北京交通大学 - Welcome to School of Civil Engineering
Mechanistic-empirical
Mechanistic-empiricalJournalofModernTransportationV olume19,June2,January2011,Page114—133Journalhomepage:mI#^10r●b￡■l^,Sit^Mechanistic?empiricalpavementdesignguide(MEPDG):1●l●●aDlr11s-eyeVlewQiangLI,DannyX.XIAO,KelvinC.P.WANG,KevinD.HALL,Y anjunQrui.DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofDelaware.Newark,DE A2.DepartmentofCivilEngineering,UniversityofArkansas,Fayetteville,AR72701,USA3.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China Abstract:PasteditionsoftheAmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOff icials(AASHTO)Guide forDesignofPavementStructureshaveservedwellforseveraldecades;nevertheless.manys eriouslimitationsexistfortheircontinueduseasthenation'sprimarypavementdesignprocedures.Researchersaren owincorporatingthelat—estadvancesinpavementdesignintothenewMechanistic—EmpiricalPavementDesignGuide(MEPDG),developedundertheNationa1CooperativeHighwayResearchProgram(NCHRP)1—37AprojectandadoptedandpublishedbyAASHTO.TheMEPDGprocedureoffersseveraldramaticimprovementsoverthecurrentpa vementdesignguideand presentsanewparadigminthewaypavementdesignisperformed.However,MEPDGissubst antiallymorecomplex thantheAASHTODesignGuidebyconsideringtheinputparametersthatinfluencepavementperformance,includingtraffic,climate,pavementstructureandmaterialproperties,andapplyingtheprinciplesofeng ineeringmechanicstopredictcritica1pavementresponses.Itrequiressignificantlymoreinputfromthedesigner.So meoftherequireddata areeithernottrackedpreviouslyorarestoredinlocationsnotfamiliartodesigners.andmanyd atasetsneedtobepre-processedforuseintheMEPDG.Asaresult.tremendousresearchworkhasbeenconductedan dstillmorechallengesneedtobetackledbothinfedera1andstate1evelsfortheful】implementationofMEPDG.Thispaper,forthefirsttime, providesacomprehensivebird'seyeviewfortheMEPDGprocedure.includingtheevolveme ntofthedesignmethod-ology.anoverviewofthedesignphilosophyanditscomponents,theresearchconducteddurin gthedevelopment,im—provement.andimplementationphases,andthechallengesremainedandfuturedevelopmen tsdirections.Itisantici- patedthattheeffortsinthisPaDeraidinenhancingthemechanistic—empiricalbasedpavementdesignforfuturecon—tinuousimprovementtokeepupwithchangesintrucking,materials,construction,designcon cepts,computers,andsoon.Keywords:designofpavementstructures;mechanistic—empiricalpavementdesignguide(MEPDG);localcalibration; implementationchallenges◎2011JMTAllrightsreserved.1.Intr0ducti0n1rheAmericanAssociationofStateHighwayOffi一上cials(AASH0,RoadTestwasamilestoneforen. gineerstounderstandhowpavementsperforln,basedonwchthecurrentAmericanAssociationofStateHigh—wavandTransportation0fficials(AASHTO)pavement designproceduresweredeveloped.However.thesede. signproceduresareinsu伍cientforthetraffic.materials andconstructiontechniquestodaysincetheempirica1 equationsinnaturewerederivedfromtheRoadTestin asinglegeographiclocation,onetypeofsubgrade,one hotmixasphaltmixtureandonePortlandcementcon—ReceivedMrdy4,2011;revisionacceptedJun.7,2011 Correspondingauthor.Te1.:十l一302—831?7002 E—mail:************(Q.LI)doi:10.39694.issn.2095—087X.2011.02.007 cretemixture,twounboundbase,andunderslightlyover1millionaxleloadapplicationsf1].Itisunti1now.ahalfcenturyaftertheRoadTest.that pavementdesignisupdatingfromempiricalmethodto mechanistic.empiricalmethod.DevelopedundertheNa—tionalCooperativeHighwayResearchProgram(NCHRP), theMechanistic—EmpiricalPavementDesignGuide (MEPDG)presentsanewparadigmforpavementdesign andanalysis.TheGuideconsidersinputparametersthat influencepavementperformance.includingtrafile,cli- mate,andpavementstructureandmaterialproperties,and appliestheprinciplesofengineeringmechanicstopredict criticalpavementresponses[1】.Incorporatinghundreds ofnewvariables,newparameterstocharacterizemateri. alsandthecomplexityoftheimplementation.MEPDG presentsmanyresearchtasksandchallengesforthe pavementcommunity. SincetheAASHTOJointTaskForceonPavement(JTFOP)initiatedtheMEPDGdevelopmentefforts, JournalofModernTransportation201119f2):114—133 numerousresearchprojectsrelatedtoMEPDGhave beenconducted.Althoughawiderangeoftopicshave beeninvestigatedandfindingshavebeendisseminated byreports,Papersandpresentations,there1snopaper comprehensivestudycatalogingtheseresearch achievements.ThisPaperisintendstofillthisgap.The outlineofthepapercomesasfollows.First,thehistory ofpavementdesignmethodsisreviewed,followedbya briefintroductionofMEPDGanditscomponents.Sec—ond.theart—of-stateresearchconductedduringthede—velopment,improvement,andimplementationphasesof MEPDGareexploredandanalyzed.Finallychallenges andfuturedevelopmentsarepresented.2.EvolvementofpavementdesigninU.S. Theempiricalbasedandthemechanistic—empirical basedpavementstructuraldesignapproachesarethetwo principalmethodswidelystudiedandusedintheUnited Statestoday.2.1.Empiricalmethod."AASHTOpavementdesign method Manypavementdesignproceduresadoptanempiri—calapproach.Therelationshipsamongdesigninputs, suchas1pads.materials.1ayerconfigurationsandenvi. ronment,andpavementfailurewereobtainedthrough engineeringexperience,experimentalobservations,ora combinationofboth. TheAmericanAssociationofStateHighwayand TransDonation0fficialsfAASHTO)GuideforDesignofPavementStructures『21istheprimarydocument usedtodesignnewandrehabilitatedhighwaypave. mentsintheUnitedStatestoday.TheFederalHighway Administration'sfFHWA,l995.1997NationalPave—mentDesignReviewfoundthatmorethan80%ofstates usethe1972,1986,orl993AASHTOGuides『3].A1l versionsoftheAASHTOdesignguidearebasedonem. piricalmodelsdrawnfromfieldperformancedatameas. uredattheAASHOroadtestinthelate1950slocatedat iustnorthwestofOttawa,Illinois,about80milessouth. westofChicago.alongwithsometheoreticalsupportfor 1ayercoefficientsanddrainagefactors.Theoverallser—viceabilityofthepavementisquantifiedbythepresent serviceabilityindex(psi),acompositeperformance measurecombiningcracking,patching,rutting,and otherdistresses.Roughnessisthedominantfactorgov—erningPSIandisthereforetheprincipalcomponentof pavementperformancemeasure. ThevariousversionsoftheAASHTOguidehave servedtheindustrywell,buthavedeficienciesdueto someofthelimitationsoftheAASH0RoadTest[1]: 115(1)Today'strafficloadsaremuchhigherthanthey weresixdecadesago;(2)Rehabilitatedpavementswerenotmonitored;(3)Onlyoneclimaticconditionandonesubgrade typewereincludedintheroadtest;(4)Onlyonehot—mixasphaltandonePCCmixture werestudied;(5)Testpavementsdidnotincludedrainage;(6)Only2yearsofmonitoringwereconducted, ratherthantheentirepavement1ireofever,,section (somesectionsdid,however,failwithin2years).2.2.Themechanistic—empiricalpavementdesignguide (MEPDGJ2.2.1.Nationalcooperativehighwayresearchprogram (NCHRP)project1-26 PdAtafterthedevelopmentofthel986AASHTODe—signGuide,theneedtodevelopmechanisticpavement analysisanddesignproceduressuitableforuseinfuture versionsoftheAASHTOguidewasinitiatedbyAASHT0. NCHRPProject1—26.CalibratedMechanisticStructural AnalysisProceduresforPavements,aimedatprovidingthe basicframeworkforfuturedevelopmentofamechanistic. empirical(M?E)pavementdesignmethod[4]. Inpavementdesign,theresponsescanbethestresses, strainsanddeflectionswithinapavementstructure,and thephysica1causesaretheloads(bothenvironmentaland traffic,andmaterialpropertiesofthepavementstructure. Therelationshipsamongthesephenomenaandtheir physicalcausesaretypicallydescribedusing mathematicalmodels.Alongwiththismechanistic approach,empiricalmodelsareusedwhendefiningthe relationshipsamongthecalculatedstresses,strainsand deflections,andpavementfailure.Asaresult,thenumber ofloadingcyclestofailurecanbederived.Thisapproach iscalledamechanisticempirica1baseddesignmethod. SinceNCHRP1—26wascompleted.severa1typical mechanistic.empirica1baseddesignapproacheswere developed.includingthe2002AASHTOMechanistic.EmpiricalDesignGuide(MEPDG)[1],i.heWashington StateDepartmentofTransportation(WSDOT1Pave.mentGuide[5],andtheMnPA VEcomputerprogram adoptedinMinnesotaDepartmentofTransportation(MY/D0T)『6].2.2.2.ThelongtermpavementperformancefLTPP1ProgramSupportedbytheCongress,theLTPPprogramstartedin1987,aspartoftheStrategicHighwayRe—searchProgram(SHRP).Overaspanof20years,the LTPPprogramhasmonitoredtheperformanceofnearlyl16QiangLIetal/Mechanistic—empiricalpavementdesignguide(MEPDGJabird's—eyeview2500in—servicepavementtestsectionsthroughoutthe UnitedStatesandCanadarepresentingthewiderangeof climaticandsoilconditionsonthecontinent.With pavementperformanceovertime,researchersaregain—inginsightintohowandwhytheyperformastheydo, whichprovidesvaluablelessonsonhowtobuildbeuer.1ongerlasting.morecosteffectivepavements. AnofiginalLTPPobjectivewastoacquiredataforuse inevaluatingexistingdesignmethodsandindevelopingnewones.TheDevelopmentofMEPDGrequireddetailed informationaboutpavementslocatedacrossthecountry andrepresentingawiderangeofloading,climate,andsub- gradeconditionswithvaryingstructura1compositions.The LTPPdatabaseprovidedsuch1ong.termperformancedataf0rhundredsofasphalt.concrete.andrehabilitatedpave—mentsectionsthatwereusedinthenationa1calibration.Infact.theM【EPDGcouldnothavebeencompletedwithout thetypeandnationalextentofdataprovidedbytheLTPP studies『71.Al1ofthetraffic1oadingdefaultsprovidedin theMEPDG.f0rexample.werederivedfromtheLTPP trafficdatabaseusingweigh.iI1.motion(WIM)sitesacross theUnitedStatesandCanada.andallofthedistressand smoothnessmodelsintheMEPDGwerecalibratedusing LTPPdata.Inaddition.LTPPdataisinvaluabletoeach Statehighwayagencyforitsownlocalvalidationandcali. brationpurposes.ThedistributionoftheLTPPpavement testsectionsisshowninFig.1『71.2.2.3.Themechanistic—empiricalpavementdesign guide(MEPDG) TheMechanistic—EmpiricalDesignGuideforNewand RehabilitatedPavementStructures『knownasMEPDG, wasreleasedin2004undertheNCHRPProject1.37A. MEPDGprovidessignificantpotentialbenefitsoverthel993AASHTOGuide.Thisapproachprovidesmorerea1. isticcharacterizationofin.servicepavementsandprovides monfeatures offlexible,rigidandcompositepavements.Italsooffers proceduresforevaluatingexistingpavementsandrecom—mendationsforrehabilitationtreatments,drainage,and foundationimprovements.Mostimportantly.itscomputa—tionalsoftware:(11implementsanintegratedanalysisap—proachforpredictingpavementconditionovertimerin. cludingfatigue,rutting,andthermalcrackinginasphalt pavements,andcrackingandfaultinginconcretepave. ments)thataccountsfortheinteractionoftraffic,climate, andpavementstructure;f21allowsconsiderationofspecialloadingswithmultipletiresoraxles;and(31providesa meansforevaluatingdesignvabilityandreliability. MEPDGallowspavementdesignerstomakebetterin. formeddecisionsandtakecost—effectiveadvantageofnew materialsandfeamres.Thesoftwarecanalsoserveasafo—rensictoolforanalyzingtheconditionofexistingpave mentsandpinpointingdeficienciesinpastdesigns.Fig.1DistributionofLTPPpavementtestsections3.MEPDG:alloverview3..MEPDGdesignapproach JournalofModernTransportation201119f2):114—133 ThedesignapproachprovidedinMEPDGconsistsof threemajorstages,showninFig.2【1].Stage1ofthis procedureistodevelopinputvalues.Inthisstage,poten—tia1strategiesareidenfifiedandfoundationanalysisis conducted.Inaddition,pavementmaterialsinputs.traffic characterizationdataandhourlyclimaticdata(tempera. ture,precipitation,solarradiation,cloudcover,andwind speed1fromweatherstationsaredeveloped.Stage2con—sistsofthestructuraUperformanceanalysis.Theanalysis approachbeginswiththeselectionofaninitialtrialde. sign.Thetrialsectionisanalyzedincrementallyovertime usingthepavementresponseanddistressmodels,andthe outputsoftheanalysisareaccumulateddamageamount ofdistressandsmoothnessovertime.Apavementstruc—turaldesignisthereforeobtainedthroughaniterative processinwhichpredictedperformanceiscompared againstthedesigncriteriaforthemultiplepredicteddis. tressesunti1al1designcriteriaaresatisfiedtothespecifiedreliability1eve1.Stage3oftheprocessincludestheevalua—tionofthestructurallyviablealternatives,suchasanen—gineeringanalysisandlifecyclecostanalysis..2.Hierarchicaldesigninputs Thehierarchicalapproach tureofMEPDGnotfoundin117todesigninputsisafea—existingdesignprocedure[1】,whichprovidesthedesignerwithflexibilityinob—tainingthedesigninputsforadesignprojectbasedon thecriticalityoftheproiectandtheavailableresources. Thehierarchicalapproachisemployedwithregardto traffic.materials.andenvironmenta¨nputs.Level1inputsprovideforthehighestlevelofaccu—racyandwouldhavethe1owest1evelofuncertaintyor error.Level1inputswouldtypicallybeusedfordesign—ingheavilytrafhckedpavementsorwhereverthereare diresafetyoreconomicconsequencesofearlyfailure. Levellmaterialinputrequirelaboratoryorfieldtesting, suchasthedynamicmodulustestingofhot.mixasphalt concrete,site—specificaxle1oadspectradatacollections, ornondestructivedeflectiontesting.Level2inputsprovideanintermediatelevelof accuracy.Level2inputstypicallywouldbeuser—selected,possiblyfromanagencydatabase,couldbe derivedfroma1imitedtestingprogram.orcouldbe estimatedthroughcorrelations.…………………………………………………………………………●Fig.2Thethree—stageschemeoftheMEPDGprocess[1】118QiangLIetaI./Mechanistic—empiricalpavementdesignguide(MEPDG)abird'seyeviewLevel3inputsprovidethelowestlevelofaccuracy. Thislevelmightbeusedfordesignwherethereare minimalconsequencesofearlyfailure.suchaslowervolumeroads.Inputstypicallywouldbeuser.selected valuesortypicalaveragesfortheregion.Nationalde—faultvaluesareprovidedintheMEPDGsoftwareandcouldbeusedaslevel3inputs.3.3.Environmentaleffects TheMEPDGapproachfullyconsidersthechangesof temperatureandmoistureprofilesinthepavement structureandsubgradeoverthedesign1ifeofa pavementthroughtheincorporationoftheEnhancedIntegratedC:limateModelrEICM)intotheMEPDGdesignsoftware.TheEICMisaone.dimensional coupledheatandmoistureflowprogramthatsimulates changesinthebehaviorandcharacteristicsofpavement andsubgradematerialsinconjunctionwithclimaticconditions[1】.Inaddition.theMEPDGsoftwareprovidesanavail—abledatabasefrommorethan800weatherstationsfromtheNationa1ClimaticDataCenterCNCDC)throughouttheUnitedStates,whichallowstheusertoselectagiven stationortogeneratevirtualweatherstationsforapro一.jectsiteunderdesign.3.4.TrafficcharacterizationInsteadofusingEquivalentSingleAxleLoad(ESAL) asinthel993AASHTOGuide『21tocharacterizetraf- ticthroughoutthepavementdesignlife.MEPDGre. quiresthefunaxle.1oadspectrumtrafficinputsforesti—matingthemagnitude,configurationandfrequencyof trafficloadingtoaccuratelydeterminetheaxle1pads matwillbeappliedonthepavementineachtimeincre mentofthedamageaccumulationprocess.Thetypical trafiledatarequiredfortheMEPDGarecategorizedas follows『11:●Trucktrafficvolume:inthebaseyearandthees. timatedgrowthrateinthedesignlife;●Trucktraf爵cvolumeadiustmentfactors:hourly andmonthly;●Axleloaddistributionfactors:loadspectraand vehicleclassdistribution;●Generaltrafficinputs,suchasaxleconfiguration, wheelbase,andaxlespertruck.3.5.Materialcharacterization Thematerialparametersneededforthedesignproc—。
北京交通大学学报模板(新)
北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY收稿日期：；修订日期：基金项目：一级标题二号黑体（五号字空一行）作者姓名四号楷体如为送审稿此行不填但要留空行（作者单位小五号宋体，如为送审稿此处不填但要留空行）（五写字空一行）摘要：（摘要两字为五号黑体，中间空一字，其他为五号楷体；关键词为五号黑体，其他为五号楷体，中间用分号隔开，关键词完了不加句号.与正文左右边界各缩近2个汉字.）应完整，概括出文章的目的、方法、结果及结论；简洁，排除常识内容，避免重复题目；独立，不得引用文中参考文献号、图号和公式号；具体，尽量用具体数字来说明该项工作取得的进展或成效，例如某项性能指标提高了百分之多少，避免“效果很好”这类的含糊其辞；便于收录，这是指摘要、题目中避免包含公式、上下标等，以方便Ei等文摘和题录数据库收录文本数据.摘要常常会通过各二次文献（如文摘型数据库、文摘期刊）提供给读者，高质量的摘要有利于文摘被国际权威数据库收录，及引起同行的重视.英文摘要一般应和中文摘要对应，如果英文摘要比中文摘要更详细的，应另提供一份英文摘要的中文副本，以便于本刊英文编辑检查英文.关键词：关键词(2级学科)1；关键词2；关键词3；关键词4；关键词5中图分类号：文献标志码：A（空五号字一行）英文标题用三号黑正体（空五号字一行）英文作者姓名四号斜体如为送审稿此处不写但留空行（英文作者单位用小五正体，如为送审稿此处留空行）（空五号字一行,全篇英文用Times New Roman）Abstract:The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts.The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English ab-stracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of Eng-lish abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English ab-stracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of Eng-lish abstracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts. The text of English ab-stracts. The text of English abstracts. The text of English abstracts.Key words:inlet-engine compatibility; total pressure distortion; strake vortex前言部分内容.注意《北京交通大学学报》一般不在篇首编排符号表，符合请在正文中说明.《北京交通大学学报》对引言不编排节号，文章开头的段落即为引言.引言应说明课题的背景，引述该领域的国内外同行已经取得的进展，以说明本文的选题意义和创新点所在.欢迎作者在文章中引述《北京交通大学学报》上发表过的论文.1 节标题节标题为四号黑体注意您可以直接在本文档的基础上撰写稿件，来使您所撰写的文稿符合《北京交通大学学报》格式要求.如果您已经写好了文章想套用本文格式，首先请将本文档另存为模板文件；然后打开您自己的文章，选“工具”－“模板和加载项”加载此模板；然后就可以对文章的各段内容使用相应的样式（在工具栏上字体栏左侧），例如对文章标题套用“标题”样式，可以使其字体、字号、行距等符合模板格式.1.1 小节标题标题为五号黑体小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容.小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容.1.2 小节标题小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容小节内容.小节内容小节内容小节内容小节内容小节内小节内容.序号一般为:1.2.1 1.2.2 1) 2) 3)2 节标题节标题四号黑体节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容.某某某见图1.图 1 图的题目小五黑体Fig.1 Title in English文中注意正斜体的变化，一般变量用斜体，不变量用正体，矢量用黑斜体，实数集用黑正体.注意计量单位用国家颁布的法定计量单位，并与数字半字空.一般表格作为三线表,见表1.表 1 表的题目用小五黑体Tab.1 Title in English（小五号）表为三线表，用6号字排3 节标题节标题（四号黑）节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容节内容.4 结论（四号黑）1) 用半括号排.结论1结论1结论1结论1结论1结论1结论1结论1结论1结论1结论1结论1结论1结论1结论1结论1.2) 结论2结论2结论2结论2结论2结论2结论2结论2结论2结论2.致谢感谢某某某某用楷体.（空五号字一行）参考文献：（参考文献为五号黑体，其他为小五宋体）参考文献部分参考文献必须是本人阅读过的，选主要的、近期的列入，一般以5～8篇为宜.未公开发表的资料不宜列入.文献须在文中作标引，文献顺序按文中出现文献的先后次序编排，并与文中序号一一对应，如同一文献多次被引用，文末只标一个序号；参考文献分为中文与英文，上下对应.参考文献5字用黑体，与正文空5号字的一行，中文内容用小5宋体，英文为小5白正体，参考文献中如作者与作者之间用逗号隔开，如超过3人，则第3人以后用等，等字与名字之间用逗号隔开.在书写英文时，姓氏用大写，名的首字母用大写，其他用小写，字与字之间不用连字符，并需注意，作者以后每个单词的第一个字母用大写，其余用小写.具体书写格式为：期刊类[序号] 作者.题名[J].刊名，卷号（期号），发表年，起止页码.书籍类[序号] 作者.书名[M].版本（第1版不标注）.出版地，出版者，出版年：起止页码.论文集[序号] 作者.原文题名[C]//出版地，出版年：起止页码.论文集[序号] 作者.题名[D].保存地点：保存单位，授予年.标准[序号] 标准编号，标准名称[S].研究报告[序号] 作者.文题[R].报告代码及编号，地名：责任单位，年份.在线文献[序号] 作者.文题[EB/OL].http://www….，日期.[1] 毛蓉萍.建筑结构竖向荷载下施工模拟计算实例分析[J].工程力学，1997（A02）：713-722）.MAO Rongping. Examples of High-Rise Building Construction Simulation with Vertical Loads[J]. Engineering Mechanics, 1997(A02):713-722.(in Chinese)（另起一页）作者简介：王小平1，张立文2（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京，1000442.中铁第19工程局南京地铁公司，江苏南京210037）WANG Xiao-ping1，ZHANG Li-wen2(1.School of Civil Engineering and Architecture , Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044，China2. Nanjing subway corporation ,China railway 19th engineering burea, Nanjing 210037, china)收稿日期：；修订日期：基金项目：作者简介：姓名（出生年－），性别，（民族－汉族可省略），籍贯，职称，学位. Email:。
Q460高强钢材及T形对接接头力学性能研究
第50卷第12期2019年12月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.50No.12Dec.2019Q460高强钢材及T 形对接接头力学性能研究邢佶慧，陈前，王涛，杨娜(北京交通大学土木建筑工程学院，北京，100044)摘要：为明确高强钢材焊接接头的脆变程度，针对Q460高强钢材及T 形对接焊接接头进行试验和数值分析研究。
分别从国产Q460钢板母材、热影响区和焊缝处取材，加工19个材性试件，进行单向拉伸试验；加工5个板厚及夹角不同的单面成形全熔透对接焊接T 形接头，完成单向拉伸试验；对材性及接头试验结果进行精细化数值模拟，获取Q460钢材基本材性参数、断裂参数和应力-应变关系，分析T 形接头试件的破坏模式、抗拉强度及断裂延性指标。
研究结果表明：Q460高强钢母材强度符合我国钢结构设计标准要求，焊缝熔敷金属和热影响区塑性变形能力较母材略差。
Q460钢T 形焊接接头强度符合我国钢结构设计标准要求且有一定安全储备，破坏发生在母材中部，塑性变形能力取决于母材应力状态，基于VGM 微观断裂预测理论，能有效预测T 形接头断裂性能。
关键词：Q460高强钢；T 形；全熔透对接接头；单向拉伸；强度；延性；断裂预测中图分类号：TU392.4文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID )文章编号：1672-7207（2019）12-3097-09Performance of Q460high strength steel and T-shape fullypenetration butt weld jointsXING Jihui,CHEN Qian,WANG Tao,YANG Na(School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:In order to study the fragility tendency of the high strength steel welded joints,the behaviors of Q460high strength steel and T shape butt weld connections were systemically tested and numerically simulated.19coupons from Chinese Q460steel plate base metal,heat-affected zone and welding zone were tested under monotonic tensile loads.Five T-shape fully penetration butt weld joints fabricated from Q460steel with different angles and plate thicknesses were tested under static tensile loads.Basic material parameters and fracture prediction model parameters were identified.The uniaxial stress-strain relationships of these steel materials were built.Additionally,failure mode,strength as well as fracture ductility of T-shape butt weld joints were obtained.The research results show that Q460high-strength steel base metal strength can meet the strength requirement according to the specification for design of steel structures in China,and the plastic deformability of weld zone and heat-affected zone is slightly worse than that of base metal.The all weld joints can meet the strength收稿日期：2019−02−11；修回日期：2019−04−20基金项目(Foundation item)：中央高校基本科研业务费项目(2016JBM041)；国家自然科学基金面上资助项目(51578045)(Project(2016JBM041)supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities;Project(51578045)supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：邢佶慧，教授，从事钢结构与空间结构研究；E-mail ：***************.cnDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2019.12.019第50卷中南大学学报(自然科学版)requirement according to the specification for design of steel structures in China with enough safety reserve. Fracture initiates at the base metal.Therefore,the plastic deformation capacity of weld joints is determined by stress status in steel plates.The calibrated model parameters along with detailed FE analyses show that the VGM model can predict the failure behavior of T-shape butt weld joints effectively.Key words:Q460high strength steel;T-shape;fully penetration butt weld connection;monotonic tension; strength;ductility;fracture高强钢的推广及应用是建筑科技发展的必然趋势。
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声子晶体型高速公路声屏障的降噪性能
中国环境科学 2020,40(12)：5493~5501 China Environmental Science 声子晶体型高速公路声屏障的降噪性能秦晓春1*,倪安辰1,韩莹1,曹林辉2,黄智华2 (1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044；2.江西赣粤高速公路股份有限公司昌九高速改扩建项目办公室,江西南昌 462000)摘要：利用高速公路改扩建工程产生的大量废旧护栏立柱,针对高速公路轮胎-路面主要噪声,建立三种二维气-固型声子晶体声屏障.利用Comsol Multiphysics计算相应的能带结构,并探究带隙的影响因素.结果表明3种形式均可以产生相应的带隙;散射体壁厚大小对于带隙宽度影响很小,但采用空心散射体可以在低频产生一条完全禁带;对散射体进行开口处理可以有效增加低频带隙宽度;当晶格填充率增大至0.5后,随着填充率增大,从高频到低频依次产生完全禁带,且带隙总宽度增大;通过仿真模拟与室内实验相结合的方式验证了声屏障的降噪特性,声屏障在带隙范围内具有良好的降噪性能,相较直立同规格复合板声屏障,低频降噪效果提升1~16dB,高频降噪效果提升1~2dB,但在1600Hz后,声子晶体声屏障降噪效果不及复合板声屏障,降噪效果受周期数影响较大.声子晶体声屏障可实现新型降噪理念与绿色环保的有机结合.关键词：交通噪声；声子晶体；声屏障；回收立柱中图分类号：X593,X707 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2020)12-5493-09Noise reduction performance of highway sonic crystals noise barrier. QIN Xiao-chun1*, NI An-chen1, HAN Ying1, CAO Lin-hua2, HUANG Zhi-hua2 (1.School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；2.Jiangxi Ganyue Highway Co., Ltd. Changjiu Highway Reconstruction and Expansion Project Office, Nanchang 462000, China). China Environmental Science, 2020,40(12)：5493~5501Abstract：Three types of air-solid sonic crystals noise barriers were established for the tyre-road noise which is the main noise of highway by using recycled columns of the fence. Comsol Multiphysics was used to calculate the corresponding band structure and explore the influencing factors of band gaps. The results showed that the three forms can generate corresponding band gaps; the wall thickness had little effect on the band gap width, but the hollow scatterers could generate a complete band gap at low frequencies; opening treatment of the scatterers could effectively increase the low band gap width; after the lattice filling rate reached 0.5, complete band gaps were generated in order from high to low frequencies, and as the filling rate increased, the band gap overall width increased. The noise reduction characteristics of the barrier were verified through a combination of simulation and indoor experiments, the sonic crystals noise barrier had good noise reduction performance in the band gap range, compared with the aluminum alloy composite board noise barrier with the same specifications. The low-frequency noise reduction effect was increased by 1~16dB, and the high-frequency noise reduction effect was increased by 1~2dB; however, after 1600Hz, the noise reduction effect of the sonic crystals noise barrier did not outperform the composite board barrier, and the noise reduction effect was greatly affected by the number of cycles. The sonic crystal noise barrier is a promising combination of new noise reduction concepts and green environmental protection.Key words：traffic noise；sonic crystal；noise barrier；recycled column我国高速公路网络的迅猛发展极大方便了交通的出行和经济的发展,但与之相伴的噪声影响也愈加严重,成为近年来环境问题投诉的热点[1].长期处在交通噪声影响下可能会引发诸如焦虑乏力、睡眠质量下降、听力受损等一系列健康问题[2],高速公路沿线作为噪声的直接影响区域,矛盾尤为突出,控制噪声一般有3种途径:声源处控制、传播过程中控制、人耳接收处控制.声屏障作为一种末端噪声控制的形式[3],在交通领域应用最广泛,被公认为是最行之有效的措施,然而,近年来随着声屏障的大量采用,其存在的问题也逐渐显露.第一,现有的声屏障降噪缺乏针对性,不同种类的路段噪音产生的主导因素不同,特征噪声频谱也不相同[4-5],目前没有针对性的设置.第二,连续的声屏障阻碍了空气的流动,车辆在高速行驶过程中产生的持续脉动风压、以及自然环境中的风荷载会导致声屏障的使用寿命减短,无法满足安全性与稳定性[6-7],同时还会造成声泄露.第三,高大封闭的声屏障会阻碍光线,影响驾驶员的视觉, 收稿日期：2020-04-12基金项目：国家自然科学基金“面上项目”(51878039);基本科研业务费项目(2019JBM407)* 秦晓春, 副教授,**************.cn5494 中国环境科学 40卷造成孤立感, 从美学角度来看,也不利于与沿线景观的交融[8].声子晶体是具在弹性波带隙特征的周期性复合材料,它的基本特征是,带隙频率范围内的弹性波在声子晶体中传播时会被抑制[9],因此,声子晶体常被用于特定频率范围内的减振降噪.声子晶体根据带隙产生机理不同,分为Bragg散射型和局域共振型.Bragg散射型主要针对高频减振降噪,而局域共振型主要针对低频的减振降噪.目前,声子晶体已被广泛应用于航空航天、汽车潜艇、机械制造等领域[12-13].运用有限元法研究能带结构是计算效率最高、适用性最广泛的方法[14],其次,将有限元法与室内实验相结合来验证声子晶体声屏障的降噪性能也是最有效的方式[15],目前,国外已设计出多种形式的声子晶体声屏障[7,16-17].在国内,声子晶体的理论研究很多[18-20],但是对于声子晶体声屏障的实际应用研究,特别是在交通噪声防治方面,研究很少.易强等[21]对于一维声子晶体声屏障在轨道交通方面的应用进行了探索,结果表明在半封闭、全封闭声屏障上使用声子晶体,降噪效果远优于传统材质[21].张群义[22]对声屏障顶部附加了声子晶体型降噪结构,有效减少了声屏障的顶端绕射,改善了屏障后的声场分布.目前,我国尚没有声子晶体型声屏障在高速公路噪声防治的应用研究.因此,针对高速公路噪声特征,本研究提出了3种二维气-固型声子晶体声屏障,通过回收废旧钢立柱进行设计组合,并结合有限元仿真与室内实验,验证其降噪效果.旨在为高速公路噪声防治提供参考.1材料与方法1.1 高速公路噪声特性高速公路的噪声来源主要可以分为两类:一是汽车动力系统运作产生的噪声,二是车辆轮胎与路面作用而产生的噪声.其中车型、车速、路面构造是影响高速公路噪声大小与频率的3个最主要的因素[5].不同路面的轮胎-路面噪声频率分布如表1所示[4-5].Sandberg等[23]通过对轮胎与沥青路面相互作用的研究,发现轮胎-路面噪声在1000Hz附近存在共振峰,将800~1250Hz作为轮胎-路面噪声需要考虑的主要频段.我国高速公路以高等级沥青混凝土路面为主,最低限制时速为60km/h,轮胎噪声将占主要部分,因此本研究将声屏障降噪的重点放在轮胎-路面噪声部分,特别是800~1250Hz典型频段,同时针对以大型车辆或小型车辆为主的高速公路分别提出两种不同的改进方案.表1 轮胎噪声频率范围Table 1 Tire-road noise frequency range轮胎噪声频率(Hz) 车型车速沥青混凝土路面水泥混凝土路面小型车 80~120km/h 630~2000 800~2500 中型车 60~100km/h 160~1000 315~1600 大型车 60~100km/h 250~1000 315~20001.2 计算模型基于二维声子晶体模型建立声屏障,采用正方形晶格,根据Bragg散射理论[9],利用公式(1)计算相应的晶格常数大小,计算得晶格常数a=0.1715m,为方便排列选取a=0.2m.选择声阻抗差异大的材料有利于增大带隙宽度[21],因此选取高3m的回收废旧钢立柱作为散射体,插入空气基体中,具体材料参数如表2所示.3种不同的组合形式如图1所示:(Ⅰ)半径R=0.085m的空心钢管置于晶格中央,壁厚t=0.01m. (Ⅱ)将半径R=0.085m的空心钢置于晶格中央,面向道路方向开口尺寸e=0.065cm,壁厚t=0.01m.(Ⅲ)将四根半径R=0.04m的空心钢管相切组合置于晶格中央,壁厚t=0.01m.2caf=(1)式中,a为晶格常数;c为基体中声速;f为带隙中心频率(根据目标范围选取为1000Hz).HRf(2) f HR是赫姆霍兹共振频率,c f是基体声速,e是共振腔开口尺寸,r是内半径,l eq=t+0.85e是等效开口尺寸,t 是壁厚.对于薄壁结构e=2r sinα.表2材料参数Table 2 Material parameter table材料声速(m/s)密度(kg/m3) 弹性模量(N/m2)泊松比空气344 1.21钢5189 7800 2.1e11 0.31.3 基于有限元法的数值计算对于二维声子晶体,根据周期结构中波传播的Bloch定理[12],位移场u(r)可以写为下式:()()()i k rku r e u r⋅=(3)12期 秦晓春等：声子晶体型高速公路声屏障的降噪性能 5495式中:u k (r )是与声子晶体具有相同周期性的周期矢量函数;k =(k x ,k y )为波矢且被限制在第一布里渊区内;r =(x,y )为位置矢量.对单胞进行有限元网格划分,将其划分为有限个通过节点连接的单元.单个晶胞内特征方程的离散形式为: 2)=0U ω−（K M (4)式中:U 是节点位移,K 和M 分别是刚度矩阵和质量矩阵.如果单个晶胞边界上可以满足Bloch 周期条件就能保证在整个周期结构上都可以满足.将式(3)沿着周期方向施加在单个晶胞的边界上,则边界上的位移U(r )满足下式:())()i k a U r a eU r ⋅+=（ (5)式中:α为晶格常数,r 为边界上节点的位置矢量.图1 (a) 空心型单胞;(b) 开口型单胞;(c) 组合型单胞;(d)第一布里渊区Fig.1 (a) Hollow type unit cell; (b) Open type unit cell; (c)Combined type unit cell; (d) First Brillouin zone结合位移边界条件(5),利用COMSOL Multiphysics 5.4©多物理场耦合有限元分析软件直接求解式(4)表示的特征值方程[16],利用计算所得的特征值来绘制对应的能带结构.采用COMSOL Multiphysics 5.4©的压力声学模块进行能带结构分析,对于3种不同单胞,能带结构计算应依据Bloch - Floquet 理论沿着第一不可约布里渊区(图1(d))的3个高对称方向ΓΧ、ΧΜ、ΜΓ进行扫描,扫描频率范围0~2500Hz,每个单胞均采用平面应变假设,将相对的两边界作为一组施加Floquet 周期性边界.采用Comsol Multiphysics 5.4©的压力声学模块进行声屏障传输特性计算,建立数值分析模型,将数值分析的结果与室内实验结果对比,可以起到相互验证的作用,以往对于声子晶体的传输计算均采用周期性边界以模拟在无限长度下的理想状态,这种方式不仅可以有效的减少网格划分数量,降低机器的运算负担提高效率,还可以表示声屏障的最佳降噪效果.将四排散射体按正方晶格周期排列在长方形波导中,上下采用连续性边界,模拟Y 方向上的无限周期,波导左侧设置背景压力场,入射波为未考虑车辆扰流的幅值为1pa 的平面波.并采用自由三角形划分网格L FEmax ≤λ/6[24].(a)无限周期传输谱(b)有限周期传输谱图2 有限元传输谱设计Fig.2 Design of FEM transmission spectrum但是现实中的声子晶体声屏障是具有有限宽度的,宽度的差异对于噪声的控制效果会产生一定影响,为了减少这种差异,同时建立与室内实验等同的有限宽度声屏障模型.将4排声屏障布置在区域中央,为了模拟半消声实验室的条件,计算区域周围由PML(完美匹配层)包裹以考虑Sommerfeld 辐射条件[7,24],采用背景压力场向区域内垂直发射未考虑车辆扰流的幅值为1pa 的平面波,模型布置与具体尺寸参数见图2.在这3种方案中,均通过插入损失(IL)来评估声屏障对噪声的控制效果(公式6).5496 中 国 环 境 科 学 40卷out 10inIL=20log (dB)P P − (6) 式中:P in 、P out 分别为声屏障插入前后的声压大小.1.4 半消声实验(a)侧视图 (b)俯视图图3 室内实验布置Fig.3 Scheme of the indoor experiment图4 (a) 空心型能带结构;(b) 开口型能带结构;(c) 组合型能带结构Fig.4 (a) Hollow type band structure; (b) Open type band structure; (c) Combined type band structure12期 秦晓春等：声子晶体型高速公路声屏障的降噪性能 5497声子晶体型声屏障作为一种新兴的方式,尚没有被纳入我国规范[11]中公路声屏障分类,国际上对于其标准化测试方法也在探索中[16-17],本文为方便与传统声屏障降噪效果进行对比,依据HJ/T90-2004声屏障测试规范及JT/T646.5-2017公路声屏障降噪效果检测方法[10-11]进行测试.实验在交通运输部环境中心(8×5×4)m 3的半消声实验室内进行,该实验室截止频率为50Hz,背景噪声为20dB.为研究二维气-固声子晶体声屏障的实际降噪效果,在半消声实验室中模拟半自由场条件,对3种回收废旧钢立柱制成的声子晶体声屏障模型进行室内半消声波动实验.在距离声屏障前1.5m 、高1.2m 处利用MHY -14324型12面体声源及HA12-AWA5870A 型功率放大器连续发射70dB(A)的白噪声,由LMS b™噪声测试分析系统测定接收端的噪声声压级,接收端的位置分别布置在屏障后d =1.5m 、3m,高1.2m 处,面向声源中心,参考点布置在声屏障正上方靠近尖劈处,分别测试声屏障安装前后声压级,测量63~5000Hz 的1/3倍频带,并采用A 计权等效声级的插入损失进行比较(公式7).实验设计如图3所示,同时声屏障的布置应靠近尖劈处,以减少绕射声可能产生的影响.这种实验布置与仿真模拟相结合的方式在近年来被大量使用,与数值模拟预测的结果有很好的吻合性[7,24]. r,b r,a IL=L L − (7) 式中:L r,b 与L r,a 为受声点安装声屏障前后的声压级,均采用A 计权等效声压级. 2 结果与讨论 2.1 能带结构沿着高对称方向(ΓΧ-ΧΜ-ΜΓ)扫描所得三种能带结构曲线如图4所示,完全带隙与方向带隙遍布在0~2500Hz 频率范围内.完全带隙(深蓝色矩形)表明弹性声波在该频段内无相对应的波矢,声波无法在该周期型结构中的任何方向进行传播[9],()Ⅰ存在两条,分别位于70~109Hz 以及801~1132Hz.低频带隙的产生主要是因为钢与空气之间的阻抗差异巨大,导致阻抗失配[16,21].而高频带隙的产生主要是因为散射体之间发生了多次Bragg 反射,从而导致相消干涉,结构的周期性起到了主导的作用.(Ⅱ)存在2条,分别位于315~502Hz 以及840~1130Hz,其中第一完全带隙的带宽显著增加,这是由于散射体开口形成赫姆霍兹共振腔,产生低频吸声共振的缘故.根据公式2(赫姆霍兹共振频率)[17]计算可得带隙中心频率为375.3Hz,与能带结构基本符合.()Ⅲ存在3条,分别位于73-118Hz 、840-910Hz 以及1410- 2175Hz.(Ⅲ)单胞填充率相较于前2个方案有所提高,导致散射体之间反射作用加强,带隙起始、终止频率升高,带隙宽度增加.而对于方向带隙,其主要存在于ΓΧ、ΧΜ方向的各频段范围内,表明在此方向声波无法传播,方向带隙同样可以起到控制噪声的作用.综上可知,带隙主要是在Bragg 散射与共振的双重作用下产生,将二者合理结合可以实现多频率范围内的减振降噪.在大型车辆居多的高速公路低频噪声会显著增加,相反小型车辆为主的高速公路高频噪声会显著增加(表1),对于这2种情况,分别采用(Ⅱ)、(Ⅲ)改进方案可以起到很好的改进作用. 2.2 能带结构影响因素采用COMS OL Multiphysics 压力声学模块.对于散射体的壁厚、开口角度大小及晶格填充率这三个因素进行研究,分析它们对于带隙的影响规律与作用机理.2.2.1 散射体壁厚 如图5所示,在(I)声屏障模型中,散射体壁厚对于起始频率、截止频率以及带隙宽度的影响不显著. 这是由于钢的声阻抗要远远大于空气,所以当声波从空气基体中传播到钢管散射体上时,会在界面上发生全反射,对于钢管内部不会产生任何的影响,声波无法在钢管内传播,钢管内空气无法响应外界的波动,因此,壁厚对于带隙宽度影响可以忽略.但是散射体在空心状态下相较实心,会增加一条低频完全禁带,这是散射体在低频产生共振的结果[17,25],这也与Morandi 等[16]关于PVC 管散射体的研究结果相类似.在实际应用中,减小散射体的壁厚,对于结构的轻便、易于加工以及材料节约、成本降低有着重要的意义,所以应适当的减小散射体壁厚.此外,采用废旧钢立柱作为散射体,“变废为宝”,相较于以铝塑、彩钢复合板为主要材料的声屏障,大幅节约了材料与施工成本.2.2.2 开口角度尺寸 开口角度对于完全禁带的影响如图6所示,在(Ⅱ)声屏障模型中,随着散射体开口角度的增大,共振带隙(第1完全禁带)的起始与终止频率均逐渐升高,带隙宽度逐渐增加,Bragg 带隙5498 中 国 环 境 科 学 40卷(第2完全禁带)宽度略微缩小.对散射体进行开口处理,使钢管内部形成赫姆霍兹共振吸声腔,声波通过散射体开口进入钢管,与开口处的空气及内部空间之间产生共振,使部分声能转换成热能,从而消耗声能,达到降噪的目的.在实际工程中,将开口处理与周期性阵列相结合,可以有效地提高声屏障的低频降噪性能,尤其适用于以大型车辆为主,低频噪声较大的高速公路.0 1 2 3 4 5 6 7 85001000 1500频率(H z )壁厚(cm)第1完全禁带第2完全禁带图5 壁厚对能带结构的影响Fig.5 The influence of wall thickness on band structure0 5 10 15 20 2530 35 40 45 50 55605001000 1500第1完全禁带第2完全禁带频率(H z )角度(°)图6 开口角度对能带结构的影响Fig.6 The influence of opening angle on band structure2.2.3 晶格填充率 对于()Ⅲ声屏障,保持晶格常数不变,通过改变散射体半径来满足不同的填充率,分析填充率对于完全禁带的影响.由图7可知,在填充率为0~0.5时,能带结构中不存在完全禁带;填充率>0.5时,高频开始出现完全禁带,且随着填充率的逐渐增加,起始频率先增加后降低,终止频率一直增加,导致带隙宽度不断加大,当填充率>0.6时,能带结构图中增加两条完全禁带,且随着填充率的增加,带隙宽度均不断加大,并且起始、终止频率均有向低频移动的趋势,当填充率达到0.785(正方晶格最大填充率)时,完全禁带数量最多,带隙宽度最宽.由此可知填充率的大小对于带隙产生有决定作用,完全禁带只有在填充率达到一定程度后才可出现,且随着填充率的增大,完全禁带先出现在高频,后出现在较低频段.随着填充率的增大,带隙总宽度明显增加.究其原因是由于刚体共振与基体间的相互作用增强而引起的,随着填充率的增加,相邻散射体之间的相互作用增强,所以完全带隙的数量与宽度增加.在实际工程中,在考虑成本与施工过程的情况下,需保证一定填充率,以满足足够范围的降噪要求,()Ⅲ对于高频轮胎-路面噪声具有较好的针对作用.0.40.50.6 0.7 0.805001000150020002500第3完全禁带第2完全禁带 第1完全禁带频率(H z )填充率图7 填充率对能带结构的影响Fig.7 The influence of filling rate on band structure2.3 降噪效果分析2.3.1 无限与有限周期仿真结果对比 为了进一步分析声子晶体声屏障降噪效果与能带结构、周期数之间的关系,将d =1.5m 时无限周期声屏障与有限周期声屏障的插入损失曲线进行对比分析.图8中,各曲线衰减域与能带结构中的带隙基本吻合,验证了能带结构计算的正确性,同时说明方向带隙也具有良好的降噪效果,甚至优于完全带隙,例如在1410~1755Hz,()Ⅰ组为ΓΧ方向带隙,而(Ⅲ)为完全带隙,而()Ⅰ组降噪效果优于()Ⅲ组.虽然方向带隙同样可以有效控制弹性波,但是其控制方向有限,而现实中波的入射方向又多种多样,因此还应尽可能多的构造完全带隙.其次,声子晶体作为周期型材料,周期数对于声波的控制效果起着至关重要的作12期秦晓春等：声子晶体型高速公路声屏障的降噪性能 5499用[9,11-12,17],一般来说,周期数越大,越接近无限周期,控制效果就越好[7,26].因此相较于无限周期条件(声屏障宽度无限长),有限宽度声屏障的插入损失曲线会有所下降,从图8中看,增加周期数可以使衰减峰向高点移动,有效提高声子晶体声屏障的降噪效果.图9中声波在经过声屏障后衰减明显.0 500 1000 1500 200020 40 60 80 100 120140 插入损失(d B )频率(Hz)I II III i ii iii图8 无限与有限周期声子晶体声屏障插入损失对比Fig.8 Comparison of the insertion loss between infinite andfinite period sonic crystals noise barriers小写罗马数字代表无限周期声屏障对于要长距离布置的高速公路声屏障来说,进行无限周期声子晶体的插入损失分析是非常必要的,便于了解声子晶体声屏障的最佳降噪效果,确定合理的周期数.图9 无限周期声屏障传输谱云图Fig.9 Transmission spectrum of infinite period noise barrier(a) 1000Hz;(b)350Hz;(c) 2000Hz2.3.2 有限周期仿真与室内实验结果对比 采用d =1.5m 时的1/3倍频程等效A 声级插入损失进行对比,由图10可知,有限元仿真与室内实验二者结果吻合良好,仿真与实验所测数据误差控制在3dB 以内,二维仿真计算忽略了地面对于声波的反射作用,声屏障顶端的部分绕射以及材料属性的差异都是造成误差的可能因素[7,15,26],尽管如此,数值结果依旧准确反映了声子晶体对于噪声的控制规律.3种声屏障在带隙范围内均有良好的降噪效果,图11中对于2种改进型,(II)在250~500Hz 的低频段中,最大插入损失可达22.5dB,较(Ⅰ)提高了4.3~19.6dB,有效提高了声屏障在低频时的表现.()Ⅲ在1100~1600Hz 间,则有效弥补了()Ⅰ的降噪性能不足,但是在1600~ 2000Hz 范围内,两者的插入损失差距不大,提升效果有限.在2000~5000Hz 范围内,3种声子晶体声屏障降噪效果均在5dB 左右波动,效果不佳.10002000 3000 4000 50000510152025插入损失(d B (A ))1/3倍频程中心频率(Hz)图10 有限周期仿真与室内实验插入损失对比 Fig.10 Comparison of the insertion loss of finite periodsimulation and indoor experiment将3种声子晶体声屏障的降噪效果与0.1m 厚铝塑复合板声屏障的进行对比,可以看出在低中频带隙范围内,声子晶体型声屏障降噪表现普遍优于复合板声屏障,特别是在(II)的低频带隙内,降噪效果提升1~16dB,但是在高频带隙内,降噪效果提升有限,在1~2dB,而在1600Hz 以后的频率范围,声子晶体声屏障的降噪效果不及复合板声屏障,究其原因是周期数主导着声子晶体声屏障的降噪效果,根据无限与有限周期仿真对比的结果,增加周期数(声屏障宽度)可以有效改善其降噪性能.声子晶体型声屏障虽具有典型弹性波带隙特征,可以有效针对特定噪声频率,但是其对于噪声的控制效果依赖于周期数,因5500 中 国 环 境 科 学 40卷此在实际工程中不适宜短距离布设.采用废旧钢立柱回收建立的声子晶体声屏障实现了绿色循环与新型降噪理念的结合,相对复合板声屏障,具有针对性好、美观性高、耐久、成本低的特点,在未来的高速公路降噪中具有广泛的应用前景,但是如何进一步减少占地面积,缩小声屏障尺寸,对多种降噪机理进行有效结合仍是将来研究需要关注的方向.(a)1000Hz(b)350Hz(c)2000Hz图11 不同频率下有限周期声屏障传输云图对比 Fig.11 Comparsion of transmission spectrum of finite periodnoise barrier at different frequency3 结论3.1 无限、有限周期声子晶体声屏障模型均可以准确反应理论能带结构.经过设计的声子晶体声屏障可以在所需降噪频段内产生相应的完全禁带,例如高速公路噪声中的250~500Hz 及800~1250Hz 主要频段,相较同规格复合板声屏障,降噪更具有针对性,声子晶体声屏障在带隙范围内,低频降噪效果提升1~16dB,高频降噪效果提升1~2dB,(Ⅱ)在低频范围效果最好,(Ⅰ)、(Ⅲ)在高频范围降噪效果提升有限,甚至不及复合板声屏障,降噪效果受周期数影响较大,实际工程中需设置足够周期以保证其降噪效果. 3.2 散射体采取空心结构,有利于在低频产生一条共振完全带隙,但是壁厚的大小对于带宽影响很小.对于散射体进行开口处理,形成共振腔,能够在低频形成一条宽带,随着开口角度的增大,低频带隙宽度增加.填充率对带隙宽度影响显著,晶格填充率>0.5时,从高频至低频依次产生完全禁带,且随着填充率的增加,带隙总宽度变大.参考文献：[1] 李 楠,冯 涛,李贤徽,等.交通噪声地图的声源反演及修正计算[J]. 中国环境科学, 2013,33(6):1081-1090.Li N, Feng T, Li X H, et al. 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Xian: Chang’an University, 2003.[6]周立群,韩 健,何 宾,等.V 型减载式声屏障降噪特性的试 验研究 [J]. 噪声与振动控制, 2018,38(6):199-204.Zhou L Q, Han J, He B, et al. Experimental study on noise reduction characteristics of V -type deloading noise barriers [J]. Noise and Vibration Control, 2018,38(6):199-204.[7] Cavalieri T, Cebrecos A, Groby J P, et al. Three -dimensionalmultiresonant lossy sonic crystal for broadband acoustic attenuation: Application to train noise reduction [J]. Applied Acoustics, 2019, 46(3):1-8.[8] Peiró-Torres, M.P, Redondo J, Bravo J M, et al. Open noise barriersbased on sonic crystals. Advances in noise control in transport infrastructures [J]. Transportation Research Procedia, 2016,18:392- 398.[9] 温熙森.声子晶体 [M]. 北京:国防工业出版社, 2009.Wen X S. Phononic crystals [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009.[10] JT/T 646.5-2017 公路声屏障降噪效果检测方法 [S].JT / T 646.5-2017 Detection method of noise reduction effect of highway sound barrier [S].。
1土力学的发展(岩土力学)
第32卷第12期 岩 土 力 学 V ol.32 No.12 2011年12月 Rock and Soil Mechanics Dec. 2011收稿日期：2010-12-13基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（No. 2010CB732100）；国家自然科学基金资助项目（No. 51078019）；北京市自然科学基金资助项目（No. 8112024）。
第一作者简介：赵成刚，男，1955年生，博士，教授，主要从事理性土力学、非饱和土力学及多场耦合理论等方面的研究工作。
E-mail: cgzhao@文章编号：1000－7598 (2011) 12－－20土力学理论的发展和面临的挑战赵成刚1，韦昌富2，蔡国庆1（1.北京交通大学 土木建筑工程学院岩土工程系，北京 100044;2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）摘 要：随着社会经济的不断发展，土力学所要分析和处理问题的范围越来越广，问题本身也越来越深入和复杂。
这些问题主要是由于土与环境的相互作用而产生的。
为了分析和处理这些问题，经典土力学需要拓宽和深入发展，它应该包含一些新的现象和新的变量以及相应的新理论。
论述了土力学所面临的三大挑战，即①没有严格、统一和完备的土力学理论；②对更具一般意义的非饱和土的行为的研究不够充分，现有的认识也不完善；③没有在多种环境作用下土的统一和完备的多场耦合理论。
还论及了其他一些超出经典土力学范围的问题。
关 键 词：经典土力学理论的局限性；非饱和土力学；土体多场耦合理论 中图分类号：TU 41 文献标识码：AThe new development and challenge for soil mechanicsZHAO Cheng-gang 1, WEI Chang-fu 2, CAI Guo-qing 1(1. Department of Geotechnical Engineering, School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. State Key Laboratory ofGeomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)Abstract: With the development of society and economy, the range of the engineering problems that soil mechanics has to deal with is increasing, and these problems also become more and more complicated due to the interaction between the soils and the environment. In order to deal with these problems, the classical soil mechanics is required to be generalized and developed in depth and scope to incorporate the effects of new phenomena and new variables on soil behaviours. Based on a historical review of the development of soil mechanics, it is suggested that the classical soil mechanics faces three challenges: (1) lack of a unified, rational and theoretical framework of soil mechanics; (2) the knowledge and understanding of unsaturated soil behaviours is insufficient; (3) lack of a unified, rational and theoretical framework for multi-field coupling problems of soils under multiple environmental actions. Finally, some problems beyond the scope of the classical soil mechanics are discussed.Key words: the limits of the classical soil mechanics; unsaturated soil mechanics; multi-field coupling theory for soils1 引 言土力学理论经过近一个世纪的发展，已经取得了巨大的进步。
高速列车运行引起的墩顶垂向动反力特征分析
高速列车运行引起的墩顶垂向动反力特征分析
作者：时瑾， 柴晓冬， 王英杰， 方文珊， SHI Jin， CHAI Xiaodong， WANG Yingjie， FANG Wenshan
作者单位：时瑾,王英杰,方文珊,SHI Jin,WANG Yingjie,FANG Wenshan(北京交通大学土木建筑工程学院,北京
,100044)， 柴晓冬,CHAI Xiaodong(上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海,201620)
刊名：
同济大学学报（自然科学版）
英文刊名：Journal of Tongji University(Natural Science)
年，卷(期)：2015,43(2)
引用本文格式：时瑾.柴晓冬.王英杰.方文珊.SHI Jin.CHAI Xiaodong.WANG Yingjie.FANG Wenshan高速列车运行引起的墩顶垂向动反力特征分析[期刊论文]-同济大学学报（自然科学版） 2015(2)。
开敞式拱形波纹钢屋盖的风压分布及体型系数研究
开敞式拱形波纹钢屋盖的风压分布及体型系数研究贾永新张勇（北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044）摘要：历次风灾表明，轻钢低矮房屋（如开敞式拱形波纹屋盖仓库）在风灾中破坏尤为严重。
因此，本文通过对几种常见的工程参数组合下的开敞式金属拱型波纹屋盖结构进行系统的单参数及正交试验分析，得到这类结构屋盖上的风压分布规律，以及对此类结构体型系数影响显著的参数，然后参照我国现行《建筑结构荷载规范》，给出这类拱形波纹屋盖结构的体型系数，从而为修订新的荷载规范积累资料和方便设计施工人员参考使用，在减少风灾对人类造成的损失方面具有实际意义。
关键词：开敞式，拱型波纹屋盖结构；正交分析；风压分布；体型系数Study on Wind Pressure Distribution And The Shape Coefficient ofOpen-style Arched Corrugated RoofJia Yongxin , Zhang Yong（School of Civil Engineering and Architecture，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）Abstract: In this paper, through the single parameter and orthogonal test analysis of the open-arched corrugated metal roof structure under several common parameter combination, obtained such structure distribution of wind pressure, as well as the parameters of affecting such structures’shape coefficient significantly. Finally, reference to the China's current "Building Structural Load Code", gives the shape coefficient of such structure, In order to accumulating the information for the code Amendment and providing convenience for designers.Keywords：open-type; arched corrugated steel roof; orthogonal analysis; wind pressuredistribution; shape coefficient of building1.引言拱形波纹钢屋盖是一种冷弯薄壁空间钢结构，以其用钢量小、造价低廉、施工速度快、防水性能好及造型优美等突出优点，而具有良好的经济效益和应用前景。
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土木工程（城市轨道工程）专业培养计划
第一部分培养方案
一、学制
标准学制：4年；学习年限：3-6年。
二、授予学位
工学学士学位。
三、毕业和学位要求
修满本培养计划规定学分并符合《北京交通大学本科生学籍管理规定》要求的学生，可获得土木工程（城市轨道工程）专业本科毕业证书。
符合毕业要求并达到《北京交通大学授予普通本科毕业生学士学位实施细则》要求的学生，经学校学位委员会审核批准，可授予工学学士学位。
四、专业定位
面向城市轨道交通工程建设，依托桥梁与隧道工程、道路与铁道工程两个国家级重点学科，在宽口径土木工程专业基础教育的基础上，强化城市轨道交通工程领域的特色教育。
力争在国内同类专业中处于一流水平，并不断提高国际知名度。
五、培养目标
培养适应经济建设需要，具有较高的道德修养、人文素养和较强的社会责任感，较强的实践能力和创新精神，掌握当代自然科学基础知识、外语与计算机应用基本技能、坚实的当代土木工程学科的基础知识和基本原理以及城市轨道交通运营与管理的基本知识，获得工程师良好训练，能够胜任城市轨道工程领域的规划、设计、施工、管理和研究开发工作，并具有继续学习的能力、组织协调能力、创新能力、团队精神和国际视野，以及能够引领城市轨道工程领域科技发展的潜质的创新工程型高级专门人才。
六、培养标准及实现矩阵
表1 培养标准及实现矩阵
七、课程体系及学分分配
1.课程体系
2.学分分配
表2 课程体系及学分分配
3、课程体系说明及学生选课注意事项
①课程体系包括理论教学和实践教学，其中实践教学包括实验、实习（实践）、课程设计和毕业
设计。
实习、课程设计和毕业设计等实践环节单独设置。
②每个学生必须完成的实践环节至少包括所有的必修实验学时、社会实践2周、课程实习3周、
认识实习1周、生产实习2周、课程设计6周、毕业实习和毕业设计16周，其中毕业实习是为完成毕业设计收集资料、了解现场所需要的实践环节，根据毕业设计选题由指导老师确定并进行安排。
③计算机选修课要求至少选修一门程序设计语言并完成相应的1周的课程设计。
④本培养计划前两年的必修课程要求是相同的。
学生应在第四学期结束前确定专业或专业方向
（主修方向），并根据主修方向选修后续课程。
⑤每个学生应在通识课中选修1门经济类课程和一门环境或可持续发展类课程。
⑥每个学生四年中应至少选修完成1项科研训练项目（包括竞赛、大学生创新创业训练计划项
目等）。
⑦每个学期所选课程的总学分建议23学分左右，但不得超过28学分。
⑧未获得学分的数学、物理和专业主干课超过3门的学生不建议选修后续课程。
八、主干课程
表3 专业主干课程
第二部分指导性教学计划一、教学进程计划
表4 教学进程计划
二、教学执行计划
第三学期（第二年度秋季）
第四学期（第二年度春季）
附件1：大学生创新创业训练计划项目
附件2：大学生学科竞赛。