列车荷载作用下CRTS Ⅲ型板式无砟轨道层间离缝水力特性研究

在雨水充沛或排水不畅地区,积水会造成无砟轨道层间离缝扩展显著加速。针对含层间离缝的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的水力特性问题,建立列车荷载与水耦合作用下的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道-离缝积水双向瞬态流固耦合计算模型,揭示无砟轨道层间离缝内动水压力和水流速度的分布及其峰值的变化规律,并分析列车轴重、行车速度、离缝形态及积水深度对动水压力和水流速度的影响。研究结果表明:随着列车的趋近与远离,层间离缝内固定点处的动水压力与水流速度呈周期性的正负交替变化;动水压力沿着离缝出口方向逐渐减小,其峰值发生在离缝尖端处,而水流速度沿着离缝出口方向逐渐增大,其峰值发生在离缝出口处;动水压力与水流速度峰值随列车轴重增加而线性增大,轴重每增加1 t,动水压力和水流速度峰值分别增加2.850 kPa、0.085 m/s;动水压力峰值与车速呈二次方增大关系,而在车速小于300 km/h时水流速度峰值与车速基本上呈线性关系,超过该车速后流速增长趋势较之前更大;动水压力、水流速度峰值与离缝开口量呈反比关系;动水压力与水流速度峰值都随着离缝深度和离缝积水深度增加而显著增大,且两者都与离缝深度呈3次多项式增大关系,与离缝积水深度呈2次方增大关系。研究结果可为CRTS Ⅲ型板式无砟轨道在列车荷载与水耦合作用下的层间离缝扩展分析以及养护维修工作提供依据和参考。

基于三维点云重建的混凝土结构裂缝定位与追踪

为实现混凝土结构裂缝的自动化定位、宽度量化及扩展追踪,提出一种基于三维点云重建的混凝土结构裂缝定位及扩展追踪方法。首先通过无人机搭载高分辨率云台相机获取目标建筑物的图像集,再通过优化数据集与三维重建流程得到准确的建筑结构点云模型,并还原相机空间参数;然后提出视点定位算法,基于还原的相机空间参数求得拍摄裂缝的相机世界坐标,将裂缝图片与相机世界坐标绑定,基于图片索引裂缝的三维坐标,实现裂缝在点云模型中的自动定位;最后提出适用于混凝土结构的点云映射与配准算法,对裂缝宽度的扩展进行量化追踪。通过试验对服役期的大型混凝土建筑结构进行了可行性和精度验证。结果表明:所提出方法的三维模型重建的尺度平均误差小于3%,且可自动化定位结构裂缝的三维坐标,裂缝平均定位时间为38.09μs;通过进一步将整体模型与更新的裂缝点云集配准,可实现裂缝扩展信息(裂缝宽度)的准确追踪,试验相对误差小于8%。

高铁隧道内地下水作用下双块式无砟轨道道床板裂缝扩展研究

针对我国高速铁路隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道施工阶段道床板开裂问题,运用有限元软件建立隧道-无砟轨道三维实体模型,研究地下水作用下隧道内无砟轨道各结构层位移隆起变化规律,并结合FRANC3D软件,在道床板结构受力最不利位置插入不同形状的预制三维裂缝,分析水压、裂缝长度对道床板裂缝扩展的影响。研究结果表明:(1)三角形荷载作用相较于均布荷载作用时,道床板位移隆起量虽有所减小,但地下水压的反复作用始终会影响轨道结构的平顺性,甚至导致道床板与仰拱填充间出现离缝;(2)裂缝长度是裂缝失稳扩展的控制因素,在排水系统完全堵塞时,建议将裂缝长度控制在200 mm以内;(3)水压为裂缝扩展的关键影响因素,同等条件下水压越大,道床板裂缝扩展越迅速,均布荷载下道床板裂缝尖端应力强度因子是对应三角形荷载下的1.2~1.4倍。

基于改进YOLO v5的皮蛋裂纹在线检测方法

为了解决裂纹皮蛋分选中存在的效率低、人力成本高等问题,提出了一种基于改进YOLO v5的皮蛋裂纹在线检测方法。使用EfficientViT网络替换主干特征提取网络,并采用迁移学习对网络进行训练,分别得到YOLO v5n_EfficientViTb0和YOLO v5s_EfficientViTb1两个模型。YOLO v5n_EfficientViTb0为轻量化模型,相较于改进前参数量减少14.8%,浮点数计算量减少26.8%;YOLO v5s_EfficientViTb1为高精度检测模型,平均精度均值为87.8%。采用GradCAM++对模型可视化分析,得出改进模型减少了对背景区域的关注度,证明了改进模型的有效性。设计了视频帧的目标框匹配算法,实现了视频中皮蛋的目标追踪,依据皮蛋的检测序列实现了对皮蛋的定位和裂纹与否的判别。轻量化模型的判别准确率为92.0%,高精度模型的判别准确率为94.3%。研究结果表明,改进得到的轻量化模型为运算能力较差的皮蛋裂纹在线检测装备提供了解决方案,改进得到的高精度模型为生产要求更高的皮蛋裂纹在线检测装备提供了技术支持。

桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道早期开裂行为研究

以桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道为研究对象,基于混凝土早期性能发展基本理论,利用Ansys建立三维温度场与应力场分析模型,考虑养护方法、拆模龄期、拆模温度与钢筋直径等参数影响,对双块式无砟轨道早期开裂行为进行数值模拟。结果表明:无砟道床不同位置处混凝土主拉应力整体呈循环上升趋势;拆模前后混凝土应力时程曲线波动程度差异较大,拆模后4 h内道床混凝土主拉应力时程曲线出现明显增长。合理选用养护方式可有效降低道床板早期开裂风险;伴随着拆模龄期的延长与拆模温度的升高,拆模后无砟道床4 h内温度改变量与道床混凝土开裂风险均呈降低趋势;相同配筋率下,减小钢筋直径可降低桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道早期开裂风险。

基于DIC技术的钢筋混凝土梁剪切裂缝自动提取与量化方法

针对钢筋混凝土梁实验中剪切斜裂缝的自动化定位、全域范围内各方向宽度量化及扩展追踪问题,该文提出一种基于数字图像相关技术(DIC)的裂缝自动提取与宽度量化的计算方法。由DIC计算得出的水平、竖直、剪切应变场来计算试件表面的主拉伸应变场,并将试件表面主应变大于某一阈值的部分视为开裂。对开裂部分进行形态学操作,提取出裂缝骨架线。在骨架线两侧定义裂缝运动参考点,根据参考点的运动来计算裂缝的发展规律。该计算方法实现了混凝土梁加载过程中任意方向上裂缝自动化检测及高精度量化,并且能够处理试件局部旋转的问题,充分了利用DIC测量技术的潜力。通过实验室内四组钢筋混凝土梁剪切实验验证该方法的有效性与精度。结果表明:该方法能够在多加载阶段实时追踪全域范围内各方向的裂缝开展并量化。

普速铁路隧道整体道床下沉产生机理与整治技术优化研究

随着列车轴重、轴次的不断增长和服役年限延长,于上个世纪70年代修筑的普速铁路隧道整体道床陆续出现开裂、不均匀沉降等病害。本研究从病害产生机理出发,以兼顾行车与施工的前提下,对既有病害整治方法进行优化,提出使用快速早强材料注浆抬升道床、修复裂缝和同步更换支承垫石的方法。整治效果表明:该施工方法对于整治现有普速铁路整体道床不均匀沉降和开裂是可行的;注浆后现场实测轨距、水平、高低等静态检查结果符合作业验收标准;轨检车动态检查结果表明整治后轨距、水平、左高低、右高低、垂向加速度等项目标准差较整治前分别下降59.85%、16.07%、68.69%、72.53%、29.51%;本研究将为类似普速铁路隧道整体道床病害整治提供实证依据。

琼东南盆地深水区垂向裂隙识别及其分布特征研究

琼东南盆地发育大量垂向裂隙,垂向裂隙在油气运移成藏中起到了关键性的作用。但目前对于琼东南盆地垂向裂隙系统刻画方面的研究尚不深入。本文采用基于广义频谱分解的蚂蚁追踪裂隙识别方法对琼东南盆地垂向裂隙进行检测。实际应用表明该方法可以有效识别琼东南盆地垂向裂隙,有效降低了高频噪声对裂隙刻画的影响。因此,该方法适用于琼东南盆地垂向裂隙识别,为基底天然气垂向沟通提供了技术手段。

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构底座混凝土优化及开裂性能研究

对于CRTSⅢ型板式无砟轨道结构底座混凝土的优化及开裂性能,文章通过进行工作性能、力学性能、体积稳定性能试验分析,得出不同的坍落度对混凝土的抗压强度、塑性收缩及干燥收缩的影响几乎可以忽略不计,但在施工时,坍落度影响底座混凝土的泌水层,因此应尽可能降低混凝土的坍落度;增加TK-ac型减缩抗裂剂会增加混凝土塑性收缩变形,降低干燥收缩变形,因此,在添加TK-ac型减缩抗裂剂后,要做好早期保湿养护工作,减少胶凝材料用量及用水量,以降低混凝土的早期塑性收缩,提高混凝土的抗裂性能。

改进YOLOX的跨座式单轨PC轨道梁面裂纹检测算法

PC轨道梁作为跨座式单轨交通系统的重要组成部分,其表面裂纹缺陷会直接威胁整个交通线的运营安全。针对传统PC轨道梁面裂纹检测精度低、效率低等问题,提出一种基于改进YOLOX的轨道梁面裂纹检测方法。该方法通过在加强空间特征提取网络中使用Ghost轻量化卷积提取目标特征,以降低模型计算复杂度;将自适应特征融合(adaptively spatial feature fusion,ASFF)模块嵌入特征融合层,让模型自适应学习各个特征层间的联系,加强网络对裂纹区域的重视程度;使用双三次插值法进行上采样,进一步提升网络检测性能。实验结果表明,改进后模型相较于原基准模型平均检测精度提升4.40%,在参数量上比原模型下降25.08%,每秒检测裂纹图像数量为119帧,说明模型在准确性和实时性方面符合实际工程需求。

回旋车辙试验仪与沥青混合料抗扭转性能

沥青路面在受到扭转力时,容易出现塑性变形和骨料飞散等病害,当前对于沥青混合料抗扭转性能的评价,尚无规范的试验方法和设备。为了研究沥青混合料抵抗扭转剪切性能的有效评价手段,该文介绍日本开发的3种设备的构造及工作原理,采用回旋车辙试验评价5种典型沥青混合料的抗扭转性能,分析沥青混合料抗扭转性能的影响因素。结果表明:沥青混合料的结构类型和胶结料种类对其抗扭转性能均有显著影响。虽然I-D改性沥青SMA-13混合料和高黏度改性沥青OGFC-13混合料具有相仿的动稳定度,但骨架空隙型混合料的抗扭转性能比骨架密实型更差。不同胶结料种类的沥青混合料在抗扭转性能上按优劣排序为:高黏度改性沥青+高模量剂、高黏度改性沥青、I-D改性沥青。半柔性铺装虽然抗扭转性能优异,但容易产生开裂。

交流电磁场钢轨表面裂纹高速检测信号处理模块开发

交流电磁场检测(Alternating Current Field Measuremnt,ACFM)技术因受速度和提离效应影响小,在钢轨裂纹高速检测中具有良好的应用前景,但信号拾取速度会导致裂纹信号频率发生偏移,造成量化误差、漏检和误检。为提高ACFM技术在钢轨裂纹检测中的可靠性,基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)研发了交流电磁场钢轨表面裂纹高速检测信号处理模块,采用理论推导方法分析了检测速度对裂纹信号频率偏移的影响,构建了检测速度与裂纹信号有效频率范围之间的关系。采用FPGA开发了具有截止频率自动跟踪检测速度的数字正交锁相放大器,同时,开发了完整的钢轨表面裂纹检测装置和实验系统,最终,通过实验验证了模块的检测能力和稳定性。

蒸养工艺下预制梁片开裂原因分析和处置方案探讨

针对蒸养工艺下预制梁片开裂问题,详细分析了蒸养工艺下预制梁片生产的现状,通过对比分析预制梁片混凝土原材料和配合比、预制梁片拆模和移梁时的梁体混凝土强度、蒸汽养护时降温时长、预制台座行走轨道的平顺度等关键指标,找出了导致预制梁片开裂,梁片表面局部出现微裂纹的原因,并提出了蒸养时的控制要点及预防梁片开裂相关措施,使预制梁片开裂问题得到有效解决。

CRTSⅠ型双块式无砟轨道混凝土抗裂技术研究

CRTSⅠ型双块式无砟轨道受施工工艺及环境因素等影响,在一些薄弱环节易产生裂缝,影响高铁运营,引发安全事故。根据CRTSⅠ型无砟轨道预埋轨枕周边约束条件、底座板、道床板结构受力特点,平衡改善结构收缩变形和收缩应力,建立“水化-温度-湿度-约束-应力”多场耦合开裂风险模型,采用多场耦合模型、抗裂风险预控、抗裂措施管控、实时原位监测、动态措施保障相结合的方法,解决了CRTSⅠ型双块式无砟轨道混凝土裂缝病害,保证了混凝土结构施工质量。

基于改进Faster R-CNN和正交投影的无砟轨道板裂缝精细化测量

裂缝的检测和宽度识别是无砟轨道板养护维修作业的重要依据。为此,提出一种基于改进Faster R-CNN和正交投影的裂缝宽度测量方法,并基于虚拟模型合成数据,充分训练深度网络,实现对复杂背景下无砟轨道板表面裂缝的精准检测,以提高裂缝几何特征量化的可靠性。首先,基于二维CAD图纸建立参数化的无砟轨道结构三维BIM模型,并通过UE5物理引擎实现真实裂缝特征与虚拟轨道模型的随机融合和真实巡检场景渲染;然后,通过配置虚拟摄像机输出,模拟真实巡检场景下的虚拟裂缝图像,充分训练改进后的Faster R-CNN网络,并在轨道巡检车采集到的原始图像上进行测试;最后,采用正交投影法逐像素地计算检测结果中裂缝的宽度,并与人工取点测量结果进行对比分析。结果表明:改进后的Faster R-CNN网络对于裂缝检测的平均精度提高约10%;网络性能随训练数据的虚实图像比例而变化,于4∶1时达到饱和,平均精度达95.12%;使用融合裂缝数据集训练出的网络模型能够在保持高精准率的同时,达到更高的召回率,有效减少了裂缝的错检、漏检;与人工测量相比,正交投影法测得的裂缝最小宽度与最大宽度分别增大了3.64%和22.40%,测量结果更加稳定且接近真实值,具有更高的可靠性。

基于多目标级联深度学习的无砟轨道板表面裂缝测量

轨道板劣化严重程度判识是工务养维的重要基础,而裂缝识别与宽度的精确测量是判识劣化程度的重要依据。基于传统机器视觉的轨道板裂缝判识易漏检、错检,复杂背景条件下检测精度较低,计算成本较高。现有深度学习方案虽然提升了检测精度,但存在单一模型处理效率低,多裂缝目标分割粗糙等问题。本文提出一种基于深度学习的多目标级联算法,通过图像分类网络、实例分割网络和正交投影法的级联处理和特征传递,实现针对高速铁路无砟轨道板裂缝的精细化测量。该算法首先基于图像分类网络快速筛选巡检数据并捕获含裂缝图像;然后基于实例分割网络从图像分类网络的输出中逐像素地分割出独立的裂缝目标的边界,并作为正交投影法的输入;最后基于正交投影法沿裂缝边界提取单像素骨架及轮廓并计算连续宽度。研究结果表明:所提出的多目标级联算法的平均精度(AP)达到70.7%,相较于传统像素级的深度学习模型(Mask R-CNN)提升23.6%;综合处理效率达到63.44FPS,达到单一SOLOv2网络的3.6倍,有效克服了单一分割模型对健康图像的冗余计算。进一步地,多目标级联算法的裂缝宽度测量范围是传统人工测量方法的1.15倍且标准差更小,有效地解决了传统人工局部测量导致的宽度突变。此外,基于研究成果统计得到了无砟轨道板裂缝的宽度分布,可以作为裂缝的发展预测及轨道结构科学养维的潜在指标。

基于多物理场耦合的双块式无砟轨道早期混凝土时变行为研究

针对无砟轨道道床混凝土早期开裂问题,基于多物理场耦合理论,提出一种适用于浇筑早期的双块式无砟轨道水化-热-湿-力耦合计算模型,利用既有试验验证模型合理性,获取无砟轨道道床早期各物理场的时空分布规律,进行开裂风险预测。结果表明,与试验结果对比,本文模型对早期混凝土各物理场的模拟较为合理,尤其对表面干燥下的湿度场、复杂应力场的计算具有较强的适用性;道床水化速率先迅速增大后逐渐减,至第7 d基本停滞,最大水化速率出现在浇筑后约7 h,不同深度的水化度发展一致;受水化热影响,浇筑后24 h道床温度呈升高趋势,后受环境影响程度增大,随环境温度呈日周期变化;道床相对湿度及含水量呈垂向梯度分布,支承层对道床底部的干燥作用较为明显,水化耗水是导致道床内含水量降低的主要因素;道床早期应力及开裂风险呈周期性变化,最大开裂风险达到1.0,位于轨枕与道床的结合面处,并预测了道床早期开裂的3种主要形式。

CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角裂缝产生机理及结构优化措施研究

针对高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板施工过程中限位凹槽出现的四角裂缝病害,引入混凝土损伤塑性本构关系,建立底座板限位凹槽非线性随机损伤有限元分析模型,研究底座板凹槽四角裂缝产生机理并提出结构优化措施。研究结果表明:在较大负温度梯度荷载作用下,底座板凹槽四角位置会出现与现场实际情况相符的受拉损伤,负温度梯度为底座板凹槽四角裂缝产生的主要温度荷载条件,现场应重点关注轨道结构的负温度梯度情况;倒角能明显提高底座板凹槽四角混凝土损伤产生的临界负温度梯度,对限位凹槽的损伤情况也有一定程度改善,建议限位凹槽四角倒角半径取80~100 mm。现场应用情况表明,限位凹槽四角倒角结构优化设计对抑制凹槽四角裂缝产生效果明显。

双块式无砟轨道裂纹研究

文中以郑万高铁湖北段ZWZQ-5标为例,立足于施工一线,对无砟轨道裂纹出现的部位、形式进行详实的统计,结合统计工具对其进行系统分析,找到了CRTS双块式无砟轨道裂纹的症结,并针对症结进行了原因分析,总结了防治措施,为后续问题的解决提供了依据。

基于热成像技术的无砟轨道裂缝检测创新实验设计与应用

无砟轨道整体道床在温度荷载作用下易产生开裂。为保证列车运行安全,早期微小裂缝应尽早发现并及时修复。高速铁路的线路巡检工作需在夜间列车停运后进行,这对无砟轨道结构裂缝检测人才的实践能力提出了较高的要求。结合工程现场的实际情况,创新地将热成像技术引入无砟轨道裂缝检测教学实验。课程有机地将模型制作、工况模拟与裂缝识别相结合,引导学生在课程中积极思考和探索。基于实验设计,学生进一步开展建模仿真分析,并深入工程现场开展实践,有效地将理论知识充分运用在实践中,为铁道工程专业培养出具有较高实践能力的人才起到了积极的推动作用。