当期目录

2022年 第28卷 第4期    刊出日期：2022-08-30

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城市交通与环境

城市高架街谷交通污染物的扩散研究综述

何红弟, 卢丹妮, 赵红梅

2022, 28(4):  569-581.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2393

摘要 ( 1903 )   HTML ( 205)   PDF (24682KB) ( 318 )  

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随着全球城市化进程的不断深入, 城市高架道路密集出现. 这在一定程度上缓解了城市的交通拥堵, 但也带来了一系列交通污染问题. 通过文献调研, 对城市高架街谷交通污染物的扩散规律进行分析. 首先, 对城市高架街谷的交通污染特征及其建成环境特征进行梳理; 然后, 从空间尺度(水平和垂直)和时间尺度(宏观和微观), 对城市高架街谷交通污染物的时空分布规律进行归纳; 最后, 总结了交通、建成环境以及微气象环境等因素对交通污染物在高架街谷扩散规律的影响. 通过对城市高架街谷交通污染物的扩散规律进行分析, 以期对未来的相关研究提供参考.

城市慢行道路中交通颗粒物的时空分布

罗斌儒, 曹如晖, 陈昕, 胡喜生, 王占永

2022, 28(4):  582-593.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2351

摘要 ( 1779 )   HTML ( 63)   PDF (2849KB) ( 128 )  

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为了捕捉城市慢行道路中空气污染的高时空分辨率特征, 构建了基于微型传感器的骑行测量平台, 通过收集福州市西三环快速路沿侧慢行道亚微米颗粒物(PM_1.0)和黑碳 (black carbon, BC) 的质量浓度样本, 可视化解析交通污染的时空变化及原因. 研究表明: 慢行道的颗粒物质量浓度整体呈现小区侧大于沿江侧, 交通早、晚高峰大于中午; 早高峰 BC 稳定聚集但 PM_1.0 波动较大, 晚高峰则相反; 慢行道颗粒物的质量浓度下降与临近主干道的距离、植被丰度正相关; 颗粒物冷点距离干道远且四周植被覆盖高, 热点多分布在施工与拥堵的复杂交通环境中; BC 热点与复杂路况同步, 但 PM_1.0 热点还与周围环境相关. 因此, 有必要聚焦道路交通排放的主要构成, 并结合局部地形、空间、环境等因素来改善慢行道空气质量, 从而提升健康出行品质.

非均匀路段交通流的元胞自动机模拟

周文海, 李舒健, 董力耘

2022, 28(4):  594-607.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2391

摘要 ( 1731 )   HTML ( 62)   PDF (2481KB) ( 105 )  

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基于细化的 VDR(velocity-dependent-randomization) 模型研究了交通灯控制下非均匀路段道路交通流的演化特征, 并在周期边界下讨论了同相、反相和自组织 3 种交通灯策略对道路通行效率的影响. 模拟结果表明: 对于均匀路段, 低密度下采用同相和反相策略都会出现绿波现象. 同相策略时交通流对路段长度变化不敏感, 而反相时则影响明显, 尤其是存在明显小于平均路长的短路段, 绿波现象也会受到抑制. 在自组织交通灯策略下, 路段交通流对于路段长度变化不敏感, 道路通行效率明显提高, 并在一定密度范围内再现绿波现象.

研究论文

面向沙土环境的仿生软体机器人及交互力学模型

杨扬, 齐宇燕, 王舜, 赵永健, 钟宋义

2022, 28(4):  608-618.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2338

摘要 ( 1833 )   HTML ( 16)   PDF (8174KB) ( 291 )  

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现有的沙土移动机器人大多采用刚性结构, 在复杂的工作环境中 常常会发生打滑、沉陷、翻倒等问题, 缺乏良好的环境适应能力. 针对该问题设计了一种面向沙土环境的仿弹涂鱼气动软体机器人; 基于地面力学理论和软体机器人建模方法, 考虑机器人在沙土环境下的约束条件, 通过对软肢体与沙土间力学交互特性的分析, 建立了软肢体/机器人-沙土交互力学模型, 并构建了输入气压与机器人运动特性的关联; 通过实验验证了软体机器人-沙土交互力学模型的有效性和准确性. 实验结果表明, 该软体机器人具有环境适应性强、控制简单、柔顺性高等优点.

基于混合重构高阶间断伽辽金方法的二维层流和湍流数值模拟

熊为, 张卫国, 丁珏, 杨小权, 翁培奋

2022, 28(4):  619-631.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2242

摘要 ( 1739 )   HTML ( 3)   PDF (8536KB) ( 117 )  

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为了提高间断伽辽金方法的计算效率, 解决 least-squares 重构方法无法满足 2-exact 的缺陷, 发展了基于 recovery 重构和 least-squares 重构相结合的三阶混合重构方法, 用于求解可压缩层流和湍流流动. 将 Navier-Stokes 方程和修正的一方程 Negative Spalart-Allmaras 模型方程耦合成为系统方程, 采用三阶重构间断伽辽金方法进行求解. 时间推进采用基于半解析精确 Jacobian 矩阵的上-下对称高斯赛德尔 格式(lower-upper symmetric Gauss-Seidel scheme, LU-SGS)预处理广义极小剩余(generalized minimal residual, GMRES)方法和四阶隐式 Runge-Kutta 方法; 空间对流项离散采用 Haten-Lax-van Leer 接触(Haten-Lax-van Leer contact, HLLC) 格式; 黏性项离散采用第二Bassi-Rebay (second Bassi-Rebay, BR2)格式, 并对 BR2 局部和全局提升算子开展三阶重构, 达到提高计算精度的目的. 通过典型算例验证了发展 rDGP₁P₂方法的准确性和计算效率. 研究结果表明: 重构的 rDGP₁P₂方法不仅具有较高的计算精度, 而且还具有较高的计算效率.

基于正态分布概率模型的渗滤液回灌影响分析

侯娟, 鲍仕芬, 刘磊

2022, 28(4):  632-644.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2282

摘要 ( 1732 )   HTML ( 4)   PDF (5215KB) ( 124 )  

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渗滤液回灌能有效加速填埋场的稳定并处理多余的渗滤液, 而预测回灌过程中渗滤液的运移规律对于合理设置回灌井的间距和数量具有重要的意义. 考虑了垃圾体的非均质性, 建立了垃圾体的渗透系数随空间正态分布变化的概率模型. 利用 COMSOL Multiphysics^® 软件, 首先对单孔隙度的横纵向均质模型和正态分布模型的 渗透系数以及压力水头进行了比较, 其次研究了在横纵向渗透系数比值、回灌速率和回灌时间等不同 影响因素下, 均质模型和正态分布模型的含水率以及横向影响范围的变化规律. 结果表明, 随着横纵向渗透系数比值的增加, 最终在 100 d 时: 均质模型的含水率由 0.609 增加到 0.68, 横向影响范围从4.842 m 增加到 6.79 m; 正态分布模型的含水率由 0.573 增加到 0.610, 横向影响范围从4.097 m 变为 4.04 m. 这说明横纵向渗透系数比值对正态分布模型的含水 率和渗滤液横向影响范围的影响明显高于均质模型. 而当回灌速率和回灌时间相同时, 正态分布模型渗滤液的渗流速度更快, 易于优先达到饱和含水率, 并在短暂的峰值后迅速下降, 且随着回灌速率和回灌时间的增加, 达到饱和含水率和峰值的时间也逐渐增加.

基于 FBG 传感技术循环荷载下的路堤模型试验

张孟喜, 褚静尘, 陈强, 王东

2022, 28(4):  645-655.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2261

摘要 ( 1784 )   HTML ( 11)   PDF (3431KB) ( 70 )  

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光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)作为一种新型的监测元件, 具有精度高、抗干扰能力强和可实时监测等优点. 为了研究在循环荷载作用下土工格栅加筋路堤的力学性能和筋材的变形特性, 采用 USTX-2000 加载装置进行加载, 利用 FBG 传感器进行筋材变形监测, 在不同加筋层数和加筋间距等工况下对加筋路堤进行了模型试验. 试验结果表明: 在长期循环荷载作用下, 土工格栅的应变在水平方向上呈现出由加载板正下方向两侧递减的规律, 且沿筋长方向呈非线性分布; 而在同一工况的竖直方向上, 土工格栅的应变则随着路堤深度的增加而减小; 加筋能够有效减小路堤的沉降量和坡面的法向变形, 路堤内部的土压力也随着加筋显著增加. 该试验证明了 FBG 新型传感技术在路堤边坡监测应用中的可行性和优越性.

无损检测技术在文物表面空鼓病害探查中的应用

黄继忠, 章云梦, 张悦, 赵朋

2022, 28(4):  656-667.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2275

摘要 ( 2157 )   HTML ( 15)   PDF (2966KB) ( 137 )  

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空鼓是山西大学堂围墙的主要病害之一, 会导致表层水泥砂浆抹面的剥离和内部砌体结构的风化, 因此合理评估空鼓的严重程度是开展科学保护与修复的前提. 在用手动敲击方法对围墙空鼓病害进行初步判别的基础上, 综合采用相控阵超声成像以及红外热成像两种无损检测技术对局部病害开展精细探查, 确定其分布范围和面积. 结果表明: ① 手动敲击和两种检测技术这 3 种方法均可不同程度地反映空鼓病害的分布规律; ② 无损检测技术所得结果基本一致, 局部误差与缺陷类型和环境因素有关; ③ 围墙表面水泥砂浆抹面的空鼓状况总体比较严重, 具体可划分为 4 个病害等级. 研究成果对文物建筑表面空鼓病害探查与修复效果评估具有一定的借鉴和参考价值.

压实高庙子膨润土抗拉强度各向异性

秦臻宇, 孙德安, 周祥运, 刘月妙

2022, 28(4):  668-677.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2288

摘要 ( 2013 )   HTML ( 4)   PDF (2906KB) ( 87 )  

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高放射性核废料深地质处置库中的缓冲层由膨润土块堆砌构成, 而块体由膨润土粉末压制而成, 其强度可能存在各向异性. 采用直接拉伸试验方法, 测得压实高庙子膨润土在不同条件下的抗拉强度, 探讨了干密度和含水率对抗拉强度各向异性的影响, 并进行了机理分析. 试验结果表明: 随着含水率的增加, 抗拉强度先增大后减小, 存在一个峰值; 抗拉强度随着干密度的增加而增大; 当拉力方向与制样压实力方向垂直时, 试样的抗拉强度大于拉力方向与压实力平行时的抗拉强度, 并且在同一含水率下, 抗拉强度各向异性的程度随干密度的增加而增大. 原因在于压实过程中蒙脱石层叠体排列趋于一个方向, 导致各向异性显著. 研究成果可为我国核废料处置库膨润土块体在运输和吊装过程中的抗拉强度特性提供参考数据.

钢筋与 FRP 筋混杂配筋混凝土梁的抗弯性能

张智梅, 魏久燚

2022, 28(4):  678-688.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2246

摘要 ( 5285 )   HTML ( 6)   PDF (1630KB) ( 168 )  

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为了在试验基础上研究钢筋与纤维增强复合材料(fibre reinforced plastic, FRP)筋混杂配筋梁的抗弯性能, 运用有限元软件 ABAQUS 对已有混杂 FRP 筋试验梁进行建模和非线性分析, 研究了 FRP 筋种类、混凝土强度、等效配筋率等因素的影响. 基于有限元结果拟合出了适筋破坏时混杂 FRP 筋梁的 FRP 筋应力表达式和承载力计算公式, 并运用已有试验数据验证其正确性. 结果表明: 等效配筋率对混杂 FRP 筋梁的承载能力和变形性能影响最为显著, 其次为 FRP 筋种类; 混凝土强度对承载力有一定的影响, 但对刚度影响较为有限;

FRP 筋应力表达式能较准确计算混杂 FRP 筋梁抗弯承载力.

考虑多种损坏构成特征的沥青路面预防性养护决策方法

李莉, 管婷婷

2022, 28(4):  689-701.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2271

摘要 ( 6185 )   HTML ( 6)   PDF (866KB) ( 167 )  

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由于沥青路面损坏构成的多样性, 相同的路面状况指数(pavement condition index, PCI)可能代表不同的损坏组合. 当多种损坏并存且损坏程度接近时, 用PCI和主导损坏(最严重、扣分最多的路面损坏)难以得到具有针对性的养护对策. 因此, 通过对PCI的深入分析, 明确了主导损坏代表性不足的路段, 以现行预防性养护决策方法为基础, 补充了一种考虑损坏构成特征、更具针对性的决策方法. 以上海城市道路近5年的检测、养护数据为分析基础, 首先利用有序聚类算法将路段按PCI水平分组, 分析了不同阶段路面损坏构成和差异水平; 然后, 针对多种损坏并存且损坏差异不显著的路段, 根据预防性养护的实施效果筛选了能够反映正确预防性养护经验的有效养护路段; 最后, 基于有效养护路段建立并对比分析了2个基于BP(back propagation)神经网络的养护决策模型. 结果表明: 当PCI水平介于优良(84.4~93.0分)时, 不同损坏程度接近, 主导损坏代表性不足; 考虑多种损坏构成特征的BP神经网络模型表现出更高的决策精度, 测试集决策正确率达86.20%, 优于仅考虑主导损坏的模型(58.50%). BP神经网络与传统决策树法结合能够优化沥青路面决策过程, 提高养护对策选取的针对性.

基于S-R和分解定理的无网格法在功能梯度板中的应用

宋彦琦, 石博康, 李向上

2022, 28(4):  702-714.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2266

摘要 ( 5473 )   HTML ( 5)   PDF (1406KB) ( 119 )  

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为了研究功能梯度板的非线性变形问题, 以 S-R 和分解定理为基础, 从虚功率原理出发, 结合更新拖带坐标系法、无网格 Galerkin 法, 推导出用于求解三维几何非线性问题的离散方程. 利用 MATLAB 编写无网格法程序, 对功能梯度板的非线性弯曲问题进行求解, 并研究板的体积分数指数和宽厚比对板弯曲的影响. 将计算结果与已有成果进行了比较, 验证了三维 S-R 无网格法求解功能梯度板大变形问题的合理性.