基于弯沉斜率的CRTS-Ⅱ板CA砂浆层脱空长度评估方法

列车运动条件下CA砂浆层脱空病害的定量检测缺乏有效的评估指标,而基于轨道/车辆响应特征和轨道线形变化的检测方法以定性判断为主。为解决上述问题,采用弯沉斜率作为脱空长度病害的评估指标,开展多种条件下脱空长度的定量评估研究。首先,基于欧拉伯努利梁理论和Winkler模型,推导出轨道板弯沉斜率与变形速度之间的关系。建立车辆-轨道有限元动力学模型,设置多种不同的脱空长度。其次,研究列车以不同速度通过病害区域时,轨道板表面特定区域变形速度的分布情况,统计该过程中轨道板最大变形速度出现的位置与轮对中心的间距。再次,基于线性递减粒子群优化算法,求解最优的变形速度测量位置。最后,分析弯沉斜率的变化规律及其与脱空长度的关联。研究结果表明:弯沉斜率与脱空长度呈正相关,因此弯沉斜率不仅可以用于砂浆层脱空的识别,还可以用于脱空长度的定量评估;在不同的脱空工况下,变形速度的最优测量位置位于列车轮对中心前方2.4 m处,该位置对应的变形速度能更有效地反映出脱空产生的影响;在不同的速度条件下,弯沉斜率的平均绝对百分比误差的平均值为13.7%,对应位置变形速度的平均绝对百分比误差的平均值为112.93%;揭示了不同脱空工况条件下弯沉斜率的变化规律,给出了7种脱空条件下弯沉斜率变化的参考范围。

CA砂浆层破坏对无砟轨道结构受力特性影响

CA砂浆层掉块破坏是无砟轨道结构运营过程中最突出的病害之一,其破坏程度对无砟轨道结构运营的安全性与适用性具有重要影响。通过采用修正Burgers模型转换Prony级数表征CA砂浆的黏弹性,建立CRTSⅠ型板式无砟轨道结构三维有限元模型,通过模拟CA砂浆层在板端和板中不同区域薄层掉块,研究车轮荷载作用下不同掉块位置、不同掉块大小对无砟轨道结构动力特性和结构位移的影响,分析掉块处轨道结构损伤演变规律和趋势,给出破坏界限建议值,为无砟轨道结构的养护维修提供理论依据和指导。研究结果表明:无论板端还是板中掉块,CA砂浆层破坏造成轨道板垂向加速度、垂向位移和纵向拉应力增幅明显,CA砂浆层掉块边缘位置的压应力急剧增大,而底座板垂向位移及受力逐渐减小;车轮荷载作用下,CA砂浆层板端薄层掉块达到0.9125m,板中掉块达到1.25 m时,轨道板的垂向振动和CA砂浆的压应力将会显著增大,应及时对轨道结构进行检修,避免轨道结构破坏快速扩展。

CA砂浆脱空对框架型轨道板翘曲的影响分析

CA砂浆填充层作为框架型板式轨道关键结构层,长期暴露于自然环境中,受列车荷载冲击、温度循环以及水的侵害等作用,砂浆层与轨道板间易产生脱空,劣化轨道结构受力状态。基于无砟轨道弹性地基梁体模型,分析了正常状态和砂浆层与轨道板间出现脱空时框架型板式轨道在温度梯度荷载作用下的受力情况,并针对板端横向全部脱空和板边纵向全部脱空两种常见脱空形式进行分析。结果表明,较低的砂浆弹性模量可减小轨道板翘曲和缓解列车荷载冲击作用;对于脱空状态,在正温度梯度作用下,轨道板受力和板角翘曲变形受脱空程度影响较大,而对砂浆层受力影响较小;在负温度梯度作用下,轨道板和砂浆层受力状态受脱空程度影响均不明显。

基于动刚度的CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆层病害评估方法

以CRTSⅠ型板式无砟轨道结构CA砂浆层为研究对象,采用冲击荷载作用下轨道板的动刚度变化指数作为评估指标,进行CA砂浆层粉化和局部脱空病害评估研究。提出CA砂浆层病害分步评估方法,首先利用轨道板上少量测点初步定位病害,然后通过在初步定位病害区域密布测点对病害进行精细化评估。运用数值模拟方法分析CA砂浆层病害位置和程度对动刚度变化指数的影响规律,确定对应关系,据此提出用于CA砂浆层病害状态评估的建议准则,即将CA砂浆层病害状态分为AA,A1,B和C共4级,对应的动刚度变化指数分别为≥0.5,[0.2,0.5),[0.1,0.2)和<0.1。对1个实际轨道结构进行现场试验,并应用所提方法和准则对CA砂浆层的病害进行评估,评估结果和实际病害状况一致,证明所提方法的可靠性。

基于BP神经网络的CRTS Ⅰ型板式无砟轨道CA充填层损伤识别

本文以CRTS Ⅰ型板式无砟轨道为研究对象,采用ABAQUS建立CA砂浆充填层完好及各脱空损伤工况下的板式无砟轨道有限元模型,通过模态分析发现,相比于频率,振型对CA砂浆充填层脱空损伤更敏感。以参数化处理的振型作为BP神经网络的输入对各损伤工况下板式轨道CA充填层损伤位置进行识别发现,在两种识别模式(单损伤和双损伤)下,本文提出的方法可以准确地识别出所有工况中CA充填层的损伤位置。本文提出的基于BP神经网络的CRTS I型板式无砟轨道CA充填层损伤位置识别的方法是可行的,有望为无砟轨道的安全诊断提供有效的技术支撑。

一种基于GBRT算法的CA砂浆脱空检测方法

不同于现有检测方法,利用CA砂浆脱空和非脱空情况下采集到的声音信号不同,提出把机器学习领域中的GBRT算法应用到CA砂浆脱空检测领域。利用脱空和非脱空情况下采集到的数据,使用GBRT算法训练出一个二分类模型;通过对输入数据做类别决策,判断对应的采集位置是否脱空。介绍算法原理,并结合CA砂浆脱空问题,分析模型的使用技巧;引入其他主流机器学习分类算法进行比较分析。实验结果证明,GBRT算法构造的模型性能较好,在CA砂浆脱空检测领域具有应用前景。

保证CRTSⅠ型轨道板CA砂浆充填层灌注质量的施工技术

在CRTSⅠ型轨道板铺设施工中,CA砂浆充填层易产生皱褶、空鼓、气泡夹层、上下分层、表面气泡层和富浆层等情况,为保证施工质量,总结出科学的灌注工艺,并应用于哈大客运专线TJ-2标段实际工程中,取得了良好的效果。

CRTSⅡ型无砟轨道CA砂浆层脱空的瞬态机械阻抗法检测试验研究

针对目前高速铁路CA砂浆层出现脱空没有有效准确的检测手段的问题,采用瞬态机械阻抗法对CRTSⅡ型无砟轨道CA砂浆层脱空进行检测试验研究。以石家庄铁道大学内全尺寸模型中的预设CA砂浆层脱空缺陷为检测对象,分析了轨道板支撑不同状态下的导纳频谱曲线和平均导纳值呈现的规律,发现与正常区域相比脱空区域平均导纳值较大,且导纳频谱曲线出现多峰等剧烈变化,可以识别支撑情况;但是由于动刚度的变化规律较为混乱,不能很好的反映板底支撑情况,故不选择其作为本次检测的识别参数。分析与试验结果表明:瞬态机械阻抗法可以有效地对轨道板底的支撑情况做出检测识别,反映CA砂浆的离隙和脱空状况。

考虑CA砂浆黏弹特征的轨道-路基动力响应分析

为探究轨道-路基结构的动力响应及结构存在损伤时对系统动力响应的影响,以速度350 km/h的高速铁路无砟轨道-路基结构为研究对象,建立无砟轨道-路基-地基大耦合的全尺寸三维数值模型,考虑CA砂浆黏弹特性与土体材料非线性,模拟轨道-路基系统在10 s动荷载作用下竖向动位移、动应力及动加速度的变化规律。研究结果表明:考虑CA砂浆层和土体的非线性属性时,与弹性材料相比无砟轨道-路基结构的竖向动位移和动加速度的计算结果均增大、竖向动应力均减小。CA砂浆层掉块对轨道板的竖向动位移、动应力和动加速度影响显著;底座板以下结构的动力响应降幅明显。由此得出结论:低弹模的CA砂浆起到了良好的调整和减振作用。当分析轨道-路基系统整体的竖向动位移,以及轨道板的竖向动应力和竖向动加速度时,保证计算结果准确性,需考虑两种材料的非线性。CA砂浆层脱空区域边缘的竖向动应力增长明显,当CA砂浆板中掉块长度达到1.25 m时,应尽快维修。

CA砂浆层脱空对轨道动力响应及砂浆疲劳寿命的影响

基于轮轨系统耦合动力学原理和模态叠加法,建立了考虑水泥沥青砂浆层(CA砂浆层)脱空的高速列车-CRTSⅠ型板式无砟轨道垂向耦合动力学模型,分析了板端脱空和板中脱空对钢轨、轨道板和CA砂浆层动力响应的影响,并借助线性累积损伤理论对常温和低温环境下CA砂浆的疲劳寿命进行了分析。结果表明:CA砂浆层脱空对轨道板垂向位移和CA砂浆层动压应力的影响十分显著;与板中脱空相比,板端脱空对无砟轨道结构动力响应的影响更为不利;在常温、低温环境下,板端CA砂浆层脱空长度不宜大于1.6486、0.9063 m;脱空区域的砂浆应及时修补,降低砂浆的损伤速率。

高速铁路CA砂浆层-轨道板系统高频振动分析

高速铁路CA砂浆层-轨道板系统高频振动分析是高速铁路轮轨噪声研究的重要组成部分,其分析频率高达数千赫兹。以往对其的研究大多为静力学分析,而少量的动力学分析所涉及的频率都比较低。对高频振动问题,如果直接使用有限元商业软件,不但有计算效率不高的问题,而且不方便开发独立的轮轨噪声预测模型。以CA砂浆层和轨道板全为实体单元的有限元模型分析结果为基准,对比几种相对简单的有限元模型的分析结果以及采用模态叠加法的分析结果。对比分析表明,在所关心的频率范围0~2 000 Hz内,简化的薄板-弹簧阻尼器有限元模型和模态叠加法均能给出足够精确的结果。

CA砂浆功能层水泥混凝土路面结构层应力分析

水泥混凝土路面具有承载力高、扩散荷载能力强、抗滑性能好、设计使用年限长等优点。然而,由于水泥混凝土面层与基层之间的不良支撑状况,是其使用寿命往往达不到设计使用年限的重要原因之一。为防止薄弱过渡层的产生,保护基层免受雨水的冲刷,在水泥混凝土路面结构中增设CA砂浆功能层,利用ABAQUS有限元软件建立静荷载作用下的路面结构三维有限元模型,分析设置CA砂浆功能层前后路面结构所受荷载应力的变化,探讨CA砂浆功能层的作用。研究发现,CA砂浆功能层可显著改善面板与基层之间的不良接触问题,防止水泥混凝土面板底部薄弱过渡层的产生,改善面板与基层的受力状况。

无砟轨道CA砂浆层病害探地雷达检测及三维正演模拟

无砟轨道在长期列车荷载与外部环境的作用下其结构中CA砂浆层会出现空洞、脱空等损伤病害,这些损伤病害对铁路运营的安全产生巨大了的威胁。因此,对无砟轨道CA砂浆层的病害的防治与检测显得尤为重要。通过对多种无损检测方法的比对择优,采用探地雷达的探测方式,基于时域有限差分法编制Matlab程序,对地电模型进行三维正演模拟,确定探地雷达技术的可行性,而后建立无砟轨道板物理模型,在CA砂浆层设置不同大小的空洞病害,并使用探地雷达对模型进行探测,验证技术的可行性。研究结果表明:轨道板中分布的钢筋网对无砟轨道CA砂浆层病害的检测有着不同程度的影响;设置正反探测路线,能够准确识别出处于钢筋网环境下的病害的位置;随着空洞直径的逐步缩小,空洞的信号特征成减弱趋势。

基于CNN的CA砂浆层脱空识别方法研究

CA砂浆层脱空缺陷是无砟轨道隐蔽性病害的重要形式,脱空缺陷的检测识别对于保持无砟轨道状态至关重要。采用扫描式冲击回波测试系统(IES)对高铁实体模型中预设了砂浆病害的CRTSⅡ型板式无砟轨道进行检测。基于Hilbert-Huang变换和卷积神经网络(CNN),提出一种CA砂浆层脱空识别方法。首先,分析回波信号的Hilbert谱图,研究信号多频带特征表达方式;然后,以实体模型回波测试信号为基础,建立训练和测试数据集;最后,构建CNN网络,对CA砂浆层有无脱空缺陷、缺陷尺寸进行分类识别。研究结果表明:该方法对于CA砂浆层脱空缺陷识别率达到98.75%,预设脱空大小识别率达到98.3%。

基于轨道振动的CA砂浆层劣化识别研究综述

CA砂浆层是无砟轨道连接轨道板与底座板的关键结构层,在列车荷载和温度等因素的影响下,CA砂浆层难以避免会出现离缝、脱空等劣化现象,严重时会显著增加轨道的振动响应,影响列车安全运营。文中从理论研究、有限元分析、试验研究3个方面回顾了CA砂浆层劣化对轨道振动的影响研究,综述基于轨道振动的CA砂浆层劣化损伤识别方法,主要包括冲击回波无损检测、探地雷达法、弹性波法、机械阻抗法和传感器检测,以及3种数据处理思路,结构模态参数分析、动力响应和机器学习。最后,在文献调研的基础上对研究现状进行了简要总结,指出了现有研究的不足,并提出了关于CA砂浆层劣化识别方法的思考与建议。

设CA砂浆功能层水泥混凝土路面荷载应力的影响参数分析

水泥混凝土路面面层和基层接触不良是导致路面损害的主要原因,在面层与基层间设置功能层是一种行之有效的方法。提出了一种新的功能层—水泥乳化沥青砂浆(简称CA砂浆)功能层,拟借助CA砂浆这种半柔性材料,改善层间接触状态,延长水泥混凝土路面的使用寿命。通过有限元软件建立设CA砂浆功能层的水泥混凝土路面结构三维有限元模型,对不同结构层参数下的路面结构进行荷载应力分析,进而对路面结构层主要参数的取值提出合理性建议,优化路面结构组合。

车轨路地耦合系统CA砂浆层劣化垂向动力传递特性的研究

车辆滚动循环载荷作用下CA砂浆层常发生劣化以致失效,为真实反映CA砂浆层在整体系统中的作用特性,建立车辆-轨道-路基-地基耦合系统,分析当CA砂浆层发生不同程度劣化时轨道子系统各层的垂向动力响应变化情况。仿真与信号分析结果表明,CA砂浆层服役性能的优劣影响轨道子系统的载荷传递性能,且劣化长度过长时会改变轨道板-CA砂浆层耦合层的模态特性,导致其各阶次固有频率前移更易发生共振,砂浆层约束能力的减弱叠加共振影响致使轨道板垂向位移在动态荷载作用下超过《高速铁路工程动态验收技术规范》对轨道结构动力性能评判标准的规定限值,轨道服役性能下降。

CRTSⅡ型轨道板CA砂浆灌浆施工技术

CRTSⅡ型无砟轨道CA砂浆灌浆是进行轨道板固定及封边和纵向连接之间的一道大工序。由于CA砂在CRTSⅠ和CRTSⅡ轨道的铺设中原料组成和性能的不同,从而施工中需要注意的难点也不同,我国对CA砂浆的研究应用还处在起步阶段,因此许多实际问题需要探讨,寻找有效的解决方法。就实际灌浆施工中出现的气泡、贯穿孔、分层等施工质量缺陷给出一定的解决办法。

移动荷载下设CA砂浆功能层的水泥混凝土路面结构受力分析

为了改善水泥混凝土路面面层和基层间的不良接触状况,提出了在面层和基层间设置水泥乳化沥青砂浆(简称CA砂浆)功能层的措施,借助CA砂浆功能层的材料特性,改善面层和基层的不良受力状况,延缓水泥混凝土路面结构的早期破坏。为了更好地分析路面结构的实际受力状态,有必要进行路面结构在移动荷载作用下的力学响应分析。将运动的车辆荷载等效简化为匀速移动的面荷载,建立路面结构三维有限元模型,分析设置CA砂浆功能层前后路面结构所受荷载应力的变化,探讨CA砂浆功能层的作用。

CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆充填层施工关键工艺

CRTSⅡ型板式无砟轨道是杭甬铁路客运专线的主要轨道结构型式,水泥乳化沥青砂浆充填层是其重要组成部分,直接影响轨道结构的耐久性、安全性和运营成本。水泥乳化沥青砂浆具有组成复杂、敏感性高、施工工艺复杂等特点。经过多条高速铁路客运专线的建设,我国已基本形成了CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆充填层的成套施工技术,并编制了相应作业指导书。但工程实践表明,砂浆充填层的施工质量仍是无砟轨道质量控制的难点和关键点。以杭甬客专无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层施工为例,分析和总结影响砂浆充填层施工质量的关键点,为完善我国CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆充填层的施工工艺、提高充填层施工质量提供参考。