基于1D-CNN的无砟轨道CA砂浆脱空识别

为解决水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)脱空位置识别的难题,提出考虑CA砂浆脱空的无砟轨道模型建模与计算方案。首先,基于CRTS I型板式无砟轨道“梁-板-板”建模理论,使用非线性弹簧模拟CA砂浆脱空病害,输入扣件支点反力作为模型的激励,得到监测点位的垂向加速度数据集。其次,通过对数据集缩放、添加噪声的方式进行数据增强,增强数据集的差异,以增强识别模型的泛化性,获得更加准确的识别结果。最后,建立脱空病害的识别方法,搭建一维卷积神经网络(1D-CNN)进行CA砂浆的脱空位置识别,构建准确率、查准率和查全率等评价指标评估识别结果,使用t-SNE降维算法对结果进行可视化。对比其他3种神经网络的表现,探讨1D-CNN应用于CA砂浆脱空位置识别的优势。研究结果表明:“梁-板-板”模型反映了无砟轨道的力学本征,用于CA砂浆脱空问题的仿真模拟是可行的;通过对数据集信号缩放、添加噪声的方式进行数据增强可提高深度学习模型的性能;从深度学习的角度来看,CA砂浆脱空发生在板中造成的危害较小,应重点关注板端CA砂浆脱空的养护与维修问题;1D-CNN相比其他3种模型运算时间短,在CA砂浆脱空位置识别数据集上优势更大,识别准确率可达95%以上。研究结果为进一步提高无砟轨道结构监测的自动化和智能化水平提供参考。

探地雷达及红外热成像在渠道混凝土衬砌脱空检测中的应用

为减少渠道渗漏损失,提高输水配水能力,增加渠坡的稳定性,赵口二期工程渠道采用现浇混凝土衬砌。为了解衬砌与渠坡土体之间的结合程度,首先采用探地雷达方法对总干及主要干渠、分干渠和支渠的渠道的混凝土衬砌进行抽样探测,结果依据脱空程度不同主要包括胶结紧密、接触不密实、轻微脱空等3种情况;在此基础上,对轻微脱空的重点部位采用探地雷达和红外热成像相结合的方法进行综合探测,对同一混凝土衬砌上的不同脱空严重程度进行划分,可极大地提高工程养护及补强等工作的针对性,保证工程安全、高效的运行。

基于极限梯度提升和探地雷达时频特征的水泥路面脱空识别

针对探地雷达(GPR)数据解译依赖于人工经验,存在费时费力和主观偏差的问题,提出了基于极限梯度提升(XGBoost)和GPR时频特征的水泥路面脱空识别方法。采用正演模拟、室内试验和现场试验获得了脱空病害数据源,建立含有标签的脱空GPR数据集;通过重采样方法统一GPR数据采样频率,并对预处理后的GPR数据进行时频域特征提取,建立了包含18个时域和12个频域特征的数据集。以时频域特征为输入,是否存在脱空病害为输出,采用XGBoost算法构建脱空识别模型,并与随机森林(RF)和人工神经网络(ANN)算法进行对比。结果表明,模型的识别准确率排序为XGBoost(98.10%)>ANN(95.10%)>RF(93.17%),XGBoost模型识别精度最高,并能在实际路面上准确定位脱空区域。

基于MF-EI法的水闸底板脱空参数反演

为了更好地解决水工结构以损伤诊断为目标的传感器布置问题,以软基水闸为研究对象、水闸底板脱空为损伤类型,针对传统有效独立法未考虑结构损伤信息的缺陷,将模态柔度作为结构损伤敏感特征量,并引入结构的模态柔度修正有效独立法,提出基于模态柔度-有效独立法(modal flexibility-effective independent method,简称MFEI)的水闸底板脱空参数反演方法。采用模态置信准则、Fisher信息阵、条件数准则和奇异值分解比准则4种评价指标,分别对距离系数-有效独立法(distance coefficient-effective independence method,简称DC-EI)、有效独立-总位移法(effective independence-total displacement method,简称EI-TD)和MF-EI法进行评价,并将3种方法得到的布置方案应用到不同工况下软基水闸底板脱空动力学反演中,对比分析3种方法各工况脱空参数的反演结果。结果表明:MF-EI法测得的模态矩阵具有更好的正交性、可观测性和模态扩阶性,同时保留了对软基水闸底板脱空敏感的损伤信息,3种工况下的脱空参数反演识别精度分别提高至97.5%,96.1%和75.9%,是一种较为有效的水闸底板脱空参数反演方法。

基于探地雷达时频特征的水泥路面脱空识别

脱空病害在水泥路面中不可避免,危害路面结构安全性,迫切需要建立脱空病害区域的准确定位方法。采用探地雷达(GPR)为无损检测工具,通过GPR信号时频特征的提取和正反演实验构建了脱空病害的特征数据集,将特征集进行PCA降维,以PCA主元为输入、正常和脱空为输出分别建立SVM和ANN脱空识别模型;在获得脱空的GPR信号上提出窗口能量法判断脱空区域的深度,在实际路面上对脱空识别进行验证。结果表明:时频特征可表征脱空病害,包含病害的部分数据集更适合用于建模识别;ANN的识别准确度优于SVM,窗口能量法可有效定位脱空区域的深度,并对噪声具有一定的鲁棒性,在室内模型中定位精度平均误差1.51%。研究结果可为路面精准养护提供科学依据。

基于统计指标的曲线桥支座脱空病害识别方法

为快速评估曲线连续梁桥支座健康状态,提出了基于时程统计指标的桥梁支座脱空病害识别方法。首先,提取行车激励下桥面测点加速度信号的20个时程统计指标,通过概率统计的方式,得出各统计指标的置信区间;其次,根据各时程统计指标对支座脱空的敏感程度不同,采用熵值法确定各统计指标的权重分配值;最后,根据各测点异常指标数计算损伤指数,综合判断测点附近支座是否出现脱空病害。为验证方法的有效性,以某3×25 m曲线连续梁桥为工程背景,建立车桥耦合动力学模型进行分析验证。结果表明:该方法可以准确识别脱空支座所在位置,并且可以有效识别较小的损伤;相比于中间支座脱空,时程统计指标对端支座脱空更为敏感。

混凝土脱空修复对角钢连接件力学性能影响

为探索钢壳混凝土角钢连接件根部混凝土脱空对连接件抗剪性能的不利影响,提出合理的脱空修复方法,基于深中通道沉管隧道角钢连接件的局部构造,以脱空形状、脱空修复和混凝土强度为变化参数,设计8组足尺推出试件,并开展抗剪性能试验和有限元模拟分析。分析显示:1)普通混凝土试件先在角钢内部发生混凝土压溃破坏,试件破坏模式受脱空形式及脱空修复影响不明显;2)脱空对角钢连接件的抗剪承载力和抗剪刚度均有削弱影响,三棱柱整体脱空时角钢连接件的抗剪承载力和抗剪刚度可折减32.8%和76.9%;3)脱空修复对角钢连接件的抗剪承载力和抗剪刚度有提升作用,但由于修复料与脱空界面间难以协同受力,性能提升效果并不显著;4)考虑脱空处未修复,用超高性能混凝土替换普通混凝土时,推出试件的抗剪承载力较未脱空时提高77%,抗剪刚度较脱空时折减8.9%;5)超高性能混凝土的优良力学性能使角钢连接件的抗剪承载力得到明显提高,但由于脱空导致角钢连接件出现较大变形,因此无法有效提升脱空时的抗剪刚度;6)提高修复料力学性能对改善三棱柱脱空修复后的承载性能影响不明显。

探地雷达技术在挤压边墙混凝土脱空检测中的应用

挤压边墙作为面板与垫层料之间的过渡层,在面板混凝土施工之前,需要对挤压边墙与垫层料之间进行脱空检测。本文结合工程实例阐述了利用地质雷达技术对挤压边墙脱空检测的基本原理、图像特征、工作布置、参数选取等,并用开挖验证方式证明了地质雷达法在该领域的有效性与可靠性。

衬砌脱空对现役隧道结构安全性影响研究

针对衬砌拱顶、左拱腰和右拱腰脱空组合工况,基于荷载-结构法平面计算分析模型,通过设置不同的脱空范围,分析衬砌脱空对在役隧道结构安全性的影响规律。研究结果表明:隧道衬砌各脱空位置相互之间的影响很小,对隧道整体的安全性影响不大;而脱空范围主要改变了隧道衬砌结构受力和变形状态,对衬砌结构的安全性影响极大,特别是当脱空范围大于20°时,在围岩荷载作用下,衬砌结构将很快出现开裂、剥落等严重病害,直至完全丧失承载能力或退出正常使用状态。最后,针对不同缺陷情况,提出了相应的处治措施。

不均匀温度场下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空分析

为了解不均匀温度场作用下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空原因,依托高原山区某跨径430 m的钢管混凝土拱桥,进行强辐射、大温差联合作用下拱肋拱顶节段足尺模型试验,分析模型温度场分布,并对该不均匀温度场作用下管内混凝土脱空机理进行研究。结果表明:钢管混凝土拱桥水化阶段和运营阶段径向温度场可简化为多段式折线变化规律。14:00时刻,水化阶段温度沿竖直径向(从向阳侧至背阳侧)先减小后升高再减小,在距向阳侧界面D/8~3D/8处(D为钢管内径)存在一个大温差面,运营阶段温度沿竖直径向(从向阳侧至背阳侧)呈先减小后不变再增加的非对称分布规律,从钢管混凝土界面至距其D/8处温度变化大。混凝土水化阶段和运营阶段管内混凝土脱空机理为:在温度场作用下钢管混凝土界面最大纵向应力差分别高达82.6 MPa和61.95 MPa,最大界面径向拉应力分别为0.8 MPa和2.06 MPa,均超过钢管和混凝土间的粘结强度。

不同脱空模式下隧道结构安全状态分析

结合范家沟隧道工程,基于荷载-结构法平面计算分析模型,设置不同脱空范围及不同脱空模式,分析衬砌脱空对在役隧道结构安全性的影响规律。研究结果表明:脱空的影响主要集中在空洞范围内及其邻近位置处,脱空的范围越大,影响的范围也越大;衬砌不同位置对脱空的敏感性表现为:拱腰>拱顶>脱空邻近处,且拱腰邻近处>拱顶邻近处,较之拱顶脱空的情况,拱腰处出现脱空时对结构更为不利;特征位置安全系数与结构最小安全系数随脱空范围的增大均表现为先增大后急剧减小,正弯矩处轻度的脱空可以有效改善隧道结构的受力形态,而重度脱空将使结构承载性能大幅降低。根据计算与统计结果,划分脱空病害等级,并界定相应的处治措施。同时讨论人为在结构正弯矩处设置轻度脱空的可行性,并初步提出设置方案。

基于振动传递率函数的水泥混凝土铺面脱空识别方法

为提高水泥混凝土铺面脱空识别的准确性和便捷性,提出一种基于振动传递率函数的板底脱空识别方法。首先,建立了九块板全尺寸铺面结构三维有限元模型,获取冲击荷载作用下铺面板的多点加速度响应;其次,在2个振动传递方向上,分别计算相邻2个测点间的振动传递率函数,分析特定频段内传递率函数的差异,并提出传递率损伤指标(transmissibility-damage indicator,TDI)及其矩阵表达式;最后,计算分析11种不同脱空形式、程度下TDI矩阵的差异,并分析测点布设方式、信号噪声水平对TDI矩阵的影响。结果表明:该脱空判定指标能较好识别定位板角和板边局部脱空。所得TDI矩阵在板角脱空的2个传递方向均十分显著,在板边脱空的垂直脱空边方向较为显著;对于板中脱空,2个传递方向上的TDI矩阵均无法有效识别。板中脱空的分布与TDI矩阵的分布一致性较差;对于多区域脱空,其计算得到的TDI矩阵与单区域脱空类似,对于板角和板边局部脱空均能有效识别;测点布设越密,TDI矩阵的分布与脱空分布的一致性越高。然而,该识别方法对噪声水平较为敏感,噪声水平越高,识别精度越低,需要较高精度的传感器或设备予以支撑。

水泥混凝土路面的板底脱空及其影响分析

根据水泥混凝土路面板底产生脱空的机理,利用有限元程序ANSYS,就不同脱空面积和脱空形状对水泥混凝土路面板的影响进行了分析,结果表明:理论计算得到的板底脱空形状与实测值相符;随着脱空面积的增大,水泥混凝土路面板的弯沉值呈反S型增大,而当脱空面积相同时脱空区域的形状对弯沉值的影响不大。

双块式无砟轨道轨枕与道床板界面脱空损伤识别

为准确识别双块式无砟轨道轨枕与道床板连接面脱空损伤,建立了双块式无砟轨道冲击回波有限元模型,分析界面损伤对弹性波传播规律的影响。在室内浇筑含有不同损伤位置和不同损伤程度的混凝土复合试件,采用冲击回波法进行损伤识别。研究结果表明:脱空损伤会显著影响弹性波在界面处的传播,基于回波信号分析可识别损伤;弹性波频率主要受激振锤大小的影响,应结合结构易损位置和理论计算选取合适的激振锤;混凝土复合试件的试验厚度值与理论厚度值相差仅为1 cm,测试结果合理,可用于判断脱空损伤程度,但不能确定损伤区域;利用平面成像技术可准确识别轨枕与道床板界面脱空范围,为双块式无砟轨道结构养护维修提供一定参考,试验结果验证了冲击回波法用于双块式轨道层间脱空识别的可行性和合理性。

环口板加强带脱空缺陷的钢管混凝土T型节点滞回性能试验研究

为研究环口板加强带脱空缺陷的钢管混凝土T型节点的抗震性能,完成了12根节点试件在主管受恒定轴拉力与支管受轴向往复荷载作用下的滞回试验,基于试件破坏模式、荷载-位移滞回关系和应变发展考察了采用环口板加强带脱空缺陷T型节点试件的效果,并对比分析支主管直径比和主管径厚比对试件加强效果的影响。试验结果表明:采用环口板加强T型节点有效抑制了脱空缺陷导致的主管塑性变形,并实现带缺陷T型节点承载力、刚度、延性和耗能能力的完全恢复,甚至优于相应的无脱空试件,其中加强试件的承载力较带脱空缺陷试件提升12.6%以上,较无脱空试件提升6.5%以上,表明经合理设计的环口板加强措施能够弥补脱空缺陷对节点抗震性能的不利影响。

高铁隧道复合衬砌脱空统计分析与防治

隧道施工中衬砌脱空缺陷广泛存在,若处理不及时将极大的影响衬砌结构承载力和耐久性。现有研究多局限于分析拱顶脱空的成因、影响和整治方法,缺乏探究衬砌脱空的分布规律、空洞特性及其与围岩条件的关系。通过统计方法分析某隧道整治前后无损检测结果,可得衬砌脱空为主要施工缺陷,拱顶脱空占总脱空37%;脱空长度分布服从λ为4.76 m的泊松函数,深度分布服从N(9.3,3.62)的正态分布;围岩条件越好,脱空长度越大,深度越小;注浆整治效果在拱顶好而在边墙部分较差。研究结果对脱空缺陷无损检测、脱空处理及施工预防具有重要意义。

考虑脱空深度影响的机场刚性道面工作性能研究

为了分析道面脱空深度对跑道安全的影响规律,该文采用有限差分方法开展数值模拟研究,考虑了不同机型、道面尺寸、脱空深度以及脱空面积等因素,共设计了208组工况。基于考虑结构状况指数衰减的道面寿命模型,提出评估脱空对道面使用寿命影响的分析方法。研究结果表明:随着脱空深度的增加,道面弯沉和应力逐步增加,但增长速率越来越缓;脱空深度与脱空面积的影响存在耦联效应,当脱空面积较大时,脱空深度的影响才开始显现。在道面弯沉与应力的影响云图中,均存在非敏感区;提出的道面弯沉速率发展指数与应力发展指数可对脱空的影响趋势进行评价,且随着脱空面积与深度的增加,上述指数均存在峰值区。根据不同荷载、道面结构以及起落架次,绘制了脱空程度与剩余使用寿命影响图,可对脱空的影响进行快速评价与分析,从而保障场道结构安全。

基于空耦冲击回波法的饰面瓷砖层间脱空识别研究

针对饰面瓷砖脱空掉落的现象,建立了空气-饰面瓷砖层间脱空有限元模型,分析了钢球半径、激励速度以及信号采集位置等因素对饰面瓷砖层间脱空检测效果的影响,确定了最优值,然后利用特征识别参数对饰面瓷砖粘结层的脱空程度进行评估,并开展足尺试验对有限元模型的有效性进行验证。结果表明:钢球半径建议取9 mm,激励速度建议取1 m·s^(-1),信号采集点与激励点的横向距离不宜小于60 mm,垂向距离取5 mm;黏结层脱空会使冲击回波信号加强。因此,时域图中的信号波动性增强、衰减速度减缓,频域图中的声压级增大,主频段前移并分化为代表结构整体振动和局部振动的两个频段;并且随着脱空程度的增加,频域面积增大,通过计算频域面积可有效评估饰面瓷砖黏结层的脱空状况。研究结果为饰面瓷砖的无损检测提供了参考。

钢壳混凝土复合结构脱空高度与中子响应关系研究

为了揭示钢壳混凝土复合结构间脱空高度与中子的响应关系,建立一种新的脱空高度定量测量方法,本研究基于快中子慢化和中子散射原理,采用室内等效混凝土物理模拟方法构建脱空模型,并开展室内测试,对测试数据进行回归分析,发现热中子计数率与钢壳混凝土复合结构中钢板厚度、混凝土含水量、脱空高度之间均存在显著的相关性。进一步建立钢壳混凝土脱空高度与热中子计数率的标定关系,并开展验证实验,结果表明,通过标定关系计算得到的混凝土脱空值与实际脱空值误差较小,两者具有较好的一致性,快中子穿透钢板后与混凝土作用产生的热中子可用于定量计算钢壳混凝土复合结构脱空高度,可解决当前脱空检测中存在的无法精确定量问题。

公路梁桥支座脱空度预测模型及优化算法应用研究

桥梁支座脱空度是桥梁结构的常见病害,对桥梁的安全性和使用寿命产生严重影响。因此,准确获取支座的脱空信息成为一个重要的研究课题。该研究提出了一种两阶段的支座脱空检测方法,第一阶段,基于柔度矩阵对角差值比指标(flexibility diagonal matrix change rate,FDMCR)实现脱空支座定位,第二阶段采用BP(back propagation)神经网络进行支座脱空度的预测。研究针对单跨简支梁桥和三跨连续梁桥,通过有限元模拟实现了梁桥理论振型、自振频率的获取,并利用激光多普勒测振系统对室内单跨梁桥开展模态测试,获取实测数据,验证了所提方法的可行性。此外,针对单跨梁桥,分析了单目标粒子群优化算法、混合蛙跳算法、人工蜂群算法(artificial bee colony,ABC)优化算法和多目标非支配排序遗传算法(NSGA-II)优化所构建BP模型的效果。研究结果表明,两阶段的方法可以有效地实现脱空定位和脱空度预测,而优化算法则能够提高预测模型的预测效果,尤其是ABC算法在单跨梁桥脱空度预测模型上表现出更低的预测误差,同时基于支座位置属性构建多目标函数能够缓解单目标中各支座预测效果不均匀的问题。该研究对于预测公路梁桥支座脱空度具有重要的实际意义,并为类似问题的解决提供了新的思路和方法。