基于振动感知的混凝土铺面板底脱空识别方法

水泥混凝土铺面在使用过程中常由于冲刷和沉降产生脱空，进而诱发断板、错台等病害，严重影响铺面使用性能。为此，提出一种基于振动感知的混凝土铺面板底脱空识别方法，以有效控制混凝土铺面的结构性损坏。通过有限元数值模拟与室内试验，发现板底脱空会影响铺面板局部振动的频谱分布，且影响程度与脱空面积、位置等因素相关。在此基础上，采用分布式光纤传感技术搭建铺面板振动感知系统，分布式地采集铺面板振动特性；利用时频分析技术解析铺面板振动特性，捕获振动频谱特征；研究不同脱空状况下铺面板局部的振动频谱特征。分析结果表明：脱空状况对20~150 Hz频段上频谱特征的影响显著；以该频段为敏感频段，计算加权频率的变化量，并以此为脱空监测指标，提出基于振动感知的混凝土铺面板底脱空识别方法。于上海龙华机场开展现场试验，在3块铺面板内搭建了分布式振动感知系统；采集了12个测点不同日期的动态弯沉与振动特性数据，比较了振动感知法和传统弯沉法的脱空识别结果。试验结果表明：2种方法的识别结果趋于一致且具有较好的相关性，验证了振动感知法用于脱空识别的可行性。     

由路面引起的汽车振动能量耗散特性频域分析

针对行驶过程中由路面引起的汽车振动能量耗散问题，提出了基于汽车振动二自由度单轮模型的能量耗散特性频域分析方法。采用汽车振动二自由度单轮模型推导了模型的频率响应，确定了能量耗散振动响应量及其频率响应。将路面激励功率谱密度与振动响应量的功率谱密度和均方根值相结合，建立了能量耗散振动响应量统计特性和振动能量耗散平均功率的表示。采用Matlab开发了汽车振动二自由度单轮模型的能量耗散特性频域分析仿真程序，通过3种分析方案研究了由路面引起的汽车振动能量耗散特性。结果表明，汽车振动能量耗散平均功率与速度和路面等级相关，受到路面等级的影响较大；在以B级路面为主的国内城市行驶工况下，由路面引起的汽车振动能量耗散平均功率比较低。     

多塔斜拉桥加劲索涡激振动实测与时域解析模态分解

为研究多塔斜拉桥中塔加劲索涡激振动时域和频域特性，对多根加劲索开展了振动加速度测量和风速、风向观测，研究了加劲索振幅与风速和风向的关系，分析了加速度时程的时域和频域特征。采用解析模态分解法对加劲索涡激振动加速度时程进行了分解，分析了所得分量的时域和频谱特征。研究发现，在无雨和较低风速条件下，同侧并列加劲索仅迎风侧发生明显涡激振动，其峰值振动是以频率为6.25 Hz的第28阶模态主要参与为特征，为高阶多模态涡激振动，明显发振风速约为4~5 m·s^-1，风向接近垂直桥轴线，其面内振动明显大于面外。1^#加劲索面内涡激振动时程分解得到的3个相邻高阶频率时程分量显示，第28阶模态振动加速度随时间的变化，主导了加劲索振动加速度幅值的增大和减小。同时认为，解析模态分解法不仅能较好地分离含有多个密集频率分量的时域信号，且分解得到的分量不改变原信号分量的频率特征，分解分量再合成的信号与原信号时频特征完全一致。因而可采用解析模态分解法分解具有多个密集频率分量的柔性结构响应，能有助于工程结构风致响应的模态参数识别。     

智能感知道路专栏导语

随着互联网、云计算、大数据等信息技术的发展，人们对交通基础设施智能化的需求更加迫切。以服务未来智慧交通为目标的智能道路基础设施成为了当代交通领域发展的重要方向，其中，智能感知是智能道路基础设施研究方向的基础和前沿。智能感知道路是通过特定的感应通讯、数据网络和材料结构系统设计，实现具有主动感应、自动辨析、自主调节和动态指示等服务功能的道路基础设施。智能感知道路对路面环境、力学、交通等状态的感知研究，可为评价道路服役状态,降低安全风险提供保障；对路面诊断修复的研究，可为延长道路使用寿命，降低养护成本提供依据；对路域能量转换与采集的研究，可为交通能源融合发展，实现节能减排的战略目标提供借鉴。智能感知道路研究对于我国道路基础设施服务水平的本质提升和交通强国建设与发展具有重大而深远的意义。
近年来，众多学者在道路基础设施感知信息解析，多源数据处理，感知材料设计和智能铺装结构设计等方面取得了丰富的成果，为提高我国道路基础设施智能感知水平和加快交通基础设施智能化发展提供了重要的理论指导和技术支持。为充分展示智能感知道路领域的最新研究成果，引领该领域的发展方向，推动理论与技术创新，《中国公路学报》编辑部邀请长安大学蒋玮教授、哈尔滨工业大学徐慧宁教授、北京航空航天大学李峰教授、东南大学马涛教授、同济大学朱兴一教授、武汉理工大学刘全涛教授作为组稿负责人，共同向该领域的知名专家、学者约稿，出版本期“智能感知道路”专栏，回顾、总结和推广我国智能感知道路领域的最新成果，展望该方向的发展趋势。本专栏共收到相关理论、技术、方法、试验研究及综述等论文40余篇，最终录用9篇。研究内容集中于以下几个方面：
（1）综述。梳理总结了感应充电路面技术、融合感知特性的道路铺装结构设计体系、冰雪路面摩擦特性与运营风险管控等方面的最新研究成果和发展趋势。
（2）自感知道路及其配套的感知系统技术。主要内容包括：路面低温变色复配物的制备及热色特性研究、环氧树脂基自发光路面材料设计与性能研究、基于分布式光纤的混凝土路面振动场感知与解析等。
（3）自修复路面及其诊断系统技术。主要内容包括：石墨烯微胶囊沥青双机制愈合机理研究等。
（4）自俘能路面及其能量转换系统技术。主要内容包括：基于应用环境的路用压电俘能单元尺寸优化与性能评价、智能道路无线充电系统耦合线圈互操作性分析等。
智能感知道路相关理论、材料、结构的研究，将有力地推动我国以智能为重要特征的新型交通基础设施的理论研究与工程实践，为加快交通强国建设提供有力支撑。《中国公路学报》将持续关注该领域的国内外最新研究进展，以期为广大专家、学者及工程技术人员提拱学习、交流的平台，促进我国智能道路基础设施领域的高质量与可持续快速发展。     

随机路面激励下车辆系统参数对汽车行驶平顺性的影响研究

基于汽车系统动力学和随机振动理论，建立了简化的人体-座椅、车身及车轮3-DOF车辆振动模型，采用线性滤波白噪声法建立了路面激励模型，并仿真分析了常见C级路面的不平度特性。以C级随机路面激励为车辆振动系统输入，运用变步长四阶Runge-Kutta法求解了车辆系统数学模型。在时域和频域两方面，仿真分析了座椅刚度、阻尼，悬架刚度、阻尼及轮胎刚度对座椅、悬架性能的影响，以及路面不平度和车速对座椅垂向加权加速度的影响。得出了座椅加速度、悬架动挠度、轮胎动载荷功率谱密度随座椅刚度、阻尼系数，悬架刚度、阻尼系数及轮胎刚度变化的规律。     

基于实测数据的斜拉索振动分析与小波包能量占比研究

为研究海域环境下跨海斜拉桥长斜拉索的振动响应特征及振动能量分布特点,以金塘跨海大桥为背景,对后期构建的局部实时监测系统采集的实测数据进行分析。研究斜拉索加速度信号的时域和频域特征,运用小波包分析对不同季节的斜拉索加速度时程进行分解及重构,并计算振动能量在不同频带的能量占比。结果表明:金塘大桥桥址处风向以西北为主,近似垂直于斜拉索索面;斜拉索振动以面内振动为主,存在多模态耦合现象,且振动波形在无规则和谐波之间转变;斜拉索振动实测小波包能量占比呈现出季节性变化规律,不同频带能量占比的日变化表现出"昼大夜小"的趋势;特定频带的小波包能量占比随时间的变化可以较好地反映斜拉索短时振动能量的变化,有助于有效识别斜拉索振动情况,保证桥梁安全运营。     

路面材料磁化对无线电能传输的能量损失效应研究

无线充电路面是将无线电能传输技术与路面结构相结合的一种新型智能路面，可使路面同时满足行驶功能和无线充电功能。设计实用的无线充电路面，需要将传输装置埋设于路面材料中，如水泥混凝土和沥青混凝土材料。无线电能传输是路面中的原边线圈和电动汽车上的副边线圈经感应耦合谐振完成的。现有无线电能传输过程都是在空气中进行的，当传输过程需要穿过路面材料时，空间介质的电磁特性对无线电能传输所产生的影响需要探究。为此，选取AC-13型沥青混凝土和C30普通硅酸盐水泥混凝土，研究分析2种路面材料的磁化性能以及对感应耦合谐振电路的能量损失效应。首先通过振动样品磁强计，对2种路面材料组成成分的磁化性能进行定量分析，接着采用LCR测试仪测量其感应耦合系数，最后搭建87 kHz的无线电能传输系统来研究能量损失效应。研究结果表明：沥青混凝土和水泥混凝土组成成分的磁化性能差异较大，水泥混凝土可视为连续的磁性介质，而沥青混凝土不连续；2种路面材料在感应耦合谐振电路中会降低感应耦合系数，且材料的磁化会使无线电能传输系统的谐振电路失谐，导致原边功率下降12.7%和14.2%，并造成能量损失；经调节谐振状态后发现，电路的谐振频率向低偏离；为了降低无线充电路面的能量损失，在设计过程中应将路面材料的磁化作为关键因素来考虑。     

分布式光纤检测桥梁裂缝研究

光纤传感技术由于能实现空间立体监测和连续性监测,是目前裂缝监测领域研究的重点。本文在深入研究布里渊传感原理基础上,基于光纤传感器精巧、纤细难于适用于混凝土粗放施工的特点,采用基于FRP封装的分布式光纤传感器,对这种传感器在在用桥梁及在建桥梁的敷设方式、对混凝土裂缝从萌生到开展过程的监测响应及裂缝宽度与布里渊频移之间的规律展开了探索性科学研究。并在试验中加入了光纤光栅传感器,研究光纤光栅传感器对分布式光纤传感器的补充作用。通过理论及试验研究,采用FRP封装的分布式光纤传感器适用于在用及在建桥梁的混凝土裂缝监测,光纤传感器对裂缝的开展有很好的感知性能,初步得到了裂缝宽度与布里渊频移之间的规律。光纤光栅传感器与分布式光纤传感器相结合可以实现长距离与局部高精度的互补作用。     

移动荷载下粘弹性地基上无限大板的稳态响应

针对高速交通体系引起的结构与地基振动问题，采用移动荷载作用下Kelvin地基上的无限大板作为力学分析模型，分析了运动车辆荷载作用下路面体系的动力响应。首先采用三维Fourier变换法导出了板在任意匀速运动荷载作用下的稳态挠度的一般解，然后推导了各种移动荷载作用下板挠度的二维积分解析解，包括恒常和简谐移动矩形均布荷载、线均布荷载、集中荷载，最后采用自适应数值积分算法计算了板在移动集中恒载和移动矩形均布恒载作用下的挠度，比较了两种荷载作用下板挠度的异同。结果表明：上述两种荷载作用下板挠度的差异较小，可尝试将运动车辆作用于路面体系的荷载简化为移动集中荷载阵列考虑。     

Kelvin-Voigt模型橡胶衬套对汽车行驶平顺性的影响分析

为研究汽车行驶平顺性受到悬架橡胶衬套的影响，依据Kelvin-Voigt橡胶衬套模型，采用虚拟坐标法，建立了包含橡胶衬套Kelvin-Voigt模型的6-DOF汽车振动模型。针对所建模型，采用线性滤波白噪声法建立前、后车轮路面激励模型，以C级随机路面激励为车辆振动系统输入，运用四阶Variable step length Runge-Kutta算法和傅里叶变换法对所建模型展开时域和频域仿真；分析匀速行驶工况下汽车座椅、车身、悬架动挠度及轮胎动载荷受到悬架橡胶衬套的影响；并将仿真结果与不包含橡胶衬套的6-DOF汽车振动模型相比较。仿真结果表明，在悬架系统中安装橡胶衬套确实能提升汽车行驶平顺性，增强轮胎接地性能。     

分布式光纤传感器用于连续配筋混凝土路面健康监测的试验研究

介绍了一种先进的分布式光纤传感器技术。即布里渊光时域反射计（BOTDR）。在连续配筋混凝土路iN（CRCP）中布置了BOTDR分布式光纤传感系统,对路面板中连续钢筋和混凝土应变进行实时监测。研究结果表明,BOTDR在公路桥梁等一些土木工程结构的健康监测中具有重要的应用前景。     

车辆荷载作用下纤维沥青路面响应分析

基于弹性理论,采用有限元方法分析车辆荷载作用下,纤维沥青混凝土的模量、不同道路等级下的纤维沥青混凝土层位置和厚度、基层厚度对路表最大弯沉、基层和底基层的层底径向应力的影响。结果表明,纤维加入到沥青路面后,提高了路面的整体变形能力,从而可以减小路面面层的厚度;基层厚度的增加,不仅缓解了由于纤维沥青混凝土面层厚度减小而产生的基层和底基层的层底径向应力的增加,而且可以减小纤维沥青混凝土的掺入量。在考虑提高路面结构的整体性以及面层和基层之间的粘结力时,给出了不同道路等级下纤维沥青路面结构的合理设计。     

基于Rayleigh波频散特征的路基模量反演成像方法与试验研究

路基动态回弹模量是影响路基路面结构耐久性与稳定性的关键参数之一。为了实现路基动态回弹模量无损检测精细化,基于Rayleigh波在弹性层状体系中的传播特性,揭示了Rayleigh波在基准路基路面结构中的理论频散特征,并通过显式瞬态动力有限元方法对路基路面结构体系中Rayleigh波场响应进行了数值计算,结合频域波数域变换法与相位移法建立了路基路面结构中Rayleigh波频散曲线的联合提取方法。通过将提取的Rayleigh波频散曲线按自适应遗传算法反演的路面各结构层模量值作为已知约束条件,进一步对路基工作区细化分层,以此建立了路基工作区动态回弹模量的反演成像方法。通过在足尺道路试槽内点对点依次进行Rayleigh波、FWD、承载板和弯沉测试,建立了各测试结果之间的相关关系。研究结果表明：Rayleigh波反演的路基动态回弹模量与其他测试方法相应结果的判定系数R²均大于0.85,且反演成像结果能够全面、清晰地反映路基的承载能力与压实质量。研究成果可为路基路面工作特性智能感知方法与技术的发展提供理论参考。     

导电沥青混凝土的桥面铺装开裂预警技术研究

沥青混凝土桥面铺装层在低温条件下极易产生开裂,空气中水分、灰尘等通过裂缝深入到桥面板与铺装层中间,会进一步造成层间滑移、水损坏。为及时对沥青混凝土桥面铺装的低温开裂病害进行预警,降低后期维修养护费用,采用碳纤维、石墨制备了复合导电沥青混凝土,并通过间接拉伸蠕变试验研究了其变形发展与电阻率的变化关系,根据曲线特点利用多项式拟合获得了不同蠕变阶段其力-电机敏特性。结果表明:碳纤维-石墨导电沥青混凝土电阻率与应变在不同阶段分别呈现出二次非线性、线性相关关系。同时,结合实体工程设计了分布式光纤传感器布设方案与施工流程,即在桥面铺装层间布设分布式光纤,上面层铺筑碳纤维-石墨导电混凝土,形成一种新型桥面铺装结构,为沥青混凝土桥面铺装低温开裂预警提供了一种全新的思路。     

冲击压实破碎旧水泥混凝土路面引起的环境振动特性研究

结合对316国道福州段旧水泥混凝土路面冲击压实改建工程中环境振动的现场监测,探讨分析了冲击压实破碎旧水泥混凝土路面施工动荷载对周围环境振动影响的特点和规律,并通过进一步对振动量的频谱分析,分析了冲击压实引起的地面振动的频谱特征,最后基于以上研究,探讨了冲击压实引起的环境振动对建筑物的影响和防护,为冲击压实处理旧水泥混凝土路面技术的安全应用提供了技术参考。     

BOTDA光纤传感技术监测钢筋锈蚀损伤的试验研究

基于钢筋锈蚀后钢筋及其周围混凝土的应力、应变发生变化的事实,提出了一种混凝土中钢筋腐蚀监测的新方法,即应用基于布里渊光时域分析计(BOTDA)的光纤传感技术监测钢筋混凝土结构的应变,通过应变分布的变化实现对钢筋锈蚀的监测.通过试验梁对该方法的可行性进行了验证,并对比分析了钢筋局部锈蚀对应变分布的影响,对试验梁的锈蚀位置进行了识别.结果表明,利用BOTDA系统的识别效果与荷载大小,锈蚀位置,锈蚀长度有关,荷载越大,锈蚀段长度越大,越靠近跨中,识别效果越好.因此,BOTDA光纤传感技术能够识别钢筋的锈蚀损伤,实现混凝土结构中钢筋锈蚀的分布式监测.     

旧水泥混凝土路面FWD实测数据的分析

基于某国道的FWD实测数据,分析FWD参数与旧水泥混凝土路面状况(现场调查实录及测试数据)间的某些相关性,探索旧水泥混凝土板的接缝传荷能力、弯曲刚度、综合承载能力等定性或定量的判别方法,提出利用FWD加载中心弯沉值总水平评价旧水泥混凝土路面综合承载能力的设想。     

基于路基路面协调变形的水泥混凝土路面设计研究

采基于路基路面协调变形,建立三维有限元分析模型,并对典型水泥混凝土路面结构的荷载应力进行计算。采用正交试验设计的方法对路面设计参数进行组合,系统分析了设计参数对路基路面应力响应的影响。结果表明,对于水泥混凝土路面,在路面设计参数中,仅有路基回弹模量对路面板拉应力与面层板厚度对路基应力具有显著影响。因此,可将路面厚度和路基回弹模量设计作为水泥混凝土路面设计重点。基于不同路面板厚度下路基工作区深度,可将交通荷载影响区加深至1．5m。基于不同路面板厚度、路基回弹模量和不同轴载对水泥混凝土路面板疲劳寿命影响规律,在重载交通条件下,应该增加路面厚度和增强路基。考虑经济因素并结合以上分析,建议水泥混凝土路面厚度宜取28—30cm,路基回弹模量宜介于40-80MPa之间。     

FWD荷载作用下刚性路面弯沉的动力响应分析

对于Kelvin地基上的混凝土板,利用有限元软件ANSYS,建立了落锤式弯沉仪(FWD)荷载作用下刚性路面的瞬态动力分析模型.通过改变地基阻尼系数和混凝土面板材料阻尼系数,研究路表弯沉的动力响应特征.探计了在不同的荷载频率作用下,路面弯沉峰值的变化规律,得出了刚性路面结构的临界频率.结果表明,阻尼系数越大,弯沉的峰值越小,而且路面阻尼较路基阻尼对弯沉峰值延迟效应更为明显;当加载频率高于临界频率时,随着频率值的增大,弯沉峰值逐渐减小;当加载频率低于临界频率时,随着频率值的增大,弯沉峰值逐渐增大,最后趋近于静力荷载作用下的弯沉值.