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ISSN 1000-0054
CN 11-2223/N
创刊于 1915 年 (月刊)
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  • 清华大学学报(自然科学版)
      2023年, 第63卷, 第11期 上一期    下一期
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    低碳交通与绿色发展
    CGE模型在低碳交通政策领域的应用及前景  收藏
    王妍, 欧国立
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1693-1706.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.033
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4756KB)
    气候变化问题十分复杂,涉及环境、经济和社会等诸多层面因素,交通排放是影响气候变化的重要因素。该文聚焦可计算一般均衡(computable general equilibrium,CGE)模型在交通政策研究中的应用,共采集涵盖科学引文数据库、科学指南、中国知网等主要数据库的78篇实证研究文献,其中超过50%的文献关注了低碳交通政策的影响。通过梳理文献发现:目前低碳交通政策评估领域的CGE模型实证研究尚处于起步阶段,未来低碳交通CGE模型建模可从政策研究、模型构建和协同效益3个方面进行深入研究。该文提出了将“避免型/转换型/改善型-规划/制度/经济/信息/技术(avoid/shift/improve-planning/regulatory/economic/information/technological,ASI-PREIT)”结构的低碳交通政策矩阵纳入可达性因素的空间可计算一般均衡(spatial computable general equilibrium,SCGE)模型的建模思路,并进行了协同环境—经济—社会效益的低碳交通广义协同效益研究,为拓展低碳交通问题的研究提供参考思路。
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    交通运输领域应对气候变化策略及路径  收藏
    宋媛媛, 姚恩建, 徐洪磊, 黄全胜, 吴睿, 王人洁
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1707-1718.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.021
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1377KB)
    交通运输是产生碳排放的主要领域之一,也是受气候变化影响最显著的行业之一。中国交通运输领域在减缓和适应气候变化方面仍面临诸多问题和挑战,交通运输应对气候变化的政策工具、手段措施、基础能力等还存在一些不足。该文从减缓和适应2个角度出发,梳理了各国在应对气候变化领域开展的政策与行动,分析了中国交通运输领域应对气候变化的工作基础及存在的问题,提出了交通运输减缓和适应气候变化的重点领域、总体策略和路径,以及提升中国交通运输领域应对气候变化能力的思路和建议,以支撑交通运输领域高质量发展和实现中国应对气候变化目标。
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    基于信令数据的中等城市绿色出行政策建议  收藏
    吕远, 葛浩菁, 焦朋朋
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1719-1728.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.020
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (9485KB)
    该文提出了一种基于信令数据识别交通方式并制定出行政策的方法,旨在促进中等城市的绿色、可持续发展。首先,针对中等城市信令数据的特点,结合基站定位原则和信息报送机制等因素,确定出行速度区间;然后,使用地图API (application programming interface)获取交通方式的速度,并通过调整速度区间和基于出行时间可靠度感知的Logit模型,完成交通方式的识别;最后,选取荆州市中心城区作为研究实例,对空气污染物排放量等数据进行验证。综合考虑扩展时空信息、路网交通状态和出行策略等方面,该文提出的方法能够有效地完成交通方式识别。此外,根据污染物排放可视化和居民出行情况,讨论了出行政策。研究结果表明:需加强学区和医院区的交通组织管理,以减少机动车在低速行驶阶段的污染物排放;在高峰时段,传统公交吸引力不足,应开设需求响应式公交;另外,可采用硬件与管理相结合的方式,鼓励特定人群使用非机动车。
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    考虑碳排放影响的大型机场陆侧多交通方式运力匹配模型  收藏
    黄爱玲, 王子吉安, 张哲, 李名杰, 宋悦
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1729-1740.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.034
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1371KB)
    为解决机场枢纽旅客疏散需求与陆侧交通运力供给的精准适配难题,该文在分析运力配置与旅客出行方式选择相互作用机理的基础上,建立了面向大型机场陆侧大巴、轨道交通、出租车和私家车等多交通方式协同的运力匹配双层规划模型。首先,以出行时间、出行费用、准时度和舒适度4个指标作为特征变量构建了多交通方式选择效用函数。其次,综合考虑各交通方式的协同与服务水平特点,建立了运力匹配双层规划模型:上层模型以企业运营成本、旅客候车成本和碳排放环境成本三者之和最小化为目标,对公共交通线路的发车时间间隔、出租车到达率进行优化;下层模型基于随机用户均衡-Logit模型,在上层生成的运力配置方案的基础上,实现客流面向多交通方式的分配。再次,该文提出了一种改进的遗传算法以求解模型,通过嵌套连续平均算法与预搜索机制提高下层模型的计算效率,进而提升综合求解效率。最后,以北京大兴国际机场为例开展实证研究,结果表明:所构建的双层规划模型和算法能有效优化大型机场交通运力资源配置,从而达到优化陆侧交通结构、倡导绿色出行的目的。
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    低碳导向的多模式交通出行服务定价策略  收藏
    王月, 姚恩建, 郝赫
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1741-1749.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.024
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (2663KB)
    优化出行结构、提升出行效率、降低交通碳排放是交通绿色低碳发展的重要路径。该文提出一种低碳导向的多模式交通出行服务定价调节策略,从出行服务商、出行者和环境角度出发,以服务商收益最大化,网络出行时间和交通碳排放量最小化为目标,构建多目标优化模型,在考虑出行者出行方式和路径联合选择行为的情况下对网络流量均衡分配,实现多方式协同出行和碳排放管理精细化。算例分析结果表明:服务商通过定价调节能优化网络出行结构、缓解小汽车路段拥堵状况、提高公共交通的分担率,同时实现自身盈利和交通碳排放量下降的目标。不同的优化结果表明:服务商不能仅追求自身收益最大化,还需要综合考虑出行者出行成本和出行方式对交通环境的影响,承担交通系统的协调与减排责任。该文明确了出行服务商在交通绿色低碳发展中的盈利空间和应承担的责任,为服务定价策略提供参考依据。
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    基于用户综合满意度的电动汽车充电诱导优化模型  收藏
    毕军, 杜宇佳, 王永兴, 左小龙
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1750-1759.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.038
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (2234KB)
    随着电动汽车(electric vehicle,EV)在城市交通系统不断普及,充电诱导服务成为在充电设施有限条件下解决充电问题的有效手段。在分析电动汽车用户充电满意度的基础上,提出一种综合用户绕行距离、排队时间和充电费用的电动汽车充电诱导优化模型。为准确推导用户在充电站的排队时间,充分考虑电动汽车用户充电站选择决策的相互影响,建立充电站运营状态预测模型。针对模型特点,结合免疫算法求解模型。通过面向多充电请求的优化算例验证模型的可行性和有效性,结果表明:通过求解模型可以获得用户综合满意度最大化情况下的用户最优充电站决策及其行驶路径;与绕行距离最小、排队时间最短和充电费用最少等单目标优化方案相比,所提模型的充电诱导方案的用户综合满意度分别提升了15.0%、17.8%和11.4%。
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    基于机动车比功率分布的生态驾驶评价与轨迹优化  收藏
    臧金蕊, 焦朋朋, 宋国华, 王天实, 王健宇
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1760-1769.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.029
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7380KB)
    生态驾驶是节能减排的重要手段。为对驾驶行为的生态性水平进行定量评价及优化,该文基于大量驾驶员逐秒轨迹数据,构建了大量驾驶员整体与驾驶员个体的机动车比功率(vehicle specific power,VSP)分布模型,并基于整体与个体VSP分布差异提出驾驶行为生态性定量评价模型,识别实际生态驾驶轨迹,构建了基于人类实际驾驶特征的生态驾驶轨迹优化方法。结果表明:整体与个体VSP分布差异可量化评估油耗水平,实现对驾驶行为生态性的定量评价。该文构建的正弦函数多项式生态轨迹曲线,对不环保驾驶可达到7.63%的节油效果,可为驾驶员提供符合人类驾驶特征且易于遵循的生态轨迹优化曲线。
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    城市群生态综合交通网络组团特性分析与关键节点识别  收藏
    马书红, 杨磊, 陈西芳, 朱敏
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1770-1780.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.031
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (17714KB)
    为实现城市群生态综合交通发展目标,形成交通、经济、生态环境质量一体化发展格局,以关中平原城市群为研究对象,通过熵值法对节点功能吸引、功能辐射和碳排放强度进行赋权,通过修正引力模型计算其相互联系强度;将空间结构理论与复杂网络理论相结合,构建多维空间联系网络模型;采取改进INFORMAP算法,从交通、功能和碳排放3方面分别进行区域组团划分;基于组团划分结果,构建超图网络模型,引入邻域超度、邻域影响熵指标识别城市群生态综合交通网络关键节点。结果表明:关中平原城市群功能和碳排放空间联系呈现“一极多核”的空间分布格局,西安处于核心地位,宝鸡、渭南等地级市核心区也拥有较高影响力;城市群区域组团与行政区划具有差异性,部分区县如侯马、彬州、澄城等脱离上级行政区划约束,形成了独立区域组团;西安、咸阳是城市群生态综合交通网络建设的关键节点,且城市群东部节点重要度普遍大于西部节点,因而需重点提升西安—咸阳一体化水平,优化东部节点综合交通结构,完善西部节点交通网络布局。
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    大数据驱动的地铁留乘行为分析  收藏
    王静, 刘锴, 王江波, 宫磊
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1781-1790.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.028
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (6413KB)
    近年来地铁系统客流量急剧增加,时空上的过度拥挤造成留乘问题日益严峻。留乘严重影响了地铁运行效率,但目前缺少相关的行为学机理研究。该文使用深圳通刷卡数据,从乘客个体层面细化地铁出行过程,以乘客理性出行时间为基础识别留乘,并观测其时空分布特征。统计结果表明:深圳地铁1号线平均留乘率为12.0%,平均留乘时间为4.20 min。该文从个人、车站和线路3个层面挖掘城市地铁留乘的影响因素,提取乘客多日出行的留乘决策数据构建面板logit模型(panel logistic regression model,PLM),进一步以留乘乘客为研究对象,构建考虑个体特定效应的面板数据随机效应回归模型,探究留乘时间影响因素作用机理。结果表明:长距离出行、起始站上车和高峰时段的乘客留乘概率高,频繁出行的乘客留乘概率低;起始站上车的乘客虽有更高留乘概率,但留乘时间未显著增加,晚高峰下行方向和早高峰上行方向留乘时间分别增加0.61和0.88 min,相对运行方向留乘时间不增反降。该文挖掘了留乘行为决策机理,提高了个体留乘行为决策及留乘持续时间的预测精度,能为列车精细化调度和发布面向乘客的定制化引导策略提供依据。
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    超临界二氧化碳离心压缩机流动特性研究进展  收藏
    杨子木, 江泓升, 诸葛伟林, 钱煜平, 张扬军
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1791-1807.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.023
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (5616KB)
    超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO2) Brayton循环是中温高压循环,采用该循环可回收利用燃气涡轮和内燃机等交通动力系统的高温排气能量,从而提高动力系统效率。压缩机高效稳定运行对S-CO2 Brayton循环的循环性能起到至关重要的作用。该文从实验、一维流动分析、三维流动特性和流动控制4个方面综述了S-CO2离心压缩机流动特性的研究进展,重点阐述了关于工质临界点附近的剧烈物性变化对压缩机内部流动带来的问题及其研究内容,同时总结了S-CO2离心压缩机流动特性的相关研究,并提出未来S-CO2离心压缩机流动特性的研究重点。
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    机械工程
    基于自适应柔顺控制的航天器部件装配  收藏
    陈书清, 李铁民
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1808-1819.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.014
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7799KB)
    利用机器人技术完成航天器部件的装配任务,是中国航天领域的研究重点。仅依靠位置控制完成装配任务时,装配误差的存在会导致航天器部件存在较大的接触力,从而破坏航天器部件的表面质量和表面涂层,进而影响航天器部件的服役寿命。因此,在装配过程中需要使用柔顺控制来调控接触力。目前,在机器人装配中应用的柔顺控制方法需要依据经验设定控制参数,而2个装配体之间的接触力与控制参数密切相关,这会导致接触力不可控。为避免接触力过大,该文提出了一种柔顺控制方法,通过装配过程中的接触力和状态信息,根据不同环境刚度自适应地调整柔顺控制的目标位置和控制参数。为了验证此方法的可行性,该文进行了仿真和实验研究,并与位置控制和经典的导纳控制进行比较,实验结果表明:该文提出的方法具有收敛速度快、残余接触力小、可自动调节控制参数等优势。该方法为航天器部件的机器人自主装配奠定了理论和技术的基础,并有望应用于实际航天器部件装配任务中。
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    ECMO氧合器膜丝阵列多相流动数值模拟与分析  收藏
    简萌, 张明奎, 黄健兵, 罗先武
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1820-1832.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.024
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (16447KB)
    为分析体外膜肺氧合技术(extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)氧合器内膜丝排列方式对血液流动和气体输运的影响,该文选取某商用氧合器的轴截面为简化模型,采用基于沉浸边界(immersed boundary,IB)法的自编软件进行了稳态血液流动与多气体组分耦合输运的数值模拟。通过与商业计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件Fluent计算结果、已有文献结果进行比较,验证了所采用的数值方法和自编软件具有适用性。计算结果表明:在一定的孔隙率下改变膜丝排列方式和膜丝倾斜角将影响轴向和径向渗透率,会明显改变血液流动和气体输运的性能;具有径向交错和大倾斜角的膜丝排列能避免出口段大尺度旋涡,降低血液损伤风险。进一步分析可知,ECMO气体输运性能主要受膜丝排列方式的影响,且增大倾斜角有利于提升交错阵列的气体输运效率。该文研究可为实际工程中广泛存在的三维孔隙尺度多相流动数值模拟提供一定参考,为ECMO结构优化、临床运行中参数调整提供科学依据。
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    热重法测量极低饱和蒸气压的方法优化  收藏
    李忠炜, 李肖飞, 唐祚洲, 徐文婷, 宋蔷
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1833-1843.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.030
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (9925KB)
    基于Langmuir方程的热重分析法是测量物质极低饱和蒸气压的常用方法。有2个关键因素可用于确保测量准确:蒸发速率与饱和蒸气压的线性关系及不同物质的校准系数k的一致性。对控制方程的无量纲分析表明,蒸发过程由Reynolds数(Re)、Peclet数(Pe)和坩埚表面样品蒸气质量分数的无量纲形式(wi)决定。由无量纲量表示的蒸发速率关系式表明:蒸发速率与饱和蒸气压具有非线性关系,可用于定量描述k的变化规律。当物质的摩尔质量和饱和蒸气压较小时,饱和蒸气压与蒸发速率的关系式可近似为线性。待测物质的摩尔质量和扩散系数与校准物质的摩尔质量和扩散系数越接近,2种物质的校准系数的差越小。
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    基于瞬态接触特性的科隆蛋扣件轨道波磨形成机理  收藏
    王志强, 雷震宇
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1844-1855.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.025
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (14268KB)
    为从轮轨瞬态接触黏滑振动角度探究地铁线路上钢轨波磨的形成机理,该文首先根据现场波磨情况建立了三维轮轨滚动接触有限元模型并论证其有效性;然后,分析了车轮运行过程中的接触黏滑状态,并讨论了轮轨接触黏滑特性与波磨生成的关系;最后,研究了轮轨系统固有特性和钢轨纵向磨耗特征。结果表明:凹坑缺陷改变了轮轨滚动接触黏滑分布,导致轮轨界面发生滑移并诱发轮轨系统失稳,且滑移会进一步引起钢轨磨耗,以致最终可能形成波磨。综合轮轨接触黏滑特性和复模态分析的结果,可将钢轨波磨的形成机理归为轨面缺陷激励引发的轮轨系统的固有不稳定振动,且该不稳定振动表现为钢轨相对于轨道板的垂向弯曲振动。当车轮经过凹坑缺陷时,会产生瞬态纵向波动磨耗,且磨耗的特征波长为40~50 mm,这与实测线路上的波磨波长情况相符,从而进一步验证了钢轨波磨的形成机理。
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    全模颤振四绳支撑系统运动特性与稳定性  收藏
    江海龙, 王晓光, 王家骏, 柳汀, 林麒
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1856-1867.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.035
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (10129KB)
    全模颤振风洞试验是飞行器气弹设计与验证的重要环节,其中的一个关键问题是设计满足固有频率和运动调整范围要求的模型支撑。该文以跨声速风洞试验为应用背景,基于绳系并联机构原理,提出一种四绳-三弹簧牵引的全模颤振支撑方式。根据运动学关系,建立该四绳-三弹簧系统的刚度表达式;基于虚功原理,推导了系统应满足稳定性的条件。通过刚度和气动导数矩阵分析,以及气动力作用下的模型位姿响应,证明了该支撑适用于静不稳定飞机模型。经过系统冲击响应及其频率影响因素研究表明:该支撑能满足全模颤振对支撑系统固有频率的要求;通过仿真计算和Adams软件模拟,验证了该支撑能通过控制绳长和操纵舵面调控,实现对飞机模型位姿的有效调整。研究结果可以为全模颤振试验模型支撑技术提供一种新的思路。
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    航天器多层隔热组件薄膜受力均匀性  收藏
    刘跃, 索双富, 郭飞, 黄民, 孙巍伟, 谭博韬, 黄首清, 李芳勇
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1868-1877.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.027
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7426KB)
    航天器在发射迅速泄压过程中,多层隔热组件的薄膜受力均匀与否是判断隔热组件是否失效的关键指标之一。在一定压差环境下,若每层隔热薄膜受力不均匀,则某一层薄膜会因承受较大流体压力而失效。该文以多层隔热组件受力均匀性指标展开研究,建立多层隔热组件三维切片模型,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,分析了多层隔热组件在泄压过程中各级薄膜的受力情况;提出了薄膜压差系数,该系数是体现薄膜受力均匀性的关键指标;采用正交实验设计,分析了多项结构参数对薄膜压差系数的影响规律。结果表明:结构参数对薄膜压差系数的影响程度从大到小分别为薄膜孔直径、薄膜层数、错孔距离和薄膜厚度。该文提出了一种计算薄膜压差系数的数学解析方法,通过将该数学解析方法与CFD方法的计算结果进行对比分析,发现该方法更准确。该数学解析方法可用于快速计算多层隔热组件薄膜压差系数,为判断多层隔热组件薄膜在航天器发射过程中的受力均匀性提供依据,对避免多层隔热组件失效具有重要意义。
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    建筑技术科学
    高寒地区典型办公建筑南向组合式外窗热工设计优化  收藏
    刘依明, 许沛琪, 刘念雄
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1878-1886.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.22.008
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (13899KB)
    为提升西藏高寒地区办公建筑的节能效果与室内使用品质,针对日喀则市某典型办公楼进行分析。借助DesignBuilder软件,对采用9种不同形式南向外窗设计的建筑案例进行建筑负荷、主要房间操作温度及热舒适的全年逐时模拟。该研究分析了各案例的性能差异,结果表明:断热桥铝合金6 mm单玻幕墙、6 mm透明+12 mm空气+6 mm透明的中空双层窗以及保温窗帘构成的组合式外窗,能够显著降低办公楼全年负荷,并提升主要房间的室内热舒适,可作为西藏高寒地区办公建筑南向外窗设计的优先选择。
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    基于运动波模拟的雨水管网设计流量计算方法  收藏
    吴珊, 赵玉杰, 王昊, 王强, 刘子龙
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1887-1896.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.017
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7607KB)
    雨水管网中管段的设计流量计算一般以恒定均匀流理论为基础,由于偏离了雨水管网实际流态,当应用于较大规模管网时,产生的误差会逐步累积。因此,该文提出一种基于运动波模拟的雨水管网设计流量计算方法,在地表产汇流阶段,基于管网设计参数等价原则,采用径流系数与φ指数法结合的方式进行产流计算,并与等流时线法耦合,完成产汇流阶段设计条件的等价设置;采用暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)运动波模块,计算管段汇流过程,并基于GDAL (geospatial data abstraction library)开发技术,实现雨水管网设计流程。对某区雨水管网进行实例验证,结果表明:与恒定均匀流计算相比,采用运动波模拟法得到的雨水管段集水时间短、设计流量大,且随汇水时间和汇水面积的增长,2种方法的流量计算差值呈递增趋势;在超标降雨情景下,运动波模拟法设计的方案具有更好的防涝性能,提高了管网的可靠性。
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    地基承载力深度和宽度修正系数分析  收藏
    介玉新, 傅志斌, 王杨强, 殷常运
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (11): 1897-1908.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.033
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1290KB)
    在大面积人工填土的地基承载力计算中,中国现行《建筑地基基础设计规范》(以下简称《规范》)不考虑对基础宽度的修正,得到的地基承载力偏小,对工程安全有利,但在一些情况下却不够经济。该文对这一问题进行探讨,分析了地基承载力的定义、度量方法、相关理论原理和容许承载力的取值方法,探讨并推测了此前在人工填土、软弱下卧层等地基承载力修正系数选择上的可能依据。考虑到当前施工和监测技术相较于早期规范制定时已有很大进步,认为在满足一定条件下可考虑修正地基承载力宽度,并且可适当提高现有的深度和宽度修正系数取值。
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