基于瞬態(tài)沖擊響應(yīng)特性的無砟軌道砂漿層脫空的檢測(cè)和識(shí)別

田秀淑， 杜彥良， 趙維剛

(1. 北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044； 2. 石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050043；3. 石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，石家莊 050043)

高速鐵路無砟軌道承載高速列車的通行，其質(zhì)量好壞、病害(缺陷)發(fā)生與否、性能狀態(tài)關(guān)系到列車運(yùn)營(yíng)安全。其中，CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅱ型板式無砟軌道中的水泥乳化瀝青砂漿(簡(jiǎn)稱CA砂漿)層，是高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵工程材料，其性能對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、無砟軌道結(jié)構(gòu)耐久性和高速列車的舒適性與安全性有重大影響。其缺陷的表現(xiàn)形式主要有離縫、部分破損和脫空，這些缺陷如果不能及時(shí)識(shí)別和處理，在運(yùn)營(yíng)中受到高速列車沖擊、振動(dòng)荷載的作用，將會(huì)引起結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的劣化，嚴(yán)重影響列車的行車安全[1-3]。

目前，研究人員采用不同無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)對(duì)無砟軌道CA砂漿層缺陷進(jìn)行了檢測(cè)和識(shí)別方法的研究。Yang等[4]基于探地雷達(dá)的高速鐵路無砟軌道內(nèi)部病害檢測(cè)分析了空洞病害回波和鋼筋回波的差異性特征，提出了基于曲波變換的水平方向?yàn)V波器，實(shí)現(xiàn)空洞病害的檢測(cè)識(shí)別。廖紅建等[5]對(duì)CA砂漿層不同填充程度、CA 砂漿層硬化過程進(jìn)行了二維正演數(shù)值模擬，分析了探地雷達(dá)二維正演模擬圖像的特征。楊鴻凱等[6-8]采用全波場(chǎng)法進(jìn)行了高鐵線下結(jié)構(gòu)病害的檢測(cè)和識(shí)別；本課題組[9]采用沖擊彈性波法檢測(cè)和識(shí)別了CRTSⅡ型無砟軌道內(nèi)的CA砂漿層缺陷。但是這些測(cè)試方法都存在一定的局限性，其可靠性、準(zhǔn)確性以及對(duì)不同缺陷識(shí)別的靈敏度均有待深入研究。

由于無砟軌道結(jié)構(gòu)受激振動(dòng)后的響應(yīng)只與結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)態(tài)特性和激振的性質(zhì)有關(guān)，所以可用機(jī)械阻抗或?qū)Ъ{描述結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。目前，國內(nèi)外應(yīng)用瞬態(tài)沖擊響應(yīng)法對(duì)混凝土道路出現(xiàn)的一些板下脫空和路基軟化等病害識(shí)別問題進(jìn)行了研究，取得了一些成果[10-15]，但此方法用于高速鐵路無砟道床砂漿層脫空的研究剛剛開始[16]。本文在前期研究基礎(chǔ)上，利用LS-DYNA有限元軟件對(duì)含不同尺寸砂漿層脫空無砟道床的瞬態(tài)沖擊響應(yīng)特性進(jìn)行了理論模擬和分析，并結(jié)合含缺陷高鐵實(shí)體模型的試驗(yàn)結(jié)果，研究了砂漿層脫空的瞬態(tài)沖擊響應(yīng)特性及其檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 瞬態(tài)沖擊響應(yīng)特性的數(shù)值模擬

1.1 模型參數(shù)

模型分為四層結(jié)構(gòu)：軌道板(2.55 m×0.2 m)、砂漿層(2.55 m×0.05 m)、支承層(2.95 m×0.3 m)和路基(4.95 m×0.6 m)，各層材料的參數(shù)如表1所示。

利用LS-DYNA建立的有限元模型如圖1所示。

參考板瞬態(tài)沖擊響應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)(Slab Impulse Response, SIR)，力的范圍為8 000～110 001 bf(11 bf=4.45 N)，在有限元模擬中取40 kN，接觸時(shí)間取0.001 s。沖擊點(diǎn)設(shè)置為在模型表面中心點(diǎn)進(jìn)行沖擊，距離沖擊點(diǎn)0.1 m處接收。施加的瞬態(tài)沖擊力F為tc的半正弦周期函數(shù)，如式(1)所示

表1 模型材料參數(shù)

圖1 有限元模型Fig.1 FEM models

(1)

將荷載曲線離散成10個(gè)載荷步。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1.2.1 速度時(shí)程曲線

對(duì)預(yù)設(shè)不同尺寸缺陷模型中距沖擊點(diǎn)0.1 m處接收點(diǎn)振動(dòng)速度的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行提取，分析0～0.2 s的時(shí)程曲線變化情況，如圖2所示。

圖2 含不同尺寸缺陷模型中接收點(diǎn)速度時(shí)程曲線Fig.2 Velocity-time curve of different model

從不同工況時(shí)域振動(dòng)波形可見，當(dāng)砂漿層正常時(shí)，無砟軌道板和砂漿層的結(jié)合非常緊密，接收點(diǎn)的振動(dòng)幅度較小，振動(dòng)特征不明顯。當(dāng)砂漿層輕微脫空時(shí)，振動(dòng)波形的幅值增加；當(dāng)將有限元模型中的砂漿層全部設(shè)置成缺陷的屬性時(shí)，振動(dòng)波形非常明顯，振動(dòng)幅值變大。無砟軌道板可以看作一個(gè)諧振子，砂漿脫空的存在是對(duì)其諧振的擾動(dòng)。

1.2.2 頻域特性

對(duì)預(yù)設(shè)不同尺寸缺陷模型中接收點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換為頻域，分析0～1 000 Hz的頻譜曲線變化情況，如圖3所示。

圖3 含不同尺寸缺陷模型中接收點(diǎn)頻域圖Fig.3 Frequency spectrum of different models

由圖3(a)可見，當(dāng)砂漿層中無脫空時(shí)，由于支承層、砂漿層和軌道板相互結(jié)合緊密，砂漿層能夠提供良好的支撐，當(dāng)軌道板受到瞬態(tài)沖擊力作用時(shí)，主要表現(xiàn)為彈性振動(dòng)，振動(dòng)的能量較小，頻譜曲線的峰值較低。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[17]的研究，當(dāng)砂漿層中存在0.2～0.7 m脫空時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的振型基本相似，當(dāng)砂漿層脫空長(zhǎng)度為1.2 m時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)以空間扭轉(zhuǎn)為主。反映在頻域圖上，當(dāng)砂漿層脫空長(zhǎng)度小于0.7 m時(shí)，圖3(b)～圖3(d)的頻域峰分別出現(xiàn)在839 Hz，917 Hz和737 Hz處，因結(jié)構(gòu)振型相似，所以頻域峰出現(xiàn)位置差異性不大；當(dāng)砂漿層出現(xiàn)較大尺寸脫空時(shí)，脫空區(qū)域軌道板受到瞬態(tài)沖擊力作用時(shí)，垂向速度增加，頻峰出現(xiàn)的位置向低頻方向偏移，圖3(e)～圖3(g)的頻域峰分別出現(xiàn)在478 Hz，243 Hz和546 Hz處。

1.2.3 導(dǎo)納特性

對(duì)接收點(diǎn)5～1 000 Hz的導(dǎo)納均值進(jìn)行理論計(jì)算，分析導(dǎo)納值隨脫空尺寸的變化情況，如圖4所示。

圖4 缺陷尺寸對(duì)導(dǎo)納均值的影響Fig.4 Influence of defect size on admittance

由導(dǎo)納均值曲線變化趨勢(shì)可見，隨砂漿層脫空尺寸增加，導(dǎo)納均值緩慢增加；當(dāng)脫空尺寸大于0.4 m時(shí)，導(dǎo)納均值曲線呈現(xiàn)突變；脫空尺寸為0.7～0.9 m時(shí)導(dǎo)納均值略有降低，可能是由于軌道板振動(dòng)形式發(fā)生轉(zhuǎn)變而引起的。當(dāng)砂漿層內(nèi)部存在脫空時(shí)，脫空會(huì)使得高速鐵路無砟道床這一多層結(jié)構(gòu)內(nèi)局部的剛度下降，從而使得系統(tǒng)的總水平剛度下降；當(dāng)受到瞬態(tài)沖擊作用時(shí)，表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度增加，在脫空位置附近質(zhì)點(diǎn)的速度導(dǎo)納就會(huì)出現(xiàn)變化，根據(jù)其變化幅度大小可以初步確定砂漿層脫空的存在。

軌道板的彈性振動(dòng)微分方程[18]為

(2)

式中：EsIs為軌道板的抗彎剛度；ms為單位長(zhǎng)度軌道板質(zhì)量；CCA和KCA分別為軌道板下CA砂漿沿長(zhǎng)度方向的分布阻尼和剛度；n0為單塊軌道板上單股鋼軌的支點(diǎn)數(shù)，Rrs為鋼軌支點(diǎn)反力；δ為Diraeδ函數(shù)。

對(duì)式(2)簡(jiǎn)化，令方程右邊為0，求解此方程的通解，可得

(3)

對(duì)于CRTSⅡ型無砟軌道板，EsIs,ms,CCA可以視為常數(shù)。由通解表達(dá)式可以看出，CA砂漿剛度和軌道板的振動(dòng)速度成指數(shù)關(guān)系，缺陷尺寸越大，CA砂漿剛度越小，軌道板的振動(dòng)速度越大。

2 瞬態(tài)沖擊響應(yīng)特性的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為驗(yàn)證瞬態(tài)沖擊響應(yīng)法檢測(cè)高速鐵路無砟道床砂漿層脫空的可行性，課題組在石家莊鐵道大學(xué)內(nèi)建設(shè)了含缺陷的高鐵實(shí)體模型，如圖5所示，從上到下分別由CRTSⅡ型無砟軌道板、砂漿層、支承層和土質(zhì)路基組成。砂漿層中預(yù)設(shè)不同尺寸缺陷(采用塑料泡沫模擬脫空)：0.2 m×0.3 m(d1)，0.3 m×0.4 m(d2)，0.45 m×0.6 m(d3)。

圖5 缺陷布設(shè)圖Fig.5 Picture of defect with different size

2.2 數(shù)據(jù)采集

課題組采用瞬態(tài)沖擊響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)(SIR)對(duì)石家莊鐵道大學(xué)高鐵模型中預(yù)設(shè)了砂漿病害的CRTSⅡ型板式無砟軌道進(jìn)行了檢測(cè)(見圖6)。SIR系統(tǒng)由多功能采集平臺(tái)、沖擊源、接收器、沖擊錘等組成。測(cè)試時(shí)，測(cè)線間距0.1 m，每條測(cè)線上相鄰測(cè)點(diǎn)之間距離為0.1 m。

圖6 高鐵實(shí)體模型測(cè)線布置及檢測(cè)圖Fig.6 Impulse response test and testing point

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 速度時(shí)程曲線分析

分別對(duì)正常無砟道床和含砂漿層脫空的無砟道床進(jìn)行了測(cè)試。提取兩種情況下不同測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線，如圖7所示。

圖7 不同工況測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線Fig.7 Velocity-time curve of different point

由圖7對(duì)比可知，正常無砟道床測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線上只有一個(gè)明顯地速度峰值，曲線平緩，并且速度很快下降，在40 000 μs后振動(dòng)速度較低，逐漸趨向于0。含有缺陷測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的速度較高，而且曲線變化幅度很大，出現(xiàn)多峰且沒有規(guī)律性，在40 000 μs后振動(dòng)速度仍有小幅的變化，速度在維持一定時(shí)間才趨于0。

由于波在混凝土中傳播速度為4 000 m/s左右，而在空氣中或泡沫缺陷中傳遞速度明顯慢于混凝土中速度，所以含有脫空、空洞、裂縫的缺陷板振動(dòng)延續(xù)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。此外，由于正常無砟道床內(nèi)部各層結(jié)合較為緊密，是一個(gè)整體，所以在沖擊力作用下，振動(dòng)速度較小，在短時(shí)間內(nèi)就可以趨于穩(wěn)定；而含砂漿層缺陷的無砟道床中，軌道板和支承層之間連接不密實(shí)，內(nèi)部含有空洞，在沖擊力作用下，振動(dòng)速度較大，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.3.2 速度頻域圖譜分析

將不同工況測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線進(jìn)行傅里葉變化，轉(zhuǎn)化成頻域曲線，如圖8所示。

圖8 不同工況測(cè)點(diǎn)的頻域圖Fig.8 Velocity frequency spectrum

由圖8可見，當(dāng)砂漿層不含缺陷時(shí)，軌道板能夠獲得良好的支撐，多層結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)較穩(wěn)定的彈性振動(dòng)，接收點(diǎn)的頻域圖譜顯示出較低的振動(dòng)峰值；當(dāng)砂漿層含有尺寸較大的缺陷時(shí)，軌道板底部支撐較弱，多層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度增加，反映在頻域圖譜中，在50 Hz，200 Hz和450 Hz的低頻區(qū)，出現(xiàn)幅值較高的多個(gè)頻峰。

2.3.3 導(dǎo)納譜分析

采用SIR測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)不同工況無砟道床中心位置測(cè)線進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的導(dǎo)納譜進(jìn)行了提取，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同工況的導(dǎo)納譜圖Fig.9 Mobility diagram of model with and without defects

由圖9可見，當(dāng)砂漿層沒有缺陷時(shí)，導(dǎo)納譜平滑、連續(xù)，低頻處無明顯的尖峰；當(dāng)砂漿層存在缺陷時(shí)，導(dǎo)納譜的低頻處呈現(xiàn)明顯的尖峰。

2.3.4 導(dǎo)納均值分析

對(duì)含缺陷的高鐵實(shí)體模型進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試得到的結(jié)果進(jìn)行處理，提取5～1 500 Hz的導(dǎo)納均值,如圖10所示。

圖10 高鐵實(shí)體模型的導(dǎo)納均值云圖Fig.10 X-Y scheme of mean mobility of model

由圖10可見，在分析頻帶內(nèi)，小尺寸的缺陷不易被識(shí)別；0.45 m×0.6 m的預(yù)設(shè)缺陷能較好地被識(shí)別出來；0.6 m×0.73 m的預(yù)設(shè)缺陷因?yàn)槲挥趦蓧K軌道板的接縫處，受中間接縫處后澆筑混凝土的影響未能識(shí)別出來。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)和理論計(jì)算結(jié)果的總體趨勢(shì)一致，但理論計(jì)算結(jié)果的突變性更加明顯。

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)于大于0.4 m脫空和良好砂漿層兩種工況，不僅在有限元模擬的結(jié)果中存在著明顯的差別，而且在高鐵實(shí)體模型的試驗(yàn)結(jié)果中也存在明顯的差別，表明瞬態(tài)沖擊響應(yīng)法識(shí)別高速鐵路無砟道床CA砂漿脫空情況有一定的可行性和適用性。

(2) 利用導(dǎo)納譜特點(diǎn)和平均導(dǎo)納值大小，可以初步判斷砂漿層支撐情況。速度導(dǎo)納均值大于5.8×10-4(in/s)/1 bf時(shí)、導(dǎo)納譜多峰表明砂漿層存在大于0.4 m的脫空；速度導(dǎo)納均值、測(cè)點(diǎn)導(dǎo)納譜曲線分析配合速度頻域波形曲線綜合分析，可以避免單一分析結(jié)果的偶然性，使采集數(shù)據(jù)更加可靠，檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。