鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的損傷診斷研究

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1、蝴淄艫鋤p。鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的損傷診斷研究．林向暉黃文達(dá)摘要：本文報告如何使用預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的測量振動數(shù)據(jù)柬檢測、定位，和定性鐵道軌枕的損傷可行性研究。現(xiàn)今鐵道工攜段有許多有效監(jiān)控軌道的方法。而預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的損傷檢測很大程度上仍依賴視覺檢測。但都祗局限于浮現(xiàn)在軌枕表面上的裂紋，而找出深藏在軌枕內(nèi)和在軌枕底部的損傷是非常困難或不可行的。這項可行性研究只在實驗室內(nèi)進(jìn)行。在這個模擬的方法中，預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕兩邊支承在2條工字鐵梁上。軌枕損害被定義為混凝凝土軌枕結(jié)構(gòu)受損。當(dāng)軌枕損傷時，軌枕的剛

2、度會減小，而且軌枕的振動特性會有所改動。本文研究通過簡單錘擊試驗監(jiān)測相應(yīng)軌枕的振動檢測軌枕損傷狀態(tài)的可能性。本文不僅提出了理論的發(fā)展，也提出數(shù)值核查。關(guān)鍵字：預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕、損傷檢測、模態(tài)識別、錘擊測試1引言現(xiàn)今有很多高速鐵路已在世界各地建成。大規(guī)模的鐵路運輸變得越來越重要，對國家的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展起了重要的因素。最近，新鐵路技術(shù)以驚人的速度發(fā)展。中國客運高速鐵路實現(xiàn)了426Kph世界紀(jì)錄，而且全年貨運負(fù)荷超過20000tormes。預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕承受非常大的負(fù)荷導(dǎo)致增加損傷機(jī)會。在這沉重和重

3、復(fù)的列車載重下，軌枕由輕微的缺損到斷裂的演別速度會變很快，一旦軌枕喪失功能，便不能支承列車運行，軌道振動幅度將大大增加，并導(dǎo)致鐵路系統(tǒng)的安全問題。道碴軌道系統(tǒng)由鋼軌和道碴道床組成，是典型鐵路軌道結(jié)構(gòu)一種。上層建構(gòu)包括鋼軌及緊固在軌枕上的扣件，而在下層結(jié)構(gòu)包括面碴、底碴和路基。軌枕是支承鋼軌及軌枕縱向、橫向和垂向位移其中一件重要配件。此外，軌枕可以把周期列車荷載平均分發(fā)到道碴上、提供振動的復(fù)原能力及便于維護(hù)。軌枕損傷一般分為3級(輕度、中度及嚴(yán)重)。輕度損傷是裂縫發(fā)生在混凝土軌枕底部位置在路軌底應(yīng)

4、力區(qū)內(nèi)。裂縫快速成長，但是不能觀察到裂縫的寬度，而且不影響軌枕的基本功能。中度損傷是裂縫不斷增長和裂縫寬度可以觀察到的1到2毫米左右。最大裂縫長度是顯著的，但是不會削弱軌枕的能力。嚴(yán)重?fù)p傷是主要裂縫可以在混凝土軌枕中檢測到。雖然裂縫不斷增長。裂縫寬度是重要的?？梢宰⒁獾交炷羷兟浜突覊m。從測量的裂紋長度增長很大程度上，往往會大大削弱軌枕的能力。如果不在軌枕嚴(yán)重?fù)p傷前安排更換，它將會進(jìn)一步破碎已斷裂危害列車安全。這篇文章的主要目標(biāo)是在使用預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的振動特性在量化它的健康狀況的可行性研究。將

5、來軌道督察可以用快速實時預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的損傷檢測方法。2預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的建模在這項可行性研究中，預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕仿照作為一條鐵木辛克梁放在2條工字鐵梁上被認(rèn)為是兩個彈性彈簧(彈簧常數(shù)k1和k2)．。圖L顯示了模擬簡單支承預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕系統(tǒng)。軌枕由lO個元素，24點模儀沿軌枕截面屬性的變化及將軌枕分為7區(qū)域以作損傷檢測。在未損壞狀態(tài)下，7個區(qū)域的的剛度值El?E7被假定為相同的38世界軌道交通2011．10第十五層●．親．港．滬鐵道學(xué)會學(xué)術(shù)年會第八屆世界孰道交通發(fā)晨研究會年會圖1道碴軌枕軌道

6、系統(tǒng)圖2彈性地基元素上的歐拉梁表達(dá)一個簡單支承的鐵木辛克單元剛度矩陣可以從很多文獻(xiàn)中找到。圖2顯示了用于模擬彈性地基元素上的歐拉梁。起始節(jié)點是i和結(jié)束節(jié)點是j。有四個自由度，兩個起始節(jié)點及兩個結(jié)束節(jié)點。該元素的長度L。元素剛度k表示為：五=鼎12—6￡一12—6￡(4+矽)∥6L一126￡12—6L(2一痧)∥6LE和1分別彈性模量和面積的二次矩，及矽=警一6￡(2一矽)∥6￡(4+矽)，2產(chǎn)。矩形系數(shù)=1．2在這項研究中將用統(tǒng)一質(zhì)量矩陣考慮動態(tài)的影響(Paz&Leigh2003)：模型預(yù)測的固

7、有頻率與模態(tài)形狀概述在圖3中。因為要比較不同損傷情況下的模態(tài)形狀，模態(tài)形狀均須歸一化，這樣模態(tài)形狀向量的長度等于一。在實際用高精度沖擊錘測試只能找出頭5個彎曲的原位軌枕的模態(tài)形狀。因此，僅前5個彎軌枕模態(tài)被用在這項研究。對原位軌枕損傷的影響：當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕有損傷，軌枕的剛度將會減少。如果軌枕裂紋擴(kuò)展至斷裂(圖4)，軌枕的剛度將會減至非常接近于零(接近90％剛度值減少)。在此數(shù)值的案例研究中，軌枕損傷模擬剛度系數(shù)在相應(yīng)區(qū)域減少了70％。表2總結(jié)了5個模擬情況和相應(yīng)的損傷定位程度。情況39??≤

8、凈劾pI是未損壞的軌枕作為參考及用于研究軌枕損傷對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。兇為在鋼軌底的位骨比其它位置史容易受由列午的戍力所損壞。因此，情況2_4力丁研究這種情況。認(rèn)為軌枕中間位置底部損壞的情況5也被考慮研究的完整性。罔d軌優(yōu)裂紋擴(kuò)展皇斷裂表2損傷情況下考慮在數(shù)值的情況研究情況損傷位置地壓地區(qū)l2345671未損傷02軌枕左右2邊070％070％03軌枕7r：邊070％04軌枕卉邊070％05軌枕中部070％0引算機(jī)摸擬

9、十算在不同的損壞情況F前5個模態(tài)的固有頻率和模態(tài)形狀。模型預(yù)測固有頻率和相應(yīng)的