CN110371162A - 一种基于应变模态的高速铁路板式轨道伤损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于应变模态的高速铁路板式轨道伤损检测方法，包括如下步骤：无伤损板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态实际值获取；轨道板测点划分和传感器布置；激励与信号采集；信号解析处理与伤损识别。本发明在使用的过程中可通过测量服役条件下板式轨道的应变模态，与无伤损的板式轨道的应变模态对比，从而实现对服役条件下板式轨道的检测，且在检测的过程中对于发生伤损的服役条件下板式轨道，能够精准的识别出伤损发生的位置，进而有利于进行推广运用。
Description
技术领域
本发明涉及铁路轨道检测技术领域，尤其涉及一种基于应变模态的高速铁路板式轨道伤损检测方法。
背景技术
我国高速铁路大量采用无砟轨道结构，其中应用最多的为板式无砟轨道结构，包括CRTS I型、CRTS II型、CRTS III型板式无砟轨道。无砟轨道从其服役开始，一直暴露于大气中，会受到气候及环境变化引起的不均分布的体荷载作用，也承受着列车荷载的反复作用等，会造成无砟轨道结构出现不同的伤损，最主要的表现形式是支承层脱空；此外，轨道板结构在预制过程中内部也会存在裂纹等，这些伤损的存在破坏了结构的整体性、连续性，改变结构的受力-传力路径，威胁着高速列车的安全，也加速轨道结构性能的劣化。
目前针对出现的轨道结构伤损，尤其是钢轨以下混凝土结构部分的病害，检测方法大多集中在超声波探测、探地雷达检测等，但由于检测仪器自身的局限性、轨道结构服役环境的复杂性、组成轨道结构材料的多样性的影响，使得这些检测方法的检测效果不甚理想。同时也有一些应用轨道结构自身静动力学特性的指标(例如位移、应变、位移模态)的变化进行轨道结构伤损检测，由于这些指标的变化受轨道结构伤损的影响较小，造成这些方法的检测精度不高。由此可见，现有技术中亟需一种可以方便有效地检测高速铁路板式无砟轨道伤损的技术。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于应变模态的高速铁路板式轨道伤损检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于应变模态的高速铁路板式轨道伤损检测方法，包括如下步骤：
S1、无伤损板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态实际值的获取：
利用现场轨道结构相关参数获取无伤损条件下板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态，并取作为判断的标准；
S2、轨道板测点划分和传感器布置：
在要被测量的板式轨道表面分别沿纵向和横向按一定的测点间距d划分出测点网络，并在测点布置应变传感器；
S3、激励与信号采集：
采取单点激励多点拾取的方式获取应变信号，且控制采样频率大于信号最高频率的2倍以上；
S4、信号解析处理与伤损识别：
对步骤S3获取的应变信号进行处理，确定S2中要被测量的板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态，并与步骤S1中获取的模态相对比，通过对比第一阶纵向弯曲应变模态的变化量，从而识别步骤S2中要被测量的板式轨道伤损区域范围，进而实现了对步骤S2中要被测量的板式轨道的检测。
进一步的，在步骤S2中的应变传感器布设时，应变传感器均沿板式轨道的纵向方向进行布设。
进一步的，在步骤S2中，测点间距d取值范围控制在30-50厘米。
本发明提出的一种基于应变模态的高速铁路板式轨道伤损检测方法，有益效果在于：本方案在使用的过程中可通过测量服役条件下板式轨道的应变模态，与无伤损的板式轨道的应变模态对比，从而实现对服役条件下板式轨道的检测，且在检测的过程中对于发生伤损的服役条件下板式轨道，能够精准的识别出伤损发生的位置，进而有利于进行推广运用。
附图说明
图1为单块轨道板坐标***；
图2为轨道板及其支承无伤损条件下的一阶纵向弯曲应变模态；
图3为板边缘脱空对应的一阶纵向弯曲应变模态(实际脱轨区域为X轴0.725～1.375m，Y轴：-0.25～0.25m)；
图4为板中部脱空对应的一阶纵向弯曲应变模态(实际脱轨区域为X轴2.925～3.575m，Y轴：-0.25～0.25m)；
图5为板中部脱空对应的一阶纵向弯曲应变模态(实际脱轨区域为X轴1.625～2.275m、Y轴：-1.275～1.275m，X轴2.925～3.575m、 Y轴：-1.275～1.275m)。
图6为板中部裂缝对应的一阶纵向弯曲应变模态(实际裂缝位置为X轴3.25～3.253m处，Y轴：-1.275～1.275m处)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种基于应变模态的高速铁路板式轨道伤损检测方法，包括如下步骤：
S1、无伤损板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态实际值的获取：
利用现场轨道结构相关参数获取无伤损条件下板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态，并取作为判断的标准；
S2、轨道板测点划分和传感器布置：
在要被测量的板式轨道表面分别沿纵向和横向按一定的测点间距d划分出测点网络，并在测点布置应变传感器；
S3、激励与信号采集：
采取单点激励多点拾取的方式获取应变信号，且控制采样频率大于信号最高频率的2倍以上；
S4、信号解析处理与伤损识别：
对步骤S3获取的应变信号进行处理，确定S2中要被测量的板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态，并与步骤S1中获取的模态相对比，通过对比第一阶纵向弯曲应变模态的变化量，从而识别步骤S2中要被测量的板式轨道伤损区域范围，进而实现了对步骤S2中要被测量的板式轨道的检测。
在步骤S2中的应变传感器布设时，应变传感器均沿板式轨道的纵向方向进行布设。
在步骤S2中，测点间距d取值范围控制在30-50厘米。
其中步骤S2中板式轨道测点划分和传感器布置的布置过程中，能够实现板式轨道的***单元离散化处理，那么根据多自由度***的受迫振动微分方程
M：结构的质量矩阵；
C：结构阻尼矩阵；
K：结构的刚度矩阵
令式1两边进行傅里叶变换，则变为 (-ω2M+jωC+K)Y(ω)＝F(ω)
(式2)
根据模态叠加法原理，l测点的位移响应
n是所取模态阶数，
是l测点在r阶模态下的位移振型值，
qr是对应的模态坐标。
令Q＝{q1 q2 ... qr}T
(式4)
所以
Y(ω)＝{y1 y2 ... yN}T＝{φ1 φ2 ... φN}T Q＝ΦQ
(式5)
因此(式2)变为 (-ω2M+jωC+K)ΦQ＝F(ω)
(式6)
根据模态振型的正交性，(式6)两边左乘ΦT即
ΦT(-ω2M+jωC+K)ΦQ＝ΦTF(ω)
(式7)
(-ω2Mr+jωCr+Kr)Q＝Fr(ω)
(式8)
(式8)中Mr、Cr、Kr分别为结构的模态质量矩阵、模态阻尼矩阵、模态刚度矩阵，它们均为对角阵。
所以求解(式8)可以得出结构第r阶模态
由频响函数的定义，则p点激励l点响应的位移频响函数
根据弹性力学理论中位移与应变的关系，则x方向的应变大小为
同样依据模态叠加法原理
则对应的p点激励l点响应的应变频响函数
因此应变频响函数矩阵
展开形式为
可以看出在应变频响函数矩阵中任一列都包含应变模态所有信息，所差的就是一个常量因子，例如：第f列中常量因子为因此通过单点激励多点拾振的方法可以测出应变频响函数矩阵任一列的元素，再通过归一化处理就可得到结构的应变模态ψr，因为从式 6中看出当板式轨道结构出现伤损时，伤损区域刚度必然出现较大的下降，在激励条件不变的情况下，则结构的频率、振型必然发生改变，即式6中ΦQ部分，又由式12、式13可知应变是位移的二阶导数，因此在频率、位移模态振型改变的条件下，结构的应变模态ψlr也会发生变化，因此可以求出已知无伤损板式轨道结构计算应变模态变化量Δψr。
因为结构的应变模态属于结构***的固有属性，只与结构自身的属性如质量、刚度、阻尼有关，因此本方法对服役条件下的板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态进行检测，并进一步与未伤损的板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态相比较，比较过程中应变模态变化量Δψr＞0的区域即为服役状态下的板式轨道的伤损发生区，因此本方法能够识别出被检测的板式轨道的伤损发生位置和范围，检测效果良好，有利于进行推广运用。
实验例：
为说明本方法的效果，以CRTS II型板式无砟轨道为例进行说明 (单块轨道板坐标***如图1所示)。
1.轨道板无伤损状态
图2中的结果为判断轨无砟轨道结构是否存在伤损的基准。
2.轨道板脱空伤损
1)板边缘脱空
图3为板边缘脱空对应的一阶纵向弯曲应变模态(实际脱轨区域为X轴 0.725～1.375m，Y轴：-0.25～0.25m)。
从图3(a)结果看出，在发生伤损位置，轨道板应变模态改变量有突起变化，峰值坐标对应的位置为(1.125,0),与伤损中心位置吻合，这说明轨道结构一阶应变模态改变量对伤损有很好的定位能力；同时还可以看出伤损在轨道板的板端位置，应变模态改变量也有很明显的变化，再次说明应变模态改变量是对轨道板板端约束不敏感的动力指标，更有利于伤损识别。从图3(b)表明一阶应变模态改变量对伤损出现的范围有较好的识别能力，识别出的伤损范围(X轴 0.725～1.475m，Y轴：-0.4～0.4m)覆盖工况设置的范围。
2)板中部脱空
图4为板中部脱空对应的一阶纵向弯曲应变模态(实际脱轨区域为X轴 2.925～3.575m，Y轴：-0.25～0.25m)。
对比图2可以识别出的脱空区域为：X轴2.925～3.575m，Y轴：-0.55～0.55 m处，与实际吻合。
3)组合脱空
图5为板中部脱空对应的一阶纵向弯曲应变模态(实际脱轨区域为X轴 1.625～2.275m、Y轴：-1.275～1.275m，X轴2.925～3.575m、Y轴：-1.275～1.275 m)。
对比图2可以识别的脱空区域为X轴1.625～2.225m,Y轴：-1.275～1.275 m；X轴2.925～3.575m,Y轴：-1.275～1.275m处，与实际很好的吻合。
3.轨道板内部裂缝伤损
图6为板中部裂缝对应的一阶纵向弯曲应变模态(实际裂缝位置为X轴 3.25～3.253m处，Y轴：-1.275～1.275m处)。
对比图2可以识别的裂缝位置为X轴3.252m，Y轴：-1.275～1.275m处，与实际很好的吻合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于应变模态的高速铁路板式轨道伤损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、无伤损板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态实际值的获取：
利用现场轨道结构相关参数获取无伤损条件下板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态，并取作为判断的标准；
S2、轨道板测点划分和传感器布置：
在要被测量的板式轨道表面分别沿纵向和横向按一定的测点间距d划分出测点网络，并在测点布置应变传感器；
S3、激励与信号采集：
采取单点激励多点拾取的方式获取应变信号，且控制采样频率大于信号最高频率的2倍以上；
S4、信号解析处理与伤损识别：
对步骤S3获取的应变信号进行处理，确定S2中要被测量的板式轨道的第一阶纵向弯曲应变模态，并与步骤S1中获取的模态相对比，通过对比第一阶纵向弯曲应变模态的变化量，从而识别步骤S2中要被测量的板式轨道伤损区域范围，进而实现了对步骤S2中要被测量的板式轨道的检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于应变模态的高速铁路板式轨道伤损检测方法，其特征在于，在步骤S2中的应变传感器布设时，应变传感器均沿板式轨道的纵向方向进行布设。
3.根据权利要求1所述的一种基于应变模态的高速铁路板式轨道伤损检测方法，其特征在于，在步骤S2中，测点间距d取值范围控制在30-50厘米。
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