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基于DC-Unet的混凝土桥梁表观裂缝识别方法

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长安大学学报（自然科学版） 2024年第3期44卷 66-75页

作者：马亚飞孙文康何羽王磊长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114

为解决服役混凝土桥梁表观损伤检测存在误检率高、受背景噪声影响大等问题,提出一种基于DC-Unet的表观裂缝识别方法。首先,使用密集残差连接模块(DRCM)替换U-net模型中每次下采样和上采样前以及最后1×1卷积前的卷积操作,增加了模型深度... 详细信息

为解决服役混凝土桥梁表观损伤检测存在误检率高、受背景噪声影响大等问题,提出一种基于DC-Unet的表观裂缝识别方法。首先,使用密集残差连接模块(DRCM)替换U-net模型中每次下采样和上采样前以及最后1×1卷积前的卷积操作,增加了模型深度;其次,在模型第1次上采样前的位置融入空洞空间池化金字塔模块,扩大了模型感受野,提升了模型获取多层次表观裂缝特征的能力;最后,将结合了空间和通道的注意力模块以残差连接的方式融入DRCM结构中,提高了模型对表观裂缝特征区域的关注,使用Labelme软件标注50张3 648像素×2 736像素分辨率的表观裂缝图像,基于窗口滑动算法构建了包含1 347张混凝土表观裂缝图像及标签图像的TimCracks数据集,将提出的表观裂缝识别方法与U-net模型、SegNet模型、U-net++模型、传统OTSU阈值分割算法和基于Canny算子的边缘检测算法进行了比较。结果表明:提出的方法能准确分割识别混凝土桥梁表观裂缝,具有精度高和抗噪性好等优势,在表观裂缝图像背景存在涂层干扰及不光滑褶皱状况下均可有效降低误检率,裂缝识别准确率、交并比和F_(1)-score分别达96.28%、73.80%和84.91%,3个评价指标较U-net模型、SegNet模型、U-net++模型均有提升,与传统裂缝分割算法相比,提出的DC-Unet网络解决了传统方法的误检问题,能将裂缝从涂层背景中有效分割。

关键词：桥梁工程混凝土裂缝 U-net结构密集残差连接空洞空间池化金字塔损伤检测

击实和三轴压缩条件下炭质泥岩的颗粒破碎及力学响应研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第3期55卷 1120-1131页

作者：刘琼曾铃查焕奕陈佳艳卞汉兵长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114 长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410114 法国里尔大学土木工程与岩土环境工程实验室法国里尔59000

为充分认识炭质泥岩的颗粒破碎行为及力学特性,对不同粗粒质量分数的炭质泥岩在最佳击实状态下的破碎程度进行三轴剪切试验,分析粗粒质量分数对炭质泥岩粒径级配及力学性能的影响规律,明确炭质泥岩颗粒破碎与围压、粗粒质量分数间的关... 详细信息

为充分认识炭质泥岩的颗粒破碎行为及力学特性,对不同粗粒质量分数的炭质泥岩在最佳击实状态下的破碎程度进行三轴剪切试验,分析粗粒质量分数对炭质泥岩粒径级配及力学性能的影响规律,明确炭质泥岩颗粒破碎与围压、粗粒质量分数间的关系。研究结果表明:在压实过程中,炭质泥岩存在明显的颗粒破碎现象,且粗粒质量分数越高,其颗粒破碎越明显;炭质泥岩的水敏性远大于硬质岩的土石混合体的水敏性,击实曲线更陡峭,且在粗粒质量分数为60%时具有最佳的击实状态;随着粗粒质量分数增大,炭质泥岩的抗剪强度呈现出先增长后减小的趋势,且在粗粒质量分数为60%时黏聚力达到最大,内摩擦角与粗粒质量分数呈负相关;当粗粒质量分数较小时,炭质泥岩抗剪强度主要由细粒间的黏聚力及粗粒与细粒间的咬合力提供,粗粒破碎较少;随着粗粒质量分数增大,试样中颗粒破碎现象更明显,颗粒间重新分布和咬合使其内摩擦力逐渐增大,抗剪强度由粗粒破碎及粗粒与细粒间的咬合力提供,细粒间的黏聚力较小;炭质泥岩的颗粒相对破碎率随围压、粗粒质量分数的增大而增大,且相对破碎率与粗粒质量分数和围压之间存在非线性关系。

关键词：路堤工程炭质泥岩颗粒破碎力学特性相对破碎率

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红黏土裂隙湿化自愈行为及强度影响机制

中国公路学报 2024年第6期37卷 157-168页

作者：高乾丰吴昕阳曾铃余慧聪余涵长沙理工大学特殊环境道路工程湖南省重点实验室湖南长沙410114 长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410114 长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114

许多黏性土在干缩开裂后受湿化作用会呈现裂隙自愈现象。为探究红黏土裂隙自愈行为及其对土体强度特性的影响机制,基于摄影识别与数字图像相关技术,分析湿化过程中红黏土试样顶面裂隙自愈与应变演化规律;并开展单轴拉伸试验与直剪试验,... 详细信息

许多黏性土在干缩开裂后受湿化作用会呈现裂隙自愈现象。为探究红黏土裂隙自愈行为及其对土体强度特性的影响机制,基于摄影识别与数字图像相关技术,分析湿化过程中红黏土试样顶面裂隙自愈与应变演化规律;并开展单轴拉伸试验与直剪试验,获取不同条件下红黏土的抗拉强度、抗剪强度及指标恢复率。最后采用扫描电镜观察裂隙自愈前后试样的微观形貌,阐明红黏土裂隙自愈及强度影响机制。结果表明:红黏土在湿化条件下表现出裂隙自愈行为,自愈过程中压应变区域不断向裂隙靠近,裂隙率快速减小并趋于稳定,裂隙自愈率可达90%以上;随饱水湿化时间增加,含裂隙红黏土的抗拉强度小幅提升,此时土表裂隙痕迹几乎消失;湿化条件下土颗粒膨胀程度有限,裂隙宽度越大其愈合难度越高,抗拉强度恢复程度也越低;裂隙深度增加后裂隙自愈率小幅提升,抗拉强度与黏聚力的恢复率增加,内摩擦角恢复率先减小后稳定;裂隙自愈主要源于土颗粒膨胀变形后引起裂隙两侧壁相互黏结,以及土颗粒崩解剥落后对裂隙的填充效应;由于细小颗粒与水混合后可能吸附在裂隙内形成假愈合现象,且土颗粒膨胀崩解将影响土体强度,故尽管表观上裂隙愈合程度良好,但抗拉强度与抗剪强度指标仅小幅恢复。

关键词：路基工程红黏土微观机制裂隙自愈强度特性

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车道车型分布差异对隧道疏散时间的影响

清华大学学报（自然科学版） 2024年第6期64卷 1007-1015页

作者：刘顶立李颖徐志胜刘伟军黄遥长沙理工大学交通运输工程学院长沙410114 中南大学土木工程学院长沙410075

疏散仿真模拟是研究隧道安全的重要方式。现有公路隧道疏散仿真模拟研究均假定不同车型在各车道分布比例是均匀的,忽视了各车道车型分布差异及车辆随机分布对疏散时间的影响。该文提出了基于车道车型分布差异的隧道车辆随机布置算法,并... 详细信息

疏散仿真模拟是研究隧道安全的重要方式。现有公路隧道疏散仿真模拟研究均假定不同车型在各车道分布比例是均匀的,忽视了各车道车型分布差异及车辆随机分布对疏散时间的影响。该文提出了基于车道车型分布差异的隧道车辆随机布置算法,并开发了对应的公路隧道火灾及疏散模拟车辆随机布置(RAVT)系统。综合运用RAVT及疏散仿真模拟软件Pathfinder,以两车道隧道和三车道隧道为研究对象,共设置12种场景,进行240次模拟,分析了车辆极度拥堵(车距1.5 m)、拥堵(车距5 m)、非拥堵(车距60 m)情形下车道车型分布差异及车辆随机分布对疏散时间的影响。研究结果表明:车辆极度拥堵和拥堵时,车道车型分布差异及车辆随机分布对疏散时间的影响很大。在车辆数量及车型比例均相同的情况下,不同的车辆分布方式可对疏散时间造成较大的差异,疏散时间最大值和最小值相差百分比最大达59.76%。建议学者或工程师开展隧道疏散仿真模拟时须考虑车道车型分布差异及车辆停靠随机性的影响。该文研发的算法及系统、采用的疏散仿真模拟方法提升了隧道疏散仿真模拟的准确性和可靠性。

关键词：公路隧道车道车型分布车辆随机分布疏散仿真模拟

端部嵌贴CFRP板加固钢筋混凝土结构的斜嵌段粘结性能试验

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复合材料学报 2024年第2期41卷 871-883页

作者：娄逸群彭晖兰川云丑佳璇长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室长沙410114 长沙理工大学土木工程学院长沙410114

端部嵌贴预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)板加固混凝土结构是一种高效经济的新型混凝土结构加固方法,端部嵌贴段的CFRP与混凝土的粘结性能是锚固预应力CFRP、确保加固效果充分发挥的关键因素。为确定端部嵌贴段中斜向嵌贴段CFRP-混凝土... 详细信息

端部嵌贴预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)板加固混凝土结构是一种高效经济的新型混凝土结构加固方法,端部嵌贴段的CFRP与混凝土的粘结性能是锚固预应力CFRP、确保加固效果充分发挥的关键因素。为确定端部嵌贴段中斜向嵌贴段CFRP-混凝土的界面粘结性能,本文开展9个单剪拔出试验,研究了斜嵌段的粘结性能。通过设计混凝土棱柱试件,研究了斜槽角度、CFRP板埋深、CFRP板粘结长度对斜向嵌贴界面粘结性能的影响,并基于试验结果构建了CFRP板-混凝土局部界面的粘结-滑移关系模型。试验结果表明:随斜槽角度增大,试件的承载力及CFRP-混凝土局部界面断裂能也在逐渐增大。CFRP-混凝土界面粘结性能随CFRP埋深比增加而明显增加,并在埋深比为50%时达到最大,此后不再明显变化。基于试验结果所建立的粘结-滑移模型能较准确地模拟出CFRP板在混凝土斜槽中的受力过程。

关键词：端部嵌贴 CFRP 单剪拔出粘结性能粘结-滑移本构关系

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湿热力作用下粉砂质泥岩开裂特性研究

湖南大学学报（自然科学版） 2024年第1期51卷 126-136页

作者：曾铃郭雨查焕奕高乾丰黎繁卞汉兵桥梁工程安全控制教育部重点实验室(长沙理工大学) 湖南长沙410114 长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114 长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410114

为探究湿热力作用下粉砂质泥岩的开裂特性,开展裂隙演化试验,得到湿热力单因素及多因素耦合循环作用下粉砂质泥岩的裂隙演化规律,同时利用X射线衍射、扫描电镜研究其微观结构变化特征,分析宏观和微观试验结果关联性,揭示湿热力作用下粉... 详细信息

为探究湿热力作用下粉砂质泥岩的开裂特性,开展裂隙演化试验,得到湿热力单因素及多因素耦合循环作用下粉砂质泥岩的裂隙演化规律,同时利用X射线衍射、扫描电镜研究其微观结构变化特征,分析宏观和微观试验结果关联性,揭示湿热力作用下粉砂质泥岩裂隙扩展机制.研究结果表明:粉砂质泥岩裂隙发育表现为增长-平缓趋势;在单因素循环作用中,湿度循环(浸水~烘干)最易造成粉砂质泥岩开裂,温度循环(5~60℃)次之,荷载循环(0~50 kPa)最弱;在多因素耦合循环作用中,裂隙发育程度排序为:湿热力>湿热>湿力>热力,验证了湿度循环致裂性最强的结论.湿热力耦合循环作用15次后裂隙率达0.92%,裂隙条数增至30条,平均长度延伸至60.58 mm,而平均宽度稳定在0.47 mm左右.孔隙率与裂隙率的灰关联度最大,为0.813,即微观结构变化中孔隙发育与裂隙扩展的关联程度最大.湿热力耦合循环作用中,湿度循环引起黏土矿物晶层间距变化,导致颗粒破碎、孔隙扩张形成微裂隙,温度循环使试样产生差异性热应力、水分分布,促使微裂隙发育贯通,荷载作用增加尖端应力,最终导致裂隙网络形成.

关键词：边坡工程粉砂质泥岩湿热力作用裂隙发育微观结构

自研高性能胶胶粘CFRP-钢界面性能的温度影响机制

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复合材料学报 2024年第2期41卷 925-936页

作者：李传习高有为王孝耀李游司睹英胡长沙理工大学土木工程学院长沙410114 广西大学土木建筑工程学院南宁530005 湖南工业大学土木工程学院株洲412007

粘结界面是碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构的薄弱环节,受胶粘剂和温度影响显著。为深入了解自研高性能胶胶粘CFRP-钢界面性能的温度影响机制,制作了28个CFRP-钢双搭接试件,开展了自研高性能胶粘剂G3和典型商品胶粘剂Sika30分别在7... 详细信息

粘结界面是碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构的薄弱环节,受胶粘剂和温度影响显著。为深入了解自研高性能胶胶粘CFRP-钢界面性能的温度影响机制,制作了28个CFRP-钢双搭接试件,开展了自研高性能胶粘剂G3和典型商品胶粘剂Sika30分别在7种环境温度下(-20℃、-5℃、10℃、25℃、40℃、55℃和70℃)的拉伸剪切试验。分析了试件的破坏模式、极限承载力、荷载-位移曲线、界面剪应力及粘结-滑移曲线等。结果表明:随温度升高,胶粘剂强度降低,韧性增加;当温度接近或超过胶粘剂玻璃转化温度,胶体性能急剧下降,搭接试件的破坏模式由CFRP层离破坏变为钢-胶界面破坏,界面性能显著降低;G3试件的低温性能与Sika30试件相当,但G3胶粘剂试件的高温性能显著优于Sika30胶粘剂试件;试件在低温环境下的界面性能较25℃显著降低,胶粘CFRP加固钢结构需考虑低温下加固系统脆化产生的不利影响。

关键词：桥梁加固界面性能高性能胶粘剂环境温度粘结-滑移关系

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基于元学习的结构损伤定位与量化

中国公路学报 2024年

作者：王磊黄杜康马亚飞黄可长沙理工大学土木工程学院

针对现有基于深度神经网络的结构损伤识别方法需要大量标记数据的不足，本文提出了一种基于元学习的结构损伤定位和量化方法。首先，基于人工神经网络建立结构损伤定位和量化模型，学习结构模态参数（频率、振型）与刚度参数之间的非线... 详细信息

针对现有基于深度神经网络的结构损伤识别方法需要大量标记数据的不足，本文提出了一种基于元学习的结构损伤定位和量化方法。首先，基于人工神经网络建立结构损伤定位和量化模型，学习结构模态参数（频率、振型）与刚度参数之间的非线性映射关系；其次，利用模型无关元学习方法训练损伤定位和量化模型，优化人工神经网络的初始权值参数，以提升损伤定位和量化模型在少量数据下的泛化性能；最后，在少量模态数据下基于训练模型进行快速学习，实现结构损伤的定位与量化。本文方法利用模型无关元学习训练策略获取先验知识，可在少量训练数据条件下加速新结构损伤定位和量化任务的学习过程。采用3跨桥梁数值算例和Z24桥工程实例验证所提方法的有效性。结果表明：在少量模态数据下，本文方法能有效且准确地定位和量化结构损伤。与传统的人工神经网络方法和迁移学习方法相比，本文方法具有更快的收敛速度和更高的识别精度。

关键词：桥梁工程损伤定位和量化元学习模态数据健康监测人工神经网络

薄壁箱梁约束扭转相关插值单元列式及与Timoshenko梁单元的相似性

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工程力学 2024年

作者：夏桂云刘洪长沙理工大学土木工程学院

利用薄壁箱梁约束扭转角与广义翘曲位移之间的约束关系，采用多项式对约束扭转位移场进行相关插值，构造了约束扭转单元列式。发现约束扭转相关插值单元与Timoshenko梁单元在两广义位移间的约束关系、形函数、刚度矩阵系数、非节点荷载... 详细信息

利用薄壁箱梁约束扭转角与广义翘曲位移之间的约束关系，采用多项式对约束扭转位移场进行相关插值，构造了约束扭转单元列式。发现约束扭转相关插值单元与Timoshenko梁单元在两广义位移间的约束关系、形函数、刚度矩阵系数、非节点荷载的等效公式等方面存在高度相似性。基于有限元后处理结果，提出了二次力矩和自由扭矩的分离算法，完善了有限元的计算功能。算例结果表明：约束扭转的相关插值单元的计算精度依赖于网格划分密度，但具有良好的收敛性。在算例的单元网格密度条件下，扭转角、广义翘曲位移、总扭矩和二次力矩的极值误差小于0.12%，双力矩极值误差为4.55%，加密网格则误差降至1.17%，相比已有单元，性能有所改善。

关键词：约束扭转相关插值单元分离算法相似性 Timoshenko梁单元