基于数字图像相关的地聚物混凝土轨枕的力学性能分析

随着混凝土轨枕在我国的广泛应用,混凝土的生产带来大量的能源消耗和碳排放。地聚物作为一种新型低碳材料,能在节能减碳的同时消耗矿渣和粉煤灰等固废。目前,针对地聚物应用于铁路轨枕的相关研究,如混合使用水泥与粉煤灰、矿渣的地聚物混凝土轨枕及其裂缝扩展特性的研究还比较有限。本文设计2种配合比的地聚物混凝土并制造成轨枕,使用数字图像相关(Digital Image Correlation)技术,在轨下截面的三点弯曲实验下分析2种配合比下轨枕挠度、裂缝扩展特性及裂缝宽度发展规律。研究结果表明,2种配合比地聚物混凝土轨枕的抗弯承载力均高于普通混凝土轨枕。相比于普通混凝土轨枕,地聚物混凝土轨枕在较低的静荷载作用下挠度较大,但随着荷载的增加轨枕挠度的增长速度较慢,刚度损失较小,弹性阶段延续的荷载区间更长,这种特征在配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕上更为显著。2种配合比的轨枕微裂纹萌生的荷载相近,分别为130 kN和120 kN。在较低荷载下2种轨枕裂缝扩展相差不大,在较高荷载下配合比为Geo100的地聚物轨枕的裂缝发展加快,裂缝宽度值和增长速度都大于Geo50。配合比为Geo100的地聚物混凝土轨枕主要表现为受弯正截面破坏,配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕主要表现为受剪斜拉破坏。掺入部分水泥代替矿渣和粉煤灰的地聚物能使所制成轨枕在较高的荷载下保持更高刚度和更缓慢的裂缝扩展速度,该方案有助于推动地聚物应用于混凝土轨枕,促进铁路双碳战略贯彻与实施。

基于离散元研究裂缝对轨枕动力特性的影响

为研究具有内部缺陷的混凝土轨枕对轨道结构动力特性的影响,采用PFC软件建立二维混凝土轨枕模型,对其施加正弦循环荷载。在左侧钢轨下方的轨枕内部中心线设置横向、竖向裂缝,并考虑3个不同幅值荷载的作用,对比不同内部缺陷和幅值荷载下钢轨、轨枕的动力响应。研究结果表明:对于均匀弹性基础上的轨枕,钢轨下方区域轨枕内部缺陷对钢轨的动力响应几乎无影响;只有裂缝周围的轨枕局部动力特性会受到影响,横向裂缝会导致裂缝下方轨枕的位移减小,竖向裂缝会导致裂缝周围局部位移增大,但影响很小;裂缝区域轨枕速度差别不大,但裂缝区域轨枕加速度幅值有突变,最大值约为无裂缝轨枕加速度的1.5倍,并且横裂缝轨枕的局部加速度幅值比竖裂缝的大;随着荷载幅值增加,裂缝对轨枕局部动力响应的影响加剧;采用离散元构建的非均质混凝土轨枕模型可以模拟带缺陷混凝土轨枕的相关问题,其得到的数值解可靠。

基于改进算法YOLOv5+的混凝土轨枕裂纹检测

基于既有研究成果在对混凝土轨枕裂纹检测效率不足的基础上,提出一种改进算法YOLOv5+,主要以YOLOv5网络模型为基础,对混凝土轨枕裂纹进行高效检测。首先,采用分治标签的策略来增大裂纹在标签中的实际占比,从而解决混凝土轨枕裂纹尺度变化大的问题,使网络更利于提取有效特征;其次,将YOLOv5网络结构中SPP模块的最大池化层改为平均池化层,减少裂纹漏检的现象;同时,在YOLOv5骨干网络中嵌入SE注意力模块(Squeeze and Excitation,SE)提高对细小裂纹的检测能力;最后,结合新的检测尺度与特征融合网络,降低微小裂纹的漏检现象。实验结果表明,以YOLOv5网络模型为基础的改进算法YOLOv5+,除了召回率Recall变化不大外,精确率Precision提高6.5%,平均精度均值mAP提升8%,帧率FPS也有所提升,能够满足实时性的检测需求。

隧道内双块式无砟轨道受力特征及防裂优化措施

针对隧道仰拱施工缝位置双块式无砟轨道道床板在施工阶段裂纹多发进而影响无砟轨道长期使用寿命的问题,建立纵连式和单元式双块式无砟轨道有限元整体模型,分析了不同工况下仰拱施工缝位置道床板的主拉应力,讨论了混凝土收缩以及整体温度荷载作用下混凝土应力状态,并基于分析结果从结构优化以及施工角度提出了双块式无砟轨道裂纹预防措施。结果表明:对于施工缝区域,纵连式道床板主拉应力随基底刚度增大而降低,单元式道床板主拉应力随板长减小而降低;采用植筋措施能够有效降低两种道床板结构在施工缝的应力水平,道床板主拉应力随植筋间距减小而减小。综合考虑,建议实际工程中在道床板跨越施工缝区域采用植筋措施,植筋间隔两根轨枕布置。

一种双块式轨枕外形外观质量自动化检测系统

双块式轨枕是我国高速铁路建设采用最多的预制构件,传统人工检测方法效率低、精度差,无法完全满足检测需求。为解决该问题,基于高精度三维激光扫描仪和高分辨率工业相机,研发一种双块式轨枕外形外观质量自动化检测系统,该系统将检测系统与生产线进行集成,使检测系统具备自动化在线检测功能。另外,研究轨枕三维点云和高清图像自动化采集技术、三维点云数据分析处理技术、轨枕图像分析处理技术,通过点云分割、模型重建算法以获得轨枕关键部件的模型数据,实现轨枕外形尺寸自动检测;通过图像模板匹配和图像深度学习算法,实现轨枕编号与轨枕裂纹智能识别。研究结果表明,系统的检测精度可达到0.1 mm,检测效率优于3 min/组,裂纹识别准确率优于95%,检测项目和检测精度满足相关规范要求,并具有自动化、实时性、高精度、高效率的优点。

基于YOLO-v5的双块式轨枕裂缝智能识别

轨枕正常工作是高速铁路安全运营的重要保障,开展轨枕裂缝的损伤检测研究意义重大。建立YOLO-v5裂缝目标检测模型,将计算机视觉技术应用于双块式轨枕裂缝的智能识别研究。通过图像标注、参数选取、模型构建、模型训练及模型预测等步骤完成轨枕裂缝目标检测试验,研究结果表明:YOLO-v5目标检测模型参数选取合理,模型训练结果准确,无过拟合或欠拟合现象发生;轨枕裂缝目标检测模型的识别正确率为98.35%,mAP值为48.72%,Recall值为90.32%,单张图片识别速度为0.01 s,说明模型预测结果可满足实际工程对精度和实时性的要求;通过对正常光照、暗光线及微裂纹等不同条件下裂缝的识别,YOLO-v5目标检测模型表现出高精度智能识别,体现了模型良好的泛化能力和鲁棒性,说明模型可以满足实际工程复杂工况的需求。

西安地铁地裂缝段道岔区轨道结构研究与应用

结合西安地铁2号线的地裂缝特性、线路条件及轨道技术要求,通过方案比选,确定在地裂缝影响区域内的道岔区采用碎石道床并配置预应力混凝土岔枕的方案。采用有限元方法与传统计算方法对照进行岔枕的结构分析,针对地铁荷载、轨道结构高度及岔区设置条件等因素,合理确定岔枕的外形尺寸及钢筋配置。这一轨道结构已在西安地铁2号线成功运营使用超过1年,在国内地铁碎石道床道岔地段开始取代传统木岔枕结构。

双块式无砟轨道轨枕裂纹内动水压力特性研究

本文针对典型轨枕松动后雨水浸入导致裂纹加剧的问题,基于高速列车荷载作用及雨水浸入条件下,建立了轨枕-水流固耦合动力学计算模型。为验证计算模型的正确性,浇筑带裂纹的模型试件,采用万能伺服液压机施加循环动荷载、高灵敏度传感器测量裂纹内水压力,开展了轨枕松动吊空的裂纹内动水压力试验。建立与试验条件一致的理论计算模型,试验数据与理论计算结果之间有误差存在,但是实验曲线与理论结果的变化趋势一致,计算模型具是有效的。以列车速度为300 km/h时为计算实例,分析裂纹内计算点水压力变化特性。计算结果表明:(1)轨枕裂纹内压力随着循环荷载的变化呈正负交替变化;(2)当轨枕上没有外荷载作用时,仍然出现了两次水压力的峰值;(3)轨枕周边裂纹水压力,随着裂纹深度方向增加,裂纹水压力增大。(4)轨枕底部裂纹水压力在轨枕的中心位置达到最大值。

枕下套靴硬化对预应力配筋弹性长枕强度影响

在对预应力混凝土轨枕进行强度计算时,通常将混凝土轨枕简化为梁单元或建立未施加预应力的混凝土枕空间有限元模型,这种方法无法体现轨枕在实际预应力配筋下的真实应力.本文建立了能够考虑轨枕实际截面尺寸和预应力配筋的新型计算模型,对预应力轨枕受力与变形进行了分析,并与未配筋情况的轨枕受力进行了对比,说明建立这种新型计算模型的必要性.利用新型计算模型,对地铁用长枕套靴式减振轨道枕下套靴硬化对轨枕强度影响的问题进行了分析,得出了枕中裂纹产生原因,并给出了套靴硬化的限值.

混凝土轨枕抗力的影响因素及其计算方法研究

为探讨简便有效的混凝土轨枕截面抗力计算方法,首先从混凝土轨枕设计、生产、运输、使用等方面,对影响混凝土轨枕截面抗力的各种因素进行详细分析和归纳总结,并基于混凝土轨枕的静载抗裂荷载试验数据及其统计分析,首次提出推求混凝土轨枕截面抗力的思路及计算方法。分析表明,由混凝土轨枕的截面静载抗裂荷载统计分析结果,可得到混凝土轨枕截面抗力的统计特征参数及其概率密度表达式,且混凝土轨枕截面抗力的概率分布与静载抗裂荷载的概率分布相同。算例结果表明,混凝土截面抗力服从对数正态分布,所提出的方法是有效的,可为混凝土轨枕的可靠度评价提供抗力依据。

预应力混凝土枕螺栓孔区纵向裂纹计算分析

预留螺栓孔区纵裂是铁路预应力混凝土枕伤损的主要形式 ,使用中的轨枕发生纵裂的概率几乎是 10 0 % ,这大大缩短了轨枕的使用寿命 ,危及行车安全 .应用弹性力学理论进行了力学计算分析 ,揭示出纵裂产生的根本原因在于预压应力等产生的孔区局部拉应力过大 ,其值远远大于混凝土的抗拉强度 ,所以 ,轨枕未出厂往往就已出现微裂纹 .轨枕上道后 ,在预压应力和上拔力共同作用下 ,螺栓孔区应力分布更加不均匀 ,拉应力的数值增大 ,使纵裂更加严重 .因此 ,螺栓孔纵裂是必然的 .

双块式无砟轨道枕边裂缝水力伤损特性

针对双块式无砟轨道枕边裂缝水力伤损问题,推导出动荷载作用下枕边裂缝内动水压力分布解析式并建立枕边裂缝扩展计算模型,分析列车运行速度及裂缝几何形态对动水压力与裂缝扩展特性的影响规律。结果表明:随着列车趋近或远离,枕边裂缝内动水压力值呈正负交替状态,当轮对与转向架临近伤损区时,裂缝内动水压力分别达到最大值和最小值;随着裂缝开口量减小、列车运行速度及裂缝长度的增加,枕边裂缝内动水压力与等效应力强度因子增大,比较而言,裂缝几何形态是枕边裂缝扩展的控制性因素;枕边裂缝疲劳寿命受裂缝初始长度控制,其随裂缝初始长度增加显著减小,列车运行速度是裂缝疲劳寿命的关键影响因素,列车运行速度的提升明显增大了裂缝疲劳扩展速率。

轨枕预留螺栓孔纵裂原因及改进措施

随着我国混凝土枕大量推广使用 ,轨枕出现了一些不适应的情况 ,其中螺栓孔纵裂伤损尤为严重 ,成为近十年来影响轨枕寿命的主要因素之一。本文主要对我国混凝土枕螺栓孔纵裂原因进行分析 ,提出局部特殊混凝土改进的思路。

双块式无砟轨道枕边裂纹水力特性研究

针对双块式无砟轨道枕边裂纹,采用ANSYS计算软件,建立流固耦合三维模型,在列车荷载和水耦合作用下,对双块式无砟轨道枕边裂纹内部动水压力和水流速度的分布和变化规律进行模拟计算,为双块式无砟轨道枕边裂纹的防治和维修提供理论基础。研究结果表明:裂纹内水压力最大值发生在裂纹中部尖端处,而最大水流速度发生在裂纹中部出口处;最大水压力和最大水流速度随着荷载幅值和频率的增加而增加,且荷载频率对水压力和水流速度的影响较大;随着裂纹开口量的增加,最大水压力和最大水流速度反而减小,但裂纹深度越深,最大水压力越大,且最大水流速度随着裂纹深度的增加最后成线性增加趋势。因此,裂纹深度是影响枕边裂纹水压力和水流速度的一个关键因素。

编组站轨枕埋入式无砟轨道裂缝稳定性评估及轨枕松动修复研究

针对编组站驼峰缓行器前端的轨枕埋入式无砟轨道新旧混凝土界面开裂问题,基于断裂力学理论建立了轨枕边缘道床板裂缝稳定性计算模型。通过轨枕周边裂缝处的应力强度因子评价了裂缝稳定性;提出了裂缝修复材料的合理参数取值,并验证了有效性和可行性。结果表明:温度荷载是影响埋入式轨枕周边裂缝稳定性的主要因素,降温幅度越大,轨枕周围道床板的容许初始裂缝深度越小,轨枕越容易松动;为有效限制修复后裂缝的扩展,采用环氧树脂混凝土对编组站缓行器前端无砟轨道的轨枕松动病害进行修复时,应在环境温度15℃左右的春秋季节进行修复工作,修复层厚度在40 mm左右为宜。

预应力钢纤维高强混凝土特种轨枕的疲劳特性

采用双重和多重复合技术， 在预应力高强混凝土轨枕的基础上分别制备了预应力钢纤维高强混凝土和预应力钢纤维硅灰高强混凝土特种轨枕；在５００ ｋＮ 伺服液压疲劳试验机上测试了三个系列轨枕疲劳荷载时裂缝宽度和高度的变化规律．研究结果表明，由于钢纤维的阻裂效应，显著提高了高强混凝土轨枕的抗疲劳性能；再因硅灰的填充效应、微集料效应和火山灰效应改善了高强混凝土内部的微观结构，尤其是界面结构， 使预应力钢纤维高强混凝土轨枕的抗疲劳性能进一步提高．该轨枕不仅可用于特殊应力下承担复杂荷载，而且可带裂缝工作．

预应力混凝土枕螺栓孔部位受力分析

预应力混凝土轨枕螺栓孔纵裂伤损是我国轨枕伤损中较为严重的一种,是近十年来影响轨枕寿命的主要因素之一。从力学角度,采用三维有限元模型,用SAP90分别对预应力混凝土轨枕上道前和上道后螺栓孔部位的受力进行了详细的计算和分析,总结出螺栓孔区域受力变化规律,并指出螺栓孔部位局部拉应力过大是造成螺栓孔纵裂的根本原因。

桥上长枕埋入式无砟轨道疲劳试验

为了研究客货共线条件下桥上长枕埋入式无砟轨道结构的受力特性与耐久性,基于应力相似原则设计一组纵梁,采用与施工现场相同的材料、工序制作出足尺无砟轨道模型,开展桥上长枕埋入式无砟轨道疲劳试验,得出客货共线条件下长枕埋入式无砟轨道模型的应力、应变与变形的分布规律以及疲劳损伤的发展形态。试验结果表明,长枕埋入式无砟轨道可以较好地适应客货共线条件下的铁路桥梁,在疲劳荷载全过程中,轨道结构整体性良好,应力、应变水平较为稳定,未出现明显的结构破坏与应力重分布现象。在4.5 Hz和12.5~37.5 kN荷载作用下,桥上长枕埋入式无砟轨道整体为受压状态,最大压应力3.3 MPa出现在轨下位置,最大拉应力1.04 MPa出现在桥面板板底位置,门型筋最大拉应力为10.2 MPa。疲劳荷载作用下,长枕与道床板新旧混凝土交界处率先出现裂缝,随后长枕端部出现朝向道床板边缘的延伸裂缝,累计300万次疲劳荷载后,道床板板中出现纵向、横向贯通裂缝。针对长枕埋入式无砟轨道新旧混凝土界面开裂问题,进行界面剂黏结性能对比试验,试验结果表明,硅灰水泥基界面剂可以有效抑制疲劳荷载作用下界面处裂缝开展。

基于YOLOv3改进算法的轨枕裂纹检测研究

针对在现有轨枕裂纹检测中传统检测方法检测效率低和精度差的问题,本文提出一种基于YOLOv3改进算法的轨枕裂纹检测模型。首先,通过灰度投影法对原始有砟道床图像中的轨枕区域进行定位和分割;其次,将挤压与激活模块和空间金字塔池化引入改进的网络模型中,有效抑制轨枕图像中其他冗余的特征干扰,空间金字塔池化保证了原始图像的比例,对分割得到混凝土轨枕区域的裂纹状态进行进一步的检测;此外,通过将改进网络模型中的损失函数回归预测部分改进为新的CIoU函数,提高了模型的预测准确程度。经实验结果验证,本检测方法与YOLOv3直接对轨枕进行定位相比,对混凝土轨枕裂纹的检测,精确度达到96.3%,召回率达到91.2%,MAP达到91.5%,FPS达到76.6张/s。总体表现提升显著,能够达到精确快速的检测效果。

双块式无砟轨道早期温度场分布及开裂机理分析

双块式无砟轨道道床板会出现早期开裂现象,该病害与轨道早期温度场分布特性有关。为明确轨道早期温度场分布特性,基于热工学原理和气象测试数据,考虑双块式无砟轨道的施工特点,建立早期温度场计算模型,并对早期温度场分布特性进行分析。结果表明:道床板浇筑完成后温度场呈先增加后减小的变化趋势,其最高温度约出现在第21 h时刻,且比日最高气温高10.6~12℃。道床板温度梯度沿着垂向呈线性分布,而沿横向呈明显的非线性分布特征,最大横向温度梯度出现在道床板与轨枕界面处,其值可达67℃/m。在该温度梯度荷载下,会出现道床板与轨枕界面早期开裂,随后应力集中转向轨枕角处,并进一步发展为道床板表面横向贯穿裂缝。