长安大学学报（自然科学版）

用于道路自供能监测的微变形放大型压电装置设计与测试

2025年05月31 00:00

针对路面微变形与悬臂梁式压电换能器激励位移不匹配、压电装置平面尺寸与道路交通碾压适应性低的问题,设计了可放大内部行程、碾压适应性高的悬臂梁式压电装置。基于偏压工况分析了不同横向尺寸盖板的下沉特性,确定了偏压工况中盖板稳定下沉的横向尺寸,结合全压工况盖板应力分布及翘曲变形特性,优选了盖板屈曲稳定性高的纵向尺寸; 考虑道路变形及车辆碾压频率特性,系统研究了不同加载条件下压电装置的能量输出效果和工作耐久性,并提出了基于该压电装置的自供能型道路传感器监测应用方案。研究结果表明:增加横向尺寸有利于提升装置盖板在车轮偏压时的下沉稳定性,车轮偏压点位超过盖板的3/8时,盖板已完全下沉,盖板横向尺寸为180 mm时盖板与侧板间距相比其他横向尺寸下的离散性更小,盖板侧边下沉平稳; 全压工况下,盖板纵横比为0.9～1.1时,盖板角隅区和侧中区的翘曲变形及翘曲应力较小,屈曲稳定性较高; 结合不同碾压工况下盖板的力学特性,承载性能稳定的装置平面尺寸为180 mm×180 mm; 当激励位移为0.7 mm,激励频率为12 Hz时,压电装置单次作动可稳定输出14 mJ的能量,经10万次循环加载的压电装置输出能量变化率不及1%,电学输出耐久性能良好,布设4个所开发的压电装置即可满足道路传感器监测用电需求。

铜尾矿作沥青混合料填料的可行性与环境影响评估

2025年05月31 00:00

为提高铜尾矿(CT)的固废利用率,探讨了用CT替代石灰岩矿粉(LP)作为沥青混合料填料的可行性,并评估了其对环境的潜在影响。表征了铜尾矿的物理和化学性质,根据5种替代率(0、25%、50%、75%、100%)和3种填料体积分数(25%、30%、35%)配制了沥青胶浆和沥青混合料,然后采用温度扫描试验评估了沥青胶浆的流变性能,并通过车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验验证了其路用性能,还通过酸溶液重金属浸出试验评估了其环境影响。研究结果表明:与LP相比,CT具有更小的粒径和428 m²/kg的比表面积,有利于增强填料与沥青之间的附着力,但CT中更高的SiO₂含量与亲水系数可能导致沥青混合料抗水损性能的下降; 随着CT替代率的增加,沥青胶浆的复数模量显著提高,特别是在75%替代率和30%体积分数的CT组合中,复数模量提高了39%～62%,且相位角减小,表明CT能够增强沥青胶浆的高温稳定性和抗变形能力; CT沥青混合料的抗车辙能力比LP沥青混合料高5%,在低温下的最大弯拉应变减少了3.0×10^-4,冻融劈裂试验强度平均减少6.5%,但均能满足路用性能要求; 此外,CT中Cu、Ba等重金属析出率远小于规范要求,环境风险可忽略不计。因此,综合考虑路面性能和环境因素,CT可成为天然矿物填料的替代品。

热致形状记忆聚氨酯改性沥青的制备及微观机理研究

冯新军,任泓宇 — 2025年05月31 00:00

为研制适用于沥青路面工作温度且自愈合能力较强的热致形状记忆聚氨酯改性沥青(SMPU-MA),延长沥青路面的使用寿命,采用预聚体法,以聚己二酸-1,4-丁二醇酯(PBAG)为软段,甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)为硬段,三羟甲基丙烷(TMP)为扩链剂,制备热致形状记忆聚氨酯(SMPU)预聚体对基质沥青改性。通过正交试验确定SMPU-MA最佳制备工艺参数; 采用软化点、针入度、延度、布氏黏度、离析试验及形状记忆性能试验评价改性沥青性能; 利用差示扫描量热试验和形状记忆性能试验探究SMPU-MA玻璃化转变温度和形状恢复原理及过程; 结合红外光谱试验和凝胶渗透色谱试验分析改性机理。研究结果表明:SMPU-MA最佳制备参数 PBAG、TDI、TMP摩尔比为1:8:14/3,PBAG分子量为3 000,SMPU制备反应温度为80 ℃,SMPU制备反应时间为120 min; SMPU-MA较基质沥青软化点提升8.7 ℃,25 ℃针入度为87.1(0.1 mm),5 ℃延度为12.6 cm,135 ℃黏度为623 mPa·s,离析软化点差为0.2 ℃,玻璃化转变温度为31.4 ℃,形状恢复率为53.3%; 添加SMPU使SMPU-MA依靠软段的玻璃态-橡胶态的转变表现出形状记忆聚合物特有的形状恢复能力,减小了自愈合性能指标,从而提升了沥青的自愈合能力; SMPU预聚物中的-NCO与沥青中多种活泼含氢官能团和扩链剂TMP中的-OH发生了化学反应生成氨基甲酸酯基团,因此,SMPU的加入使沥青中大分子物质比例增加,小分子物质比例减少,从而提高了改性沥青的储存稳定性和高温性能。

冻融作用下多孔沥青混凝土性能演变规律及级配推荐

2025年05月31 00:00

为研究冻融作用对多孔沥青混凝土(PAC)结构、性能和使用寿命的影响,并推荐适用于寒区的PAC级配类型和最佳空隙率,采用X射线计算机断层扫描(CT)和数字图像处理(DIP)技术,提取了PAC三维空隙网络并量化了其结构参数,通过低温劈裂试验、单轴压缩试验和间接拉伸疲劳试验研究了PAC的空隙结构参数、低温劈裂强度、单轴抗压强度和疲劳寿命在冻融作用下的演变规律,并根据空隙结构及混凝土性能的演变建立了基于多标准决策分析理论的寒区PAC配合比优选方法。研究结果表明:在0～12次冻融循环过程中,PAC内部空隙率主要受空隙间连通扩展的影响而迅速增加,12次冻融循环后,小空隙的进一步产生成为空隙率增长的主要机制,由此划分冻融循环作用0～12次为冻融循环前期,13～20次为冻融循环后期; 冻融循环过程中,10 mm²以上的空隙占比在冻融前期逐渐增大,后期缓慢下降,而10 mm²以下空隙占比变化规律则相反; PAC的低温劈裂强度、单轴抗压强度和疲劳寿命的衰减与公称最大粒径和空隙率密切相关,未冻融条件下空隙率对其低温劈裂强度的影响更明显,而冻融条件下公称最大粒径对其低温劈裂强度、单轴抗压强度和疲劳寿命的影响更显著,公称最大粒径较小且空隙率在21%～22%的PAC-13b级配的抗冻融破坏性能最佳。

湿化对新疆地区粗粒混合土力学特性影响试验

2025年05月31 00:00

为了探究浸水湿化对新疆地区粗粒混合土的力学特性影响,以吐鲁番地区的砾质土为研究对象,针对采用等比例缩尺法缩尺后的复配粗粒混合土开展击实与三轴试验,分析不同含水率粗粒混合土击实后的颗粒破碎量,研究湿化对粗粒混合土的剪切变形、孔隙比、抗剪强度等力学指标的影响规律。研究结果表明:粗粒混合土在击实后的颗粒破碎量随含水率的增加而逐渐减小,天然含水率为2%左右时有最大颗粒破碎量; 破碎可能性在颗粒粒径小于5 mm后显著降低。所有试样在剪切中均表现为先剪缩后剪胀的体应变发展规律,且剪胀性随围压增大逐渐降低; 由于水膜的润滑作用,湿化后土体的剪胀性进一步减小,当围压达到150 kPa后,湿化土样在剪切结束时的总体变接近于0; 试样的弹性模量随围压增大近似线性增长,剪胀角减小显著,泊松比略有减小; 湿化后不同围压下试样弹性模量发生衰减,且衰减值相近,剪胀角因水分作用进一步降低,但土体的泊松比受围压及湿化作用影响较小; 粗粒混合土的黏聚力随着土体湿化没有明显变化,而内摩擦角减小了约15%; 土骨架湿化后的强度衰减更多源于水分降低了粗颗粒之间的滑动摩擦。研究成果可为深入探究粗粒混合土的湿陷机理及本构关系、分析粗颗粒混合土质地基的稳定性提供参考。

圆钢管约束型钢混凝土柱-RC梁节点轴压性能

2025年05月31 00:00

分别对钢管开孔式和钢筋混凝土(RC)环梁式圆钢管约束型钢混凝土柱-RC梁节点的轴压性能进行了试验研究,得到了各试件的轴压破坏特征、最大承载力、荷载-位移曲线等; 利用ABAQUS对试件的轴压性能进行了数值分析,并对比了试验与有限元分析结果; 在验证有限元模型正确性的基础上,详细分析了型钢含钢率、钢管径厚比、钢管开孔节点开孔边距比和开孔率、RC环梁节点环梁配筋率和环梁宽度等参数对节点轴压性能的影响。研究结果表明:试件柱体发生剪切或鼓曲破坏,节点区基本完好,RC环梁和钢管开孔节点的轴压性能良好,节点区均受到保护和约束作用; 试验与有限元分析所得试件刚度、最大荷载和荷载-轴向位移曲线基本吻合,有限元极限承载力与试验结果相差在5%以内,表明有限元模型具有良好的计算精度,可用于参数分析; 试件最大荷载和延性随型钢含钢率的增加和钢管径厚比的减小得到提升,含钢率建议取4%～10%; 随着RC环梁宽度的增加,试件的最大荷载基本未发生变化,但延性有一定提升,RC环梁宽度大于RC梁宽时,能够保证节点核心区具有良好的性能; 钢管开孔节点开孔边距比改变时,试件的最大荷载未发生明显变化,但当开孔边距比从11.1%增至15.0%时,试件后期承载力明显提升,因此,开孔边距比应大于15.0%; 随着开孔率的减小,试件的最大荷载及延性均略有提升,同时为避免试件在钢管处破坏,开孔率应小于50%。

新型装配式剪力墙摩擦抗剪与高强螺栓群抗剪承载力

樊禹江,张猛格,赵宇琪,徐子轩,李寰芳 — 2025年05月31 00:00

为深入探讨螺栓-U型槽钢新型装配式剪力墙的摩擦抗剪机理和高强螺栓群在不同状态下的力学行为,采用ABAQUS建立了有限元模型,通过变参模拟分析了不同预紧力、摩擦因数、总距、弹性模量、钢板厚度等影响因素下结构的摩擦抗剪承载力,经多元线性回归拟合了新型装配式剪力墙摩擦抗剪承载力计算公式,同时对其完成了相应的误差分析; 基于墙体在模拟过程中所表现的不同受力状态,探讨了新型装配式剪力墙摩擦抗剪滑移机理,明确了不同受力状态转换的关键界限,并建立了不同状态下高强螺栓群抗剪承载力验算公式。研究结果表明:拟合公式计算结果与有限元模拟值之间的平均误差在3%以内,拟合公式能应用于新型装配式剪力墙摩擦抗剪设计计算中; 将水平装置两侧螺栓是否转动到弧形槽孔滑道限位点作为判别2种不利状态的关键界限,在不利状态Ⅰ,即中心螺栓尚未与弧形槽孔滑道限位点接触且两侧高强螺栓群也未接触限位点的情况下,中心螺栓先于其他高强螺栓群与螺栓孔壁接触并发生剪切破坏,因而只需验算中心螺栓的抗剪承载力; 在不利状态Ⅱ,即中心螺栓与两侧高强螺栓群均已转动到弧形槽孔滑道限位点的情况下,中心螺栓和两侧高强螺栓群均与螺栓孔壁紧密接触并产生挤压效应,因而需同时验算中心螺栓及最外侧螺栓的抗剪承载力。

基于动力指纹与GTO-1D CNN-BiLSTM模型的梁桥损伤诊断

2025年05月31 00:00

针对服役梁桥易受材料和环境等因素影响出现易损性问题,以一座三跨连续梁桥为研究对象,提出一种基于灰关联广义比例柔度曲率差(GMGPFCD-A)构建的动力指纹和人工大猩猩群体优化算法(GTO)-一维卷积神经网络(1D CNN)-双向长短期记忆网络(BiLSTM)预测模型的梁桥分级损伤识别方法; 该方法以低阶模态参数构建的广义柔度矩阵和比例柔度矩阵为基础,结合灰色关联分析(GRA),构建动力指纹识别结构的损伤位置,并将该指标输入到1D CNN-BiLSTM损伤预测模型中进行量化分析,引入GTO优化预测模型的超参数以提高其对结构损伤程度的预测性能。研究结果表明:该模型不仅能在无需测得外部环境激励的情况下准确识别结构的损伤位置,并且在噪声水平10%以内具有一定的抗噪性; 经GTO优化后的预测模型对识别出的损伤部位的损伤程度准确率达93.548%; 提出模型收敛速度更快、更稳定,且具有较高预测准确率和较强鲁棒性。

温度效应下大跨度悬索桥梁端纵向位移解析算法与力学特性

2025年05月31 00:00

为探究悬索桥运营期梁端纵向位移影响伸缩缝、支座与阻尼器等附属约束装置的工作性能,构建温度效应下单跨地锚式悬索桥梁端纵向位移力学模型,并揭示梁端纵向位移计算机理; 首先,分析温度效应下悬索桥力学模型计算机理; 然后,拉格朗日坐标系下推导温度效应下缆索单元位形计算方程组; 随后,根据力学平衡与几何闭合条件,建立温度效应下主缆找形非线性方程组; 推理温度效应下加劲梁力学模型满足线性叠加原理,阐述加劲梁吊点纵向位移特性,并构建吊索与加劲梁力学模型方程组; 最后,通过联立悬索桥各体系计算方程组,创建温度效应下悬索桥梁端纵向位移数值解析算法。以千米级悬索桥为工程研究背景,对比分析构建的解析算法、有限元模型与实桥梁端纵向位移监测数据。研究结果表明:大跨度悬索桥力学模型可采用各系统分离计算方法,缆索体系符合几何非线性效应,加劲梁、吊索与索塔等体系均满足线性叠加原理; 解析算法梁端纵向位移计算值、有限元模型计算值与实桥梁端监测结果三者间计算差值率控制在9.4%以内; 梁端纵向位移与温度变化幅度满足拟线性关系,且有限元线性拟合函数斜率最大,解析算法最小,两者间计算差值是由加劲梁挠曲变形引起; 推导的精细化缆索单元计算理论与梁端纵向位移计算方法可作为大跨度悬索桥缆索构形计算的可靠理论与方法。

预应力混凝土弯扭耦合构件非线性分析

2025年05月31 00:00

为研究预应力混凝土梁在弯扭耦合作用下的全过程受力性能,基于联合作用软化桁架模型(CA-STM)提出改进的弯扭耦合全过程分析理论模型。首先,根据预应力混凝土梁的弯扭耦合受力机理,建立满足预应力引起的初应力-应变关系的平衡方程、协调方程和材料本构方程。然后,基于既往规范引入考虑预应力效应的空心截面和实心截面初始扭矩计算公式,建立附加方程、薄壁应变和相容关系,并提出钢筋和预应力筋简化等效方法。在此基础上,采用梯度递减法代替传统试错法以提高求解速率和稳定性,并通过MATLAB编制预应力混凝土梁的弯扭耦合分析求解程序。最后,通过对比既有试验和理论结果,对所提出理论模型进行验证。研究结果表明:建立的空心截面和实心截面初始扭矩计算公式与既有试验结果吻合较好; 未考虑预应力效应时,由改进模型预测的开裂扭矩和极限扭矩偏小; 改进模型准确预测了预应力混凝土构件在弯扭耦合作用下的全过程扭矩-扭率曲线和弯矩-曲率曲线; 相较于传统试错法,提出的优化算法具有更高的求解速率和稳定性,其平均计算时间仅需12 s。

秦岭山区高速公路施工路域生态影响关键要素分析

2025年05月31 00:00

针对山区高速公路施工建设对沿线路域生态产生一定负面影响,但缺乏对影响关键要素深入研究的状况,聚焦秦岭山区高速公路线性建设工程生态扰动机制,探究秦岭山区高速公路施工路域生态影响关键要素。立足于已有相关研究成果,结合秦岭山区高速公路施工工程与路域生态特征特点,梳理秦岭山区高速公路施工期间对沿线路域生态的影响机理,选取具有典型性、代表性的评价指标,因地制宜构建多层次、多维度的秦岭山区高速公路施工路域生态影响评价指标体系。运用生态等效对照原理,选取8条生态本底相似的秦岭山区高速公路开展实证分析,利用主成分分析(PCA)法实现多维指标降维处理,提取出1个主成分,并计算各项评价指标的权重及各条高速公路的综合得分。根据评价结果,提出针对秦岭山区高速公路沿线路域的差异化修夊建议。研究结果表明:秦岭山区高速公路沿线施工路域生态最易受到林草椊被损失、挖填方平衡以及桥梁、隧道比率的影响; 较易受到永久占用非建设用地面积占比、农业椊被损失、新增水土流失量以及临时用地生态恢夊的影响,除此之外,植被恢复、绿化覆盖、水土流失治理程度等也对路域生态产生一定影响。

基于复杂网络理论的公交站点便捷性评价方法

2025年05月31 00:00

为准确评估城市公交站点便捷性及其主要影响因素,改善当前城市公交站点服务水平,开展了城市公交站点便捷性评估方法研究。在对比度中心性指标、接近中心性指标、介数中心性指标和佩奇排名指标这4种指标计算方法的基础上,在公交网络建模时引入了有向加权复杂网络理论中的节点重要性分析方法; 综合考虑公交站点、线路以及与其他交通方式接驳等多个因素,结合复杂加权网络的节点重要性评估指标,构建了以换乘连通性、换乘可达性、接驳便利性、站点可达性和可达重要性等为主要指标的城市公交站点便捷性评价指标体系及计算方法; 以西安市2023年公交线路和站点系统为例,对公交站点和公交线路构成的复杂网络进行建模,利用算术加权平均值得到了公交站点便捷性得分,根据得分将公交站点便捷性划分为高、中、低3个等级,并将该得分应用于公交线路便捷性差异分析和区域便捷性差异分析。研究结果表明:西安市便捷性为高、中、低的公交站点占比分别为6.58%、82.72%、10.70%,便捷性为高、中、低的公交线路占比分别为9.27%、87.53%、3.2%; 由于城市规划、空间布局和社会背景等众多因素的影响,西安市不同区域内的公共交通资源分布存在空间上的不均衡性。

智能网联环境下高速公路事故临近区可变限速控制

2025年05月31 00:00

为提高高速公路事故临近区可变限速(VSL)在网联自动驾驶车辆(CAV)和人工驾驶车辆(HDV)混合交通环境中的控制效果,基于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)算法能自动适应复杂环境和CAV可控性的优势,利用智能网联环境实时监测了被控路段的交通流状态,确定了算法的动作空间、状态空间和奖励函数,并提出了基于动态延迟策略更新TD3算法的事故临近区TD3可变限速(TD3-VSL)控制策略; 以G75兰海高速公路某双向四车道区间为研究对象,基于SUMO仿真平台构建了符合实际道路特征的交通流模拟环境,参照实地采集的交通数据标定了仿真参数; 设计了无动态限速控制、反馈限速控制和TD3-VSL控制这3种对比试验方案,以验证不同控制策略的有效性,并对比分析了不同CAV渗透率下的下游交通量和车辆速度标准差。研究结果表明:相较于无动态限速控制和反馈限速控制,TD3-VSL控制策略在拥堵发生后能更有效地提升通行效率,速度标准差均值分别下降了58.4%和75.8%,发布的限速标准差分别降低了28.3%; 随着CAV渗透率的提高,TD3-VSL控制策略的效果进一步改善,交通拥堵情况得到缓解,当CAV渗透率为40%时,车速标准差较纯人工驾驶场景降低了44.11%; CAV渗透率提高至80%时,降幅进一步达到54.46%。研究成果为智能网联环境下高速公路安全管理提供了理论依据,对减少交通事故发生率、优化路网运行效率具有参考价值。