长安大学学报（自然科学版）

考虑水盐运移的分散性盐渍土冻融破坏机制

孔元元,梁晨涛,王智慧,谢柏涵,成忠焱 — 2024年03月01 00:00

为探究冻融循环过程中土体冻-盐胀破坏机理,结合冻结温度试验和扫描电子显微镜进行研究,分析了不同循环次数、不同盐的种类和不同含水率条件下的冻融循环对土体结构和性质的影响,得到了不同循环次数下的冻结温度变化曲线和不同含水率条件下冻土的SEM电镜扫描图片,并基于经典传热理论和水盐运移方程,建立数值模型,再现了冻融过程中的水盐运移过程,在此基础上结合试验对水盐运移过程中土体的破坏机制进行分析研究。研究结果表明:由于研究区土体的分散性,其冻结过程只存在恒定阶段和递降阶段,且随着冻融循环次数的增大,土体的冻结温度会先升高然后在某一温度保持稳定,这与冻融循环过程中土体粒度大小和颗粒排布的方式改变相关,内部的微裂隙逐渐贯通; 土体在冻融循环过程所发生的水盐迁移是土体强度和结构发生变化的重要原因,且随着冻融循环过程的进行,土中的水盐成分会在温度梯度和溶质梯度的影响下产生迁移和积累; 相较于碳酸氢钠,硫酸钠在冻融过程中对于土体结构的改变更为显著,具体表现在冻结过程中硫酸钠结晶析出体积变为原来的3.18倍,导致冻融循环后土体膨胀。本研究有助于揭示季节性冻土区含盐冻土工程的冻融破坏机制。

萃取法生物油基再生沥青性能及再生机理

冯新军,傅豪,段湖杰 — 2024年03月01 00:00

为了研究萃取法生物油作为再生剂的可行性,采用自行研制的萃取法生物油基再生剂(SW)分别制备生物油基再生基质沥青和生物油基再生SBS改性沥青。通过常规性能试验、动态剪切流变和弯曲梁流变对2种再生沥青的性能进行评价,采用傅里叶红外光谱、凝胶渗透色谱分析2种沥青的再生机理。研究结果表明:添加掺量(质量分数)为8%、10%的SW再生剂均可将老化基质沥青和老化SBS改性沥青的三大指标和黏度恢复至原样沥青水平; 在SW再生剂的作用下,老化基质沥青和老化SBS改性沥青的高温稳定性显著下降,低温抗裂性显著提升,且均能恢复至原样沥青水平; SW再生剂在老化沥青中主要以物理共混形式存在,但仍存在苯酚与甲醛缩聚和烯烃类物质氧化裂解等化学反应; SW再生剂富含大量轻质组分,对老化沥青具有显著的稀释作用; 其所含的酚基化合物可促使老化沥青中的高分子量组分转化为小分子量组分,从而导致大分子物质和中分子物质质量分数降低,小分子物质质量分数增加,分散性指数减小,进而改善老化沥青组分的相容性和分子量分布。

抽出油活化废胶粉改性沥青老化性能

2024年03月01 00:00

为探究抽出油活化废胶粉改性沥青(ARMA)的老化性能和老化机理,通过室内加速老化试验分别对ARMA的短期老化和长期老化进行模拟,并利用动态剪切流变仪、傅里叶红外光谱仪、四组分分析、元素分析以及扫描电子显微镜对不同老化条件下ARMA的老化性能和微观结构进行研究。研究结果表明:随着老化程度的加深,ARMA的复数剪切模量、车辙因子以及疲劳因子逐渐增大,相位角逐渐减小,且ARMA的复数剪切模量、相位角及其对应老化指数的变化量均小于废胶粉改性沥青(RMA)的相同指标变化量; ARMA中饱和分、芳香分以及胶质的含量随老化强度的增强而减少,沥青质含量却增加; ARMA中碳、氢元素含量随老化强度的增强而减少,但氧、硫元素含量及芳碳率、环结构缩合指数表现出与之相反的趋势; 红外光谱上ARMA的羰基、亚砜基峰强度随老化程度的加深而增强,对应的羰基老化指数和亚砜基老化指数呈增大趋势; CC峰强度却随之减小,对应的丁二烯老化指数也呈减小趋势; 微观形貌图上ARMA中活化废胶粉与沥青间的界面结合能力随老化作用而逐渐减弱,活化废胶粉逐渐从沥青中突显出; 抽出油活化废胶粉改性沥青的抗老化机理是活化作用增强了废胶粉的活性,使废胶粉与基质沥青形成稳定的胶体结构,从而阻碍了老化过程中氧气对胶体结构的侵蚀,实现了活化废胶粉改性沥青抗老化能力的提高。

新型环氧树脂复合相变材料对沥青混合料调温性能影响

2024年03月01 00:00

为解决相变材料用于沥青混合料热稳定性与力学性能不足的问题,采用环氧树脂与十五烷定形封装相变材料制备新型环氧树脂复合相变材料,并采用等体积替换法将其用于沥青混合料中。采用差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TG)与导热系数仪进行环氧树脂复合相变材料相变与热物特性测试分析; 通过相变沥青混合料温度调控试验分析其调温性能与效果,并对相变沥青混合料路用性能进行验证。研究结果表明:环氧树脂复合相变材料相变焓值可达60 J/g以上,在180 ℃以内几乎不发生热损失,储热密度高、热稳定性良好; 相变区间内表观比热容显著增大,升、降温过程中最大值分别为10.9和6.7J/(g?℃); 相变材料掺量(质量分数)越大温度调控效果越好; 调温性能与混合料位置相关,相变沥青混合料最大调温温差和最大温度变化速率降低值随深度增大而增大; 各掺量下相变沥青混合料均具有显著的调温效果,掺量小于4%时相变沥青混合料均可满足路用性能要求。

薄壁杆件组合扭转中约束扭转占比研究

2024年03月01 00:00

为确定在不同边界条件下薄壁杆件以组合扭转方式抗扭时自由扭转和约束扭转的比例关系,首先,基于Vlasov薄壁结构理论建立组合扭转微分方程,并按照初参数法推导出薄壁杆件在集中扭矩和均布扭矩作用下的约束扭转占比公式。以简支边界为基准,通过引入约束刚度系数β,分析边界条件对于约束扭转占比的影响。然后,使用有限元软件ABAQUS对公式进行验证。最后,给出钢结构桥梁常见截面的约束扭转特征系数κ的计算公式,并统计双工字钢板组合梁桥与钢箱梁桥的κ分布范围。研究结果表明:所推导的约束扭转占比公式与ABAQUS计算结果吻合良好; 约束扭转占比与截面的κ和边界条件有关; κ越大,约束扭转占比越小,且随着κ变化,边界条件对于约束扭转占比的影响程度发生变化; β可以表征边界条件对约束扭转占比的影响程度; 简化分析时,当0<κ≤0.6时可以忽略自由扭转的影响,仅按约束扭转进行分析,当κ≥40时可以忽略约束扭转的影响,仅按自由扭转进行分析,当0.6<κ<40时需按组合扭转进行分析; 所统计的双工字钢板组合梁桥的κ为0.71～1.58,钢箱梁桥的κ>39。

考虑荷载类型及结构参数的轨道交通U形梁剪力滞效应

2024年03月01 00:00

针对U形梁属于开口构件,其剪力滞效应不能直接套用成熟的闭口箱梁剪力滞效应的计算方法,研究了轨道交通U形简支梁的剪力滞效应。以青岛某地铁为背景,分别建立空间实体有限元模型和平面杆系模型。研究了3种不同类型荷载作用下U形梁剪力滞效应的纵横向分布规律; 分析了4种结构参数变化下U形梁的剪力滞系数变化情况; 计算了U形梁的有效宽度并与中国现行规范比较。研究结果表明:列车荷载是影响U形梁剪力滞系数纵向分布的主要因素,列车车轮作用位置处剪力滞效应明显; 在一期恒载和二期恒载分别作用下均呈现出简支梁跨中区段剪力滞效应较小,支座区段剪力滞效应明显的规律。在剪力滞效应的横向分布中,3种荷载分别作用下U形梁道床板处的剪力滞效应均较腹板位置处明显。影响U形梁剪力滞效应增大的主要结构因素是梁高和底板宽度,其中梁高的影响显著,增加底板厚度能有效降低U形梁的剪力滞系数,而改变腹板厚度对剪力滞系数的影响甚微。目前中国规范为考虑桥梁剪力滞效应而采用的箱梁有效宽度计算不适用轨道交通U形梁,在考虑荷载类型和结构参数影响的基础上,建立的U形梁有效宽度修正计算公式与有限元模拟结果吻合良好。研究成果可为实际工程中U形梁的应力计算与钢筋配置提供参考。

透水牺牲桩减少上下游桥墩局部冲刷深度及机理

齐洪亮,罗文俊,王杰,田伟平,李家春 — 2024年03月01 00:00

针对工程实际中常见的上下游桥墩局部冲刷的防护问题,通过室内模型试验和数值模拟相结合的方法,研究清水条件下采用透水牺牲桩进行前墩局部冲刷防护时,透水牺牲桩填充碎石粒径和淹没率2个因素对透水牺牲桩自身和上下游桥墩局部冲刷特征的影响规律。研究结果表明:无牺牲桩防护时,上下游墩的局部冲刷深度都随墩心距的增大呈先减小后增大的规律; 当墩心距为4D(D为桥墩直径)时,前墩对后墩局部冲刷的防护效果最好; 相同条件下(最佳墩心距)分别采用实体牺牲桩和透水牺牲桩对上下游桥墩进行防护时,二者均能有效减小上游桥墩的局部冲刷,透水牺牲桩防护时效果更好,且自身局部冲刷深度较实体牺牲桩可减小约30%; 采用透水牺牲桩防护时,当其填石粒径为0.2D～0.25D、淹没率为1时,减冲效果最好; 透水牺牲桩的透水性允许部分水流从桩身内部流过,有效减小了桩前下潜水流的强度,减轻了其掏底作用,从而有效减小了局部冲刷深度; 与采用实体牺牲桩防护相比,透水牺牲桩及上游桥墩两侧的最大剪切应力分别约为前者的1/2和1/4; 透水牺牲桩桩后低剪切应力区的范围更大。

内衬混凝土对预应力导入效率的影响分析及优化

2024年03月01 00:00

针对内衬混凝土对波形钢腹板褶皱效应的约束会致使波形钢腹板组合梁桥支承区的预应力导入效率降低问题,提出一种“先撑后衬”施工方法,通过调整内衬混凝土的施工顺序来改善支承区预应力导入效率; 同时提出一种适用于该方法的“内撑外拉”装置,保证施工过程中波形钢腹板的稳定性; 推导波形钢腹板组合梁轴向刚度计算公式,并通过简支波形钢腹板组合梁算例验证该公式的准确性。在此基础上,以1座四跨波形钢腹板预应力混凝土连续刚构桥为背景,建立ANSYS实体有限元模型,分析不同施工方法、内衬混凝土长度及厚度变化对支承区预应力导入效率的影响,并给出内衬混凝土的合理施工工序、合理长度和厚度建议。研究结果表明:内衬混凝土会削弱波形钢腹板的褶皱效应,显著降低支承区预应力导入效率,同时会导致有内衬梁段与无内衬梁段间的过渡段出现应力集中现象; 通过采用所提出的“先撑后衬”施工方法,可以降低支承区组合梁的轴向刚度,从而显著提高支承区预应力导入效率; 支承区预应力导入效率随着内衬混凝土长度和厚度的增加而减小; 在实桥设计时,建议内衬混凝土最小长度应大于支点处梁高,最大长度应小于2.15倍支点处梁高,最大厚度应不小于支点梁高的6%,最小厚度应满足构造要求。

基于多国实测数据的跟驰模型对比

2024年03月01 00:00

为了更精确描述车辆跟驰(CF)行为,并研究不同国家跟驰行为数据对跟驰标定模拟的影响,以及各跟驰模型对跟驰行为模拟的精确程度,选取中国西安市南二环某路段交通流CHD数据集、美国NGSIM数据集以及德国HighD数据集,针对Gazis-Herman-Rothery(GHR)模型、智能驾驶模型(IDM)以及最新被提出的S-shaped three-parameters(S3)跟驰模型进行模型标定以及误差分析,利用加速度、前后车速度差、前后车位置差和后车速度等数据作为输入参数,采用互相关分析与模拟退火相结合的方法进行数据拟合,并利用加速度、速度和位移的均方根误差(R_MSE)对参数拟合后的模型进行性能评价。研究结果表明:针对3个不同国家数据集中的跟驰行为,S3微观模型标定效果均表现最佳,3个数据集的R_MSE平均值均最小,且低于其他2种跟驰模型; 德国HighD数据集总采集精度高、数据量大,因此无论采用何种CF模型进行标定,该数据集在跟驰行为标定方面的性能均表现最佳、误差最小。研究结果对交通仿真软件模拟交通流的车辆跟驰模型选取及其参数优化具有重要意义,且对于如何选择跟驰模型标定数据集亦具有重要价值。

越江越海隧道入口处自发光标线应用效果

李琛,陈丰,林子鉴,姜茗馨,林宏伟 — 2024年03月01 00:00

针对越江越海隧道入口处事故多发问题,提出了一种基于自发光标线的改善策略。采用实车试验研究不同光环境下自发光标线的视认性能,以此验证自发光标线代替普通标线的可行性,并探究不同亮度与颜色之间的差异; 构建越江越海隧道入口段三维场景进行驾驶模拟试验,分析驾驶人在不同场景下的驾驶行为与主观感受,以此验证自发光标线设置于越江越海隧道入口段的应用效果。试验结果表明:在环境照度大于50 000 lx时,与280、2 500 cd/m²相比,亮度为1 500 cd/m²的自发光标线视认性能最佳,其视认距离均值与普通标线接近,最高可达89 m; 与黄色和白色相比,橙色自发光标线在视认性与舒适度方面均表现更好。在环境照度小于100 lx时,不同色温及亮度的自发光标线相较普通标线均可提升20 m以上的视认距离。此外,亮度对舒适度影响显著,其中280 cd/m²表现最佳,而色温对舒适度影响不显著。相较于普通标线场景,自发光标线场景中车辆的车道保持性能更佳,行驶车速降低5～20 km/h。通过自发光标线的提前警示,驾驶人刹车踩踏频率、最大刹车力度与持续距离均有所减少,驾驶人主观感受上其紧张感与操作难度有所降低,自发光标线的应用对越江越海隧道入口处安全改善具有一定的效果。研究结果可为自发光标线或类似地面发光设施的亮度设置、应用方案设计等提供参考。

运输能力约束条件下的旅客出行选择Logit模型

陈波,赵春剑 — 2024年03月01 00:00

为了提升旅客运输通道交通需求预测的准确性,针对现有旅客出行选择模型未充分考虑交通方式运输能力约束的不足,在深入分析旅客出行选择机理和运输能力约束机制的基础上,通过经典多项Logit(MNL)模型效用函数的优化设计,引入惩罚因子表征运输能力对旅客出行选择的约束,建立运输能力约束条件下的旅客出行选择Logit模型(约束MNL模型),并设计模型求解算法预测各交通方式的分担率。以西宝(西安—宝鸡)客运通道为对象进行实例分析,通过2种MNL模型预测结果的对比分析,验证约束MNL模型预测性能的优越性。研究结果表明:在旅客出行选择过程中,交通方式运输能力的约束具有普遍性,是有效交通需求预测不可忽略的重要因素,约束MNL模型考虑了运输能力对旅客出行选择的影响,更符合旅客出行选择的决策过程,从机理上为提升交通需求预测的准确性提供了可靠保障; 惩罚因子反映了运输能力约束对旅客出行选择的影响,代表了运输能力约束条件下运输服务质量的下降和旅客出行效用的损失; 通过惩罚因子的合理赋值,建立旅客出行选择概率重新分配机制,能有效模拟旅客出行方式的转换、控制旅客出行选择的概率; 与传统MNL模型相比,约束MNL模型表现出了更优异的预测性能,能始终将预测结果控制在由运输能力决定的分担率上限范围内,预测结果符合实际、科学有效,能够为旅客运输通道的网络布局优化、运输组织设计等提供可靠数据支持。

视觉遮挡条件下儿童过街危险感知类型判定方法

冯忠祥,张秀伟,储灿辉 — 2024年03月01 00:00

为了解儿童在视觉遮挡条件下过街的视觉注意力特征,对儿童的危险感知类型进行划分,招募48名儿童完成危险感知能力测试试验,收集儿童视觉注意力特征等信息,基于危险感知效用量化方法,通过主观危险感知度和情境客观危险度量化儿童危险感知效用值,借助k-means聚类方法,将儿童在视野遮挡测试情境下的288个危险感知效用值用肘部法、轮廓系数法和戴维斯-波尔丁指数法3种方法确定最佳簇数为3,因此将儿童危险感知类型划分为谨慎型、均衡型和激进型。从儿童视觉注意力特征、人口特征和道路环境特征方面选取危险感知类型特征因素,通过机器学习构建线性判别分析模型(LDA),并与随机森林、k近邻、朴素贝叶斯、BP神经网络和径向基函数神经网络5种常见的分类模型进行效果对比,将70%的数据作为训练集用于模型学习,将30%的数据作为测试集以测试模型,通过模型分类准确度和精确度、召回率、F1分数的宏观平均值比较各模型的分类性能。研究结果表明:LDA模型的分类准确率达到83.91%,模型的泛化能力最佳,最适合儿童过街危险感知判定模型的构建。研究结果对不同危险感知类型的儿童群体差异性进行了阐述,有助于了解儿童的个体差异,有望进一步指导道路安全教育的个性化和定制化发展。

基于航拍数据的互通隧道小净距路段运行速度模型

2024年03月01 00:00

为探究车辆在隧道出口-互通出口小净距路段运行速度变化规律,改善当前山区高速公路小净距路段行车安全性不足现状,开展小净距路段车辆运行速度模型研究。首先,基于无人机航拍获取西汉(西安—汉中)高速等4处隧道出口-互通出口小净距路段车辆实测数据,利用YOLO-v5算法编写航拍视频数据提取程序,输出车辆在目标路段的实时速度数据和轨迹数据,同时结合驾驶仿真模拟系统对试验进行对照组数据补充。其次,统计车辆在该区域运行情况及断面速度分布并进行宏观分析,确定构建运行速度模型的自变量。最后,应用非线性曲线拟合软件1stOpt对分析数据进行回归,分别建立小型车、大型车在出口小净距路段主线行驶、驶出主线的运行速度预测模型,并依托西南山区某小净距工程实际路段开展预测模型的有效性验证。研究结果表明:出口小净距路段车辆运行速度与主线半径、车辆距隧道洞口距离和净距长度存在显著正相关关系; 建立的运行速度预测模型通过了拟合优度检验、统计学残差检验和相对平均误差检验,模型预测值与实测值的相对误差平均值均小于10%,回归模型满足精度要求。本研究能应用于实际工程中的隧道出口-互通出口小净距路段,能准确表征车辆在此区域的速度变化规律,在预测车辆运行速度和表征速度变化规律方面具有一定的参考价值。