CRTS Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道軌枕連接面損傷行為分析及識(shí)別研究

任娟娟，韋臻，曾學(xué)勤，杜威，田晉成，劉偉

（1. 西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 概述

雙塊式無(wú)砟軌道是我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的主要類型之一，具有結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一、建造成本較低等優(yōu)點(diǎn)。截至2018 年底，已建成的高速鐵路無(wú)砟軌道線路共44 條，其中,西成高鐵、武廣高鐵及貴廣高鐵等27 條線路都采用了CRTS Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道。CRTS Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道作為行車基礎(chǔ)，長(zhǎng)期暴露在復(fù)雜的自然環(huán)境中，受列車荷載、溫度、雨水等因素的長(zhǎng)期作用，軌道結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)損傷，影響軌道的整體強(qiáng)度。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，雙塊式無(wú)砟軌道容易出現(xiàn)軌枕松動(dòng)、新舊混凝土接觸面的裂縫、軌枕滲漿等問(wèn)題（見(jiàn)圖1）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和資料分析，軌枕松動(dòng)主要是由施工不當(dāng)、列車荷載及環(huán)境等作用造成的。在施工過(guò)程中，養(yǎng)護(hù)不當(dāng)將會(huì)減小道床板與軌枕塊層間咬合力，從而降低層間界面強(qiáng)度，產(chǎn)生層間損傷[1]；在列車荷載的長(zhǎng)期作用下，軌枕與道床板接觸部分產(chǎn)生微小裂紋，加之雨水的滲入，裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致軌枕松動(dòng)和離縫冒漿等現(xiàn)象的出現(xiàn)，當(dāng)損傷情況較為嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成行車軌枕空吊，最終影響行車平穩(wěn)性和安全性。

圖1 雙塊式無(wú)砟軌道軌枕連接面問(wèn)題

針對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道損傷，胡佳等[2]研究了整體升溫、整體降溫對(duì)道床板受力、受損區(qū)域和損傷擴(kuò)展規(guī)律的影響。在軌枕松動(dòng)病害對(duì)車輛、軌道系統(tǒng)的動(dòng)力性能影響方面，楊榮山等[3]通過(guò)建立含軌枕松動(dòng)病害的車輛-雙塊式無(wú)砟軌道-下部基礎(chǔ)垂向耦合振動(dòng)模型，研究列車速度、軌枕空吊高度及軌枕松動(dòng)數(shù)量對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)；和振興等[4]建立考慮單側(cè)軌枕空吊的車輛-軌道空間耦合振動(dòng)模型，分析城市軌道交通彈性短軌枕軌道中軌枕空吊對(duì)車輛、軌道系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)影響。針對(duì)無(wú)砟軌道層間界面位置損傷識(shí)別，趙佳[5]通過(guò)設(shè)置不同程度的無(wú)砟軌道層間損傷，利用模態(tài)分析方法得到不同工況下的振型模態(tài)、模態(tài)曲率以及應(yīng)變模態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析獲取模態(tài)參數(shù)對(duì)層間損傷的敏感性規(guī)律，確定損傷位置及范圍；武思思[6]通過(guò)對(duì)沖擊荷載下軌道板的振動(dòng)響應(yīng)變化規(guī)律分析，從奇異值、信息熵等多角度提取了損傷特征指標(biāo)進(jìn)行脫空識(shí)別，有效地進(jìn)行了層間脫空檢測(cè)；胡琴等[7]提出的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)板式無(wú)砟軌道層間損傷位置進(jìn)行識(shí)別，以參數(shù)化處理的振型作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入對(duì)各損傷工況下板式軌道CA 充填層損傷位置進(jìn)行識(shí)別發(fā)現(xiàn)。

上述文獻(xiàn)在對(duì)損傷行為進(jìn)行分析時(shí)，鮮有考慮雙塊式無(wú)砟軌道軌枕塊和道床板連接面（簡(jiǎn)稱軌枕連接面）位置脫粘損傷識(shí)別，且層間損傷檢測(cè)方法較為繁瑣，不能快速有效地檢測(cè)出實(shí)際的損傷程度。基于以上不足，采用內(nèi)聚力模型，建立基于軌枕連接面損傷的有限元計(jì)算模型，提取道床板和軌枕塊在列車荷載下的振動(dòng)響應(yīng)，基于小波包分解理論分析振動(dòng)信號(hào)在各頻帶的能量變化規(guī)律提取損傷特征指標(biāo)，獲取軌道結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)[8-9]。

2 雙塊式無(wú)砟軌道損傷動(dòng)力學(xué)模型

因施工缺陷和溫度荷載等原因，無(wú)砟軌道軌枕連接面易發(fā)生脫粘損傷，相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)部件也會(huì)出現(xiàn)異常的振動(dòng)響應(yīng)。因此通過(guò)研究振動(dòng)響應(yīng)對(duì)軌枕連接面損傷行為進(jìn)行分析。

2.1 層間內(nèi)聚力模型

在處理新老混凝土界面時(shí)，將其考慮為一個(gè)單獨(dú)部分，使用內(nèi)聚力模型，采用雙線性張力-位移曲線來(lái)描述層間本構(gòu)關(guān)系[10]。新舊混凝土的三區(qū)粘結(jié)模型見(jiàn)圖2。在定義內(nèi)聚力模型的力學(xué)性能時(shí)，需確定內(nèi)聚力模型的相關(guān)參數(shù)：剛度、極限強(qiáng)度以及臨界斷裂能。對(duì)于內(nèi)聚力單元的厚度，在建模時(shí)考慮其為單位厚度，由K=E/L可知（K為剛度；E為彈性模量；L為單元厚度），此時(shí)界面剛度與彈性模量數(shù)值相同，因此界面的張力-位移曲線可考慮為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（見(jiàn)圖3）。

在對(duì)軌枕連接面損傷行為分析時(shí)，內(nèi)聚力單元參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 新舊混凝土的三區(qū)粘結(jié)模型

圖3 層間界面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

表1 內(nèi)聚力單元參數(shù)

2.2 計(jì)算模型

模型采用動(dòng)力隱式算法分析軌枕連接面損傷狀態(tài)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。為能準(zhǔn)確分析軌枕連接面位置處的損傷行為，同時(shí)保證較高的計(jì)算效率，以下只對(duì)3 跨扣件的軌枕連接面進(jìn)行損傷考慮，其余部分均采用線彈性模型。內(nèi)聚力單元失效后，連接內(nèi)聚力單元的兩邊面通過(guò)接觸相互作用來(lái)模擬抗壓和抗剪等行為[10]。CRTS Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)分別見(jiàn)表2。建立的CRTS Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道空間損傷有限元分析模型見(jiàn)圖4。

表2 CRTS Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

圖4 CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道空間損傷有限元分析模型

2.3 列車動(dòng)荷載激勵(lì)

對(duì)于列車動(dòng)荷載，基于Ansys/Simpack 聯(lián)合仿真建立的車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，獲取扣件位置鋼軌支點(diǎn)壓力時(shí)程曲線作為激勵(lì)。根據(jù)遂渝線現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，選用CRH2 動(dòng)車組（見(jiàn)圖5）[11]，為模擬現(xiàn)場(chǎng)線路狀況，在動(dòng)力學(xué)模型中采用中國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道高低不平順譜。

圖5 CRH2 動(dòng)車組車廂構(gòu)造圖

利用車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，可計(jì)算得到車速為200 km/h 運(yùn)行狀態(tài)下某個(gè)車輪與鋼軌間相互作用力時(shí)程曲線（見(jiàn)圖6），再根據(jù)高斯型鋼軌支點(diǎn)壓力時(shí)程表達(dá)式[12]，即可得到某一扣件位置處鋼軌支點(diǎn)壓力時(shí)程曲線[13]：

圖6 車輪與鋼軌間相互作用力時(shí)程曲線

式中：Qi為車輪與鋼軌間相互作用力；ψi為扣件荷載分擔(dān)比；v為列車運(yùn)行速度；ΔIi為列車第i個(gè)車輪與第1 個(gè)車輪的間距；n為列車車輪數(shù)量；yo、A、ω均為擬合參數(shù)。

將4 個(gè)車輪（圖5）的作用效應(yīng)疊加[14]，最終獲得1 節(jié)CRH2 客車車廂通過(guò)某扣件時(shí)，該扣件位置的鋼軌支點(diǎn)壓力時(shí)程曲線（見(jiàn)圖7）。

模擬數(shù)據(jù)與遂渝線Tekscan 實(shí)測(cè)鋼軌支點(diǎn)壓力時(shí)程曲線數(shù)據(jù)相近[15]，驗(yàn)證了模擬數(shù)據(jù)可靠性。

圖7 扣件位置鋼軌支點(diǎn)壓力時(shí)程曲線

2.4 工況設(shè)置及測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)雙塊式無(wú)砟軌道軌枕連接面普遍存在脫粘現(xiàn)象。文獻(xiàn)[16]分析認(rèn)為在整體降溫作用下，道床板與軌枕連接面長(zhǎng)邊易產(chǎn)生脫粘，并沿道床板深度方向延伸；在整體升溫作用下，道床板與軌枕連接面底邊首先產(chǎn)生脫粘，隨升溫幅度的增加，損傷范圍逐漸增加。為實(shí)現(xiàn)軌枕連接面脫粘損傷程度識(shí)別，分別在軌枕連接面長(zhǎng)邊和底面設(shè)置不同程度的脫粘損傷，通過(guò)采集軌枕塊和道床板在外荷載激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，提取損傷信息，確定損傷特征指標(biāo)。

（1）損傷工況設(shè)置。設(shè)置脫粘程度為無(wú)脫粘、25%脫粘、50%脫粘、75%脫粘、100%脫粘5 種，不同脫粘工況見(jiàn)圖8（陰影區(qū)域?yàn)槊撜硡^(qū)）。

圖8 脫粘工況示意圖

（2）測(cè)點(diǎn)布置。取軌枕塊中心及其道床板對(duì)應(yīng)位置為檢測(cè)位置（見(jiàn)圖9）。

軌道動(dòng)力學(xué)模型對(duì)0.020～0.131 s 區(qū)段內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采樣頻率取1 000 Hz。傳感器采集的信號(hào)數(shù)據(jù)分為應(yīng)變類和位移類，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，加速度信號(hào)是位移類測(cè)試數(shù)據(jù)中比較容易獲取且對(duì)損傷最為敏感的檢測(cè)指標(biāo)，因此提取列車荷載作用下檢測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究。

圖9 檢測(cè)點(diǎn)示意圖

3 軌枕連接面損傷行為分析

3.1 側(cè)面長(zhǎng)邊脫粘損傷工況

提取長(zhǎng)邊不同損傷程度工況下，各檢測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比各檢測(cè)點(diǎn)在不同損傷程度下的加速度時(shí)域曲線，圖像之間的差別不大，不能直觀反映損傷的特征。因此，引入小波包分解理論，基于信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析的手段發(fā)掘振動(dòng)信號(hào)內(nèi)部隱含的規(guī)律性損傷信息，即特征指標(biāo)的提取。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)響應(yīng)特性將會(huì)出現(xiàn)變化，損傷對(duì)于各頻帶的影響是不同的，有些頻帶加強(qiáng)，有些頻帶減弱，最終導(dǎo)致各頻帶的頻率或能量與正常狀態(tài)相比出現(xiàn)差異。不同損傷狀態(tài)下各頻帶包含的能量信息不同，因此，可以通過(guò)對(duì)比不同損傷情況下各頻帶能量信息的差異達(dá)到識(shí)別損傷程度的目的。小波包分解能自適應(yīng)地依據(jù)分析要求和信號(hào)本身的特性選取相應(yīng)的頻帶信息與信號(hào)的幅值譜進(jìn)行匹配，準(zhǔn)確地提取出振動(dòng)信號(hào)各頻帶的信息[17-19]。

3.1.1 軌枕塊

利用小波包分解理論分別對(duì)3 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行“db4”三層小波包分解，并分別提取檢測(cè)點(diǎn)各頻率分段的能量以及各檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)的總能量。軌枕塊檢測(cè)點(diǎn)不同脫粘程度下各頻帶所對(duì)應(yīng)的能量見(jiàn)表3。

由不同脫粘程度下檢測(cè)點(diǎn)各頻帶的能量可得，各頻率分段的能量均隨損傷程度的增加出現(xiàn)一定變化，但呈明顯變化規(guī)律的是438～500 Hz 頻帶，軌枕塊上檢測(cè)點(diǎn)時(shí)頻域范圍內(nèi)在此頻帶的能量隨脫空損傷程度的增加而嚴(yán)格增大，其能量隨損傷程度的變化曲線見(jiàn)圖10。因此，可將軌道板上檢測(cè)點(diǎn)時(shí)頻域范圍內(nèi)438～500 Hz 頻帶的能量作為損傷特征指標(biāo)。

表3 軌枕塊側(cè)面不同脫粘損傷程度下各頻帶對(duì)應(yīng)能量 J

圖10 軌枕塊438 ～500 Hz 頻帶側(cè)面損傷對(duì)應(yīng)能量

3.1.2 道床板

道床板檢測(cè)點(diǎn)不同脫粘損傷程度下各頻帶所對(duì)應(yīng)的能量見(jiàn)表4。由不同脫粘損傷程度下道床板檢測(cè)點(diǎn)各頻率分段的能量可得，各頻率分段的能量均隨損傷程度的增加出現(xiàn)一定的變化，但呈明顯變化規(guī)律的是0～63 Hz、188～250 Hz、250～313 Hz 這3 個(gè) 頻 帶， 這3 個(gè)頻帶的能量隨脫空損傷程度的增加而嚴(yán)格增大，其能量隨損傷程度的變化曲線見(jiàn)圖11。因此，可將軌道板上檢測(cè)點(diǎn)時(shí)頻域范圍內(nèi)0～63 Hz、188～250 Hz、250～313 Hz 這3 個(gè)頻帶的能量作為損傷特征指標(biāo)。

表4 道床板側(cè)面不同脫粘損傷程度下各頻帶對(duì)應(yīng)能量 J

圖11 道床板各頻帶側(cè)面損傷對(duì)應(yīng)能量

3.1.3 總能量

軌枕塊和道床板檢測(cè)點(diǎn)各頻率分段的能量已經(jīng)獲得，對(duì)其數(shù)值進(jìn)行求和即可獲得各檢測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的總能量，其隨脫粘損傷程度的變化見(jiàn)表5。

不同脫粘損傷工況下各檢測(cè)點(diǎn)的小波包分解總能量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖12。

由圖12 可得，總能量隨脫粘程度的增加也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，說(shuō)明隨側(cè)面脫粘損傷程度的增加，在列車荷載的沖擊作用下，軌枕塊和道床板的振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度和幅度逐漸變大。

表5 各檢測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)邊脫粘下?lián)p傷程度對(duì)應(yīng)總能量 kJ

圖12 側(cè)面損傷程度對(duì)應(yīng)總能量

3.2 底面脫粘損傷工況

3.2.1 軌枕塊

軌枕塊檢測(cè)點(diǎn)在軌枕連接面底面不同脫粘損傷程度下各頻帶所對(duì)應(yīng)的能量見(jiàn)表6。

表6 軌枕塊底面不同脫粘損傷程度下各頻帶對(duì)應(yīng)能量 J

由不同脫粘損傷程度下軌枕塊檢測(cè)點(diǎn)各頻率分段的能量可得，各頻率分段的能量均隨損傷程度的增加出現(xiàn)一定變化，但呈明顯變化規(guī)律的是63 ～125 Hz、250 ～313 Hz、313 ～375 Hz 這3 個(gè)頻帶，這3 個(gè)頻帶的能量隨脫空損傷程度的增加而嚴(yán)格增大，其能量隨損傷程度的變化曲線見(jiàn)圖13。因此，可將軌道板上檢測(cè)點(diǎn)時(shí)頻域范圍內(nèi)63 ～125 Hz、250 ～313 Hz、313 ～375 Hz 這3 個(gè)頻帶的能量作為損傷特征指標(biāo)。

圖13 軌枕塊各頻帶底面損傷程度對(duì)應(yīng)能量

3.2.2 道床板

道床板檢測(cè)點(diǎn)在軌枕連接面底面不同脫粘損傷程度下各頻帶所對(duì)應(yīng)的能量見(jiàn)表7。

表7 道床板底面不同脫粘損傷程度下各頻帶對(duì)應(yīng)能量 J

由不同脫粘損傷程度下道床板檢測(cè)點(diǎn)各頻率分段的能量可得，各頻率分段能量均隨損傷程度的增加發(fā)生變化，但呈明顯變化規(guī)律的是63 ～125 Hz、188 ～250 Hz、250 ～313 Hz 這3 個(gè)頻帶，其能量隨損傷程度的變化曲線見(jiàn)圖14。

圖14 道床板各頻帶底面損傷程度對(duì)應(yīng)能量

3.2.3 總能量

道床板上檢測(cè)點(diǎn)時(shí)頻域范圍內(nèi)63～125 Hz、188～250 Hz、250～313 Hz 這3 個(gè)頻帶的能量隨脫空損傷程度的增加而嚴(yán)格增大，因此，可將道床板上檢測(cè)點(diǎn)時(shí)頻域范圍內(nèi)這3 個(gè)頻帶的能量作為損傷特征指標(biāo)。軌枕塊和道床板檢測(cè)點(diǎn)各頻率分段的能量已經(jīng)獲得，對(duì)其數(shù)值進(jìn)行求和即可獲得各檢測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的總能量，其隨脫粘損傷程度的變化見(jiàn)表8。

表8 各檢測(cè)點(diǎn)底面脫粘損傷程度對(duì)應(yīng)總能量 kJ

不同脫粘損傷程度下各檢測(cè)點(diǎn)的小波包分解總能量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖15。總能量隨脫空程度的增加也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，說(shuō)明隨底部脫粘損傷程度的增加，在列車荷載的沖擊作用下，軌枕塊和道床板的振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度和幅度逐漸變大。

圖15 底面脫粘損傷程度對(duì)應(yīng)總能量

4 結(jié)論

基于小波包分解對(duì)軌枕面脫粘損傷下CRTS I 型雙塊式無(wú)砟軌道振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，得出如下主要結(jié)論：

（1）雙塊式無(wú)砟軌道軌枕連接面脫粘將顯著提升軌枕塊和道床板的振動(dòng)響應(yīng)，軌枕連接面底部脫粘對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的提升更為劇烈。

（2）在外部荷載作用下，雙塊式無(wú)砟軌道軌枕連接面脫粘時(shí)的自身振動(dòng)響應(yīng)發(fā)生較大變化，通過(guò)小波包分解提取頻帶能量作為損傷特征指標(biāo)，其頻帶能量增幅達(dá)到6%以上，可以識(shí)別損傷的程度。

（3）計(jì)算結(jié)果顯示軌枕塊頻帶總能量大致為道床板的2 倍，表明隨著軌枕連接面脫粘損壞程度的加深，軌枕塊振動(dòng)響應(yīng)顯著提升，向下傳遞致使道床板振動(dòng)響應(yīng)提升。因此，在CRTS I 雙塊式無(wú)砟軌道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制軌枕連接面脫粘程度。