类和高斯混合模型能有效筛选出右转受扰轨迹,识别精度为99.95%。由此可见,提出方法可以准确判别异常轨迹,可为交叉口内右转车辆未来驾驶风险判断以及驾驶辅助系统设计提供理论依据,为交叉口内车辆安全运行提供预警。

考虑时间周期的图神经网络地铁客流预测

2025年03月31 00:00

为了准确预测地铁进出站客流,提出一种基于深度学习算法的图神经时空网络(GNSTNet)地铁客流预测模型,该模型以历史24 h地铁进出站客流、天气和时间标签数据为输入,预测未来1 h内全网每个站点的进出站客流量,通过逐小时站点进出站客流和地铁网络邻接矩阵构建地铁客流时空图; 在GNSTNet模型中,利用图神经网络提取每一时间步的空间维度特征,通过傅里叶变换提取时间序列潜在周期性,并使用卷积神经网络提取时间维度的特征。研究结果表明:在北京地铁2021年6月的数据集中,基于图神经网络的地铁客流预测模型取得了比6种基准模型更高的预测精度; 相较于精度最高的基准模型,平均绝对误差平均减少了14.97%,均方根误差平均减少了13.35%; 基于图神经网络的地铁客流预测模型通过融合图神经网络、傅里叶变换和卷积神经网络,相较于传统算法有效地提升了对于全网地铁进出站客流量的预测精度。

基于强跟踪自适应容积卡尔曼滤波算法的锂离子电池SOC估计

2025年03月31 00:00

针对非高斯噪声干扰下传统卡尔曼滤波算法对电池荷电状态(SOC)估计存在系统噪声统计不确定性和电池模型不准确的问题,提出一种将强跟踪滤波和自适应容积卡尔曼滤波算法相结合的新算法,即强跟踪自适应容积卡尔曼滤波算法(ST-ACKF)。该算法兼有STF和CKF的优点,即利用现有的容积卡尔曼滤波算法,在时间更新和测量更新方程中引入时变渐消因子,确保输出残差序列正交,并使残差符合高斯白噪声特性。通过在线调整增益矩阵,该算法可有效提升系统对突变状态的跟踪能力。在ST-ACKF的基础上应用Sage-Husa噪声估值器对噪声统计特性进行在线估计,通过建立自适应协方差矩阵对过程噪声方差进行更新来进一步减小荷电状态估计误差,增强算法对噪声统计特性变化的自适应能力。为验证该算法的有效性,将提出算法与强跟踪自适应扩展卡尔曼滤波算法(ST-AEKF)和强跟踪容积卡尔曼滤波算法(ST-CKF)分别在高斯噪声和非高斯干扰下进行端电压和SOC的估计对比。研究结果表明:在高斯噪声干扰下,与ST-AEKF和ST-CKF相比,ST-ACKF的SOC估计精度分别提高了49%、16%,运行时间增加了1.259 1、0.352 3 s; 在非高斯噪声干扰下,与ST-AEKF和ST-CKF相比,ST-ACKF的SOC估计精度分别提高了62%、18%,运行时间增加了1.195 5、0.206 3 s; 提出算法在非高斯噪声干扰下是一种估计精度高、数值稳定性好且鲁棒性强的有效SOC估计方法。