铁路预应力混凝土轨枕的损伤诊断研究

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1、蝴淄舻锄p。铁路预应力混凝土轨枕的损伤诊断研究．林向晖黄文达摘要：本文报告如何使用预应力混凝土轨枕的测量振动数据柬检测、定位，和定性铁道轨枕的损伤可行性研究。现今铁道工携段有许多有效监控轨道的方法。而预应力混凝土轨枕的损伤检测很大程度上仍依赖视觉检测。但都祗局限于浮现在轨枕表面上的裂纹，而找出深藏在轨枕内和在轨枕底部的损伤是非常困难或不可行的。这项可行性研究只在实验室内进行。在这个模拟的方法中，预应力混凝土轨枕两边支承在2条工字铁梁上。轨枕损害被定义为混凝凝土轨枕结构受损。当轨枕损伤时，轨枕的刚

2、度会减小，而且轨枕的振动特性会有所改动。本文研究通过简单锤击试验监测相应轨枕的振动检测轨枕损伤状态的可能性。本文不仅提出了理论的发展，也提出数值核查。关键字：预应力混凝土轨枕、损伤检测、模态识别、锤击测试1引言现今有很多高速铁路已在世界各地建成。大规模的铁路运输变得越来越重要，对国家的经济和社会发展起了重要的因素。最近，新铁路技术以惊人的速度发展。中国客运高速铁路实现了426Kph世界纪录，而且全年货运负荷超过20000tormes。预应力混凝土轨枕承受非常大的负荷导致增加损伤机会。在这沉重和重

3、复的列车载重下，轨枕由轻微的缺损到断裂的演别速度会变很快，一旦轨枕丧失功能，便不能支承列车运行，轨道振动幅度将大大增加，并导致铁路系统的安全问题。道碴轨道系统由钢轨和道碴道床组成，是典型铁路轨道结构一种。上层建构包括钢轨及紧固在轨枕上的扣件，而在下层结构包括面碴、底碴和路基。轨枕是支承钢轨及轨枕纵向、横向和垂向位移其中一件重要配件。此外，轨枕可以把周期列车荷载平均分发到道碴上、提供振动的复原能力及便于维护。轨枕损伤一般分为3级(轻度、中度及严重)。轻度损伤是裂缝发生在混凝土轨枕底部位置在路轨底应

4、力区内。裂缝快速成长，但是不能观察到裂缝的宽度，而且不影响轨枕的基本功能。中度损伤是裂缝不断增长和裂缝宽度可以观察到的1到2毫米左右。最大裂缝长度是显著的，但是不会削弱轨枕的能力。严重损伤是主要裂缝可以在混凝土轨枕中检测到。虽然裂缝不断增长。裂缝宽度是重要的。可以注意到混凝土剥落和灰尘。从测量的裂纹长度增长很大程度上，往往会大大削弱轨枕的能力。如果不在轨枕严重损伤前安排更换，它将会进一步破碎已断裂危害列车安全。这篇文章的主要目标是在使用预应力混凝土轨枕的振动特性在量化它的健康状况的可行性研究。将

5、来轨道督察可以用快速实时预应力混凝土轨枕的损伤检测方法。2预应力混凝土轨枕的建模在这项可行性研究中，预应力混凝土轨枕仿照作为一条铁木辛克梁放在2条工字铁梁上被认为是两个弹性弹簧(弹簧常数k1和k2)．。图L显示了模拟简单支承预应力混凝土轨枕系统。轨枕由lO个元素，24点模仪沿轨枕截面属性的变化及将轨枕分为7区域以作损伤检测。在未损坏状态下，7个区域的的刚度值El⋯E7被假定为相同的38世界轨道交通2011．10第十五层●．亲．港．沪铁道学会学术年会第八届世界孰道交通发晨研究会年会图1道碴轨枕轨道

6、系统图2弹性地基元素上的欧拉梁表达一个简单支承的铁木辛克单元刚度矩阵可以从很多文献中找到。图2显示了用于模拟弹性地基元素上的欧拉梁。起始节点是i和结束节点是j。有四个自由度，两个起始节点及两个结束节点。该元素的长度L。元素刚度k表示为：五=鼎12—6￡一12—6￡(4+矽)∥6L一126￡12—6L(2一痧)∥6LE和1分别弹性模量和面积的二次矩，及矽=警一6￡(2一矽)∥6￡(4+矽)，2产。矩形系数=1．2在这项研究中将用统一质量矩阵考虑动态的影响(Paz&Leigh2003)：模型预测的固

7、有频率与模态形状概述在图3中。因为要比较不同损伤情况下的模态形状，模态形状均须归一化，这样模态形状向量的长度等于一。在实际用高精度冲击锤测试只能找出头5个弯曲的原位轨枕的模态形状。因此，仅前5个弯轨枕模态被用在这项研究。对原位轨枕损伤的影响：当预应力混凝土轨枕有损伤，轨枕的刚度将会减少。如果轨枕裂纹扩展至断裂(图4)，轨枕的刚度将会减至非常接近于零(接近90％刚度值减少)。在此数值的案例研究中，轨枕损伤模拟刚度系数在相应区域减少了70％。表2总结了5个模拟情况和相应的损伤定位程度。情况39⋯⋯≤

8、净劾pI是未损坏的轨枕作为参考及用于研究轨枕损伤对系统动态特性的影响。凶为在钢轨底的位骨比其它位置史容易受由列午的戍力所损坏。因此，情况2_4力丁研究这种情况。认为轨枕中间位置底部损坏的情况5也被考虑研究的完整性。罔d轨优裂纹扩展皇断裂表2损伤情况下考虑在数值的情况研究情况损伤位置地压地区l2345671未损伤02轨枕左右2边070％070％03轨枕7r：边070％04轨枕卉边070％05轨枕中部070％0引算机摸拟

9、十算在不同的损坏情况F前5个模态的固有频率和模态形状。模型预测固有频率和相应的