高速鐵路軌道－路基服役性能演變與狀態(tài)控制技術(shù)研究

本項(xiàng)目圍繞高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)界面?zhèn)鬟f機(jī)制、服役狀態(tài)演變及劣化機(jī)理等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展了高速鐵路路基典型填料的動(dòng)靜力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，研究了路基材料動(dòng)靜力學(xué)響應(yīng)特性及長(zhǎng)期性能演變規(guī)律；采用室內(nèi)實(shí)尺模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在列車(chē)動(dòng)荷載重復(fù)作用下長(zhǎng)期服役性能的時(shí)空分布特征和演變規(guī)律，初步探明了高速鐵路軌道－路基各子系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)相互作用機(jī)制和層間動(dòng)力傳遞機(jī)理；依托西南交通大學(xué)車(chē)-線耦合關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量統(tǒng)計(jì)了CRTS III型板式軌道板邊離縫的幾何分布特征，建立了含有板邊離縫的動(dòng)力沖擊有限元分析模型以及車(chē)輛-軌道-路基耦合有限元模型，系統(tǒng)分析了板邊離縫對(duì)軌道-路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響；提出了路基不均勻沉降引起的軌道結(jié)構(gòu)變形求解方法，探討了路基不均勻沉降引起的無(wú)砟軌道軌面幾何變形特征及其與路基沉降波長(zhǎng)、幅值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，初步探明了高速鐵路路基沉降與無(wú)砟軌道的幾何形態(tài)的映射關(guān)系；研究了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不同損傷狀態(tài)下的服役特性和損傷演化規(guī)律，分析軌道性能演變對(duì)路基服役狀態(tài)的影響，探明路基累積變形及其動(dòng)力性能對(duì)軌道狀態(tài)演變的反饋機(jī)制，并探索了減輕高速列車(chē)－軌道－路基動(dòng)態(tài)相互作用的技術(shù)方法與途徑。項(xiàng)目研究為高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、狀態(tài)評(píng)估、養(yǎng)護(hù)維修、工程加固等技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)和應(yīng)用參考。 2100433B

針對(duì)現(xiàn)代高速鐵路結(jié)構(gòu)特征，圍繞高速鐵路軌道－路基性能演變與控制這一核心問(wèn)題，采用理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，建立可以反映軌道結(jié)構(gòu)部件傷損和材料性能劣化的高速列車(chē)－軌道－路基結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)相互作用模型及分析求解方法，揭示高速列車(chē)運(yùn)行荷載在軌道－路基結(jié)構(gòu)中的傳遞規(guī)律及其對(duì)路基的動(dòng)力作用特性，闡明高速鐵路路基的動(dòng)力劣化規(guī)律和狀態(tài)演變?cè)杏龣C(jī)理，探明高速鐵路軌道性能演變與路基服役性能的相互影響機(jī)制，提出高速鐵路軌道－路基服役性能演變的預(yù)測(cè)方法，給出不同演變狀態(tài)下的軌道和路基狀態(tài)控制建議準(zhǔn)則，為不同速度等級(jí)的高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護(hù)與安全管理提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

高速鐵路是一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其組成設(shè)備在服役期始終處在動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程中。因此，準(zhǔn)確感知和綜合監(jiān)測(cè)高速鐵路設(shè)備服役狀態(tài)是確保健康平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目以車(chē)路耦合關(guān)系這一影響高速鐵路安全的核心問(wèn)題為切入點(diǎn)，通過(guò)研究跨多氣候帶無(wú)縫線路在長(zhǎng)期服役過(guò)程中的狀態(tài)演變過(guò)程，建立全新的分布參數(shù)式服役狀態(tài)模型，描述高速列車(chē)及無(wú)縫線路的動(dòng)態(tài)耦合過(guò)程以及累積效應(yīng)和其它環(huán)境因素造成的參數(shù)長(zhǎng)期演變過(guò)程。以此為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究復(fù)雜分布參數(shù)系統(tǒng)的狀態(tài)感知算法，采用車(chē)、地自檢和互檢等多種檢測(cè)方式，并在不同時(shí)間和空間尺度上重構(gòu)和簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，開(kāi)發(fā)線性與非線性混合濾波器算法，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫線路應(yīng)力分布、平順度、剛度、阻尼以及高速列車(chē)舒適度、脫軌系數(shù)等重要參數(shù)的智能感知。同時(shí)，開(kāi)展綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化方法、設(shè)備服役狀態(tài)綜合評(píng)估方法研究，結(jié)合基于環(huán)形鐵道試驗(yàn)基地和京滬高鐵的驗(yàn)證研究，為發(fā)展我國(guó)高速鐵路設(shè)備服役狀態(tài)綜合監(jiān)測(cè)理論奠定基礎(chǔ)。

針對(duì)高速鐵路無(wú)縫線路中軌道、路基、橋梁等在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生服役性能變化的問(wèn)題，項(xiàng)目對(duì)反映線路健康狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)和性能指標(biāo)開(kāi)展了監(jiān)測(cè)和研究。其中重點(diǎn)針對(duì)軌道應(yīng)力的分布演化機(jī)制，通過(guò)綜合運(yùn)用機(jī)理分析和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等建模手段，開(kāi)展了復(fù)雜運(yùn)營(yíng)條件下無(wú)縫線路力學(xué)特性演變的基礎(chǔ)理論研究以及多手段融合的軌道設(shè)施安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的研究。 為了描述高速列車(chē)及無(wú)縫線路的動(dòng)態(tài)耦合過(guò)程以及累積效應(yīng)和其它環(huán)境因素造成的參數(shù)長(zhǎng)期演變過(guò)程，首先建立了基于統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型和有限元模型的系統(tǒng)仿真平臺(tái)，包括車(chē)輛-軌道-路基/橋梁的耦合動(dòng)靜態(tài)模型以及針對(duì)長(zhǎng)大線路跨區(qū)域溫度載荷的空間多尺度模型。率先從理論上提出了軌道固有振動(dòng)特性關(guān)于軌道縱向應(yīng)力的精確解析形式，得到了鋼軌溫度應(yīng)力對(duì)車(chē)軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。提出了計(jì)算大型結(jié)構(gòu)平均性能參數(shù)的漸進(jìn)均勻化方法，應(yīng)用于鐵路橋梁空間多尺度混合模型的建立中，解決了長(zhǎng)大線路應(yīng)力分布的仿真問(wèn)題。基于仿真計(jì)算平臺(tái)，開(kāi)展了局部設(shè)備參數(shù)老化與整體線路綜合性能之間影響關(guān)系的基礎(chǔ)理論研究。研究了復(fù)雜運(yùn)營(yíng)條件下長(zhǎng)大橋梁無(wú)縫線路的力學(xué)行為，分析了復(fù)雜荷載作用下小阻力扣件失效、基礎(chǔ)沉降等多種基礎(chǔ)設(shè)施病害發(fā)生、演變規(guī)律。分析并確定了服役狀態(tài)敏感指標(biāo)及感知區(qū)域，提出了軌道系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置方案，在京滬高速鐵路建立了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)工點(diǎn)，基于多手段智能融合的監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)由內(nèi)至外的綜合評(píng)價(jià)。 根據(jù)溫度應(yīng)力對(duì)不同頻次鋼軌振動(dòng)的影響特點(diǎn)，提出了基于低頻車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的車(chē)載鋼軌應(yīng)力連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于高頻超聲導(dǎo)波的地面鋼軌完整性檢測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能方法的應(yīng)力參數(shù)估計(jì)方法，分別應(yīng)用于快速車(chē)載檢測(cè)、地面固定監(jiān)測(cè)、移動(dòng)式重點(diǎn)巡檢等多種軌道健康狀態(tài)檢測(cè)方案。并在多條實(shí)際線路上推廣應(yīng)用，其中安裝在大西高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)試用的無(wú)縫線路鋼軌完整性和應(yīng)力檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)2.5km區(qū)間無(wú)縫線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。 2100433B

無(wú)縫線路服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)是高速鐵路安全監(jiān)測(cè)中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，《高速鐵路無(wú)縫線路服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)理論與實(shí)踐》針對(duì)無(wú)縫線路服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的鋼軌溫度應(yīng)力、鋼軌完整性、路基沉降、軌道不平順和砂漿脫空等監(jiān)測(cè)內(nèi)容，系統(tǒng)地介紹了其理論建模、移動(dòng)監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)方法，相關(guān)理論和方法在高鐵現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)踐和應(yīng)用，形成了一整套適用于我國(guó)高速鐵路無(wú)縫線路服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)的理論方法和技術(shù)體系。