高速鐵路軌道－路基服役性能演變與狀態(tài)控制技術(shù)研究項(xiàng)目摘要

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－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。

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)問題，開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)在列車動(dòng)荷載重復(fù)作用下長期服役性能的時(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-線耦合關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)，測量統(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砟軌道軌面幾何變形特征及其與路基沉降波長、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－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)開發(fā)提供了理論依據(jù)和應(yīng)用參考。 2100433B

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)的變化過程中。因此，準(zhǔn)確感知和綜合監(jiān)測高速鐵路設(shè)備服役狀態(tài)是確保健康平穩(wěn)運(yùn)營的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目以車路耦合關(guān)系這一影響高速鐵路安全的核心問題為切入點(diǎn)，通過研究跨多氣候帶無縫線路在長期服役過程中的狀態(tài)演變過程，建立全新的分布參數(shù)式服役狀態(tài)模型，描述高速列車及無縫線路的動(dòng)態(tài)耦合過程以及累積效應(yīng)和其它環(huán)境因素造成的參數(shù)長期演變過程。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、地自檢和互檢等多種檢測方式，并在不同時(shí)間和空間尺度上重構(gòu)和簡化系統(tǒng)模型，開發(fā)線性與非線性混合濾波器算法，實(shí)現(xiàn)無縫線路應(yīng)力分布、平順度、剛度、阻尼以及高速列車舒適度、脫軌系數(shù)等重要參數(shù)的智能感知。同時(shí)，開展綜合監(jiān)測網(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)展我國高速鐵路設(shè)備服役狀態(tài)綜合監(jiān)測理論奠定基礎(chǔ)。

針對(duì)高速鐵路無縫線路中軌道、路基、橋梁等在長期運(yùn)營過程中會(huì)發(fā)生服役性能變化的問題，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)開展了監(jiān)測和研究。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，開展了復(fù)雜運(yùn)營條件下無縫線路力學(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)測方法的研究。 為了描述高速列車及無縫線路的動(dòng)態(tài)耦合過程以及累積效應(yīng)和其它環(huán)境因素造成的參數(shù)長期演變過程，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)，包括車輛-軌道-路基/橋梁的耦合動(dòng)靜態(tài)模型以及針對(duì)長大線路跨區(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，解決了長大線路應(yīng)力分布的仿真問題?；诜抡嬗?jì)算平臺(tái)，開展了局部設(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)營條件下長大橋梁無縫線路的力學(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)測內(nèi)容和測點(diǎn)布置方案，在京滬高速鐵路建立了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測工點(diǎn)，基于多手段智能融合的監(jiān)測方法實(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)，提出了基于低頻車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的車載鋼軌應(yīng)力連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)和基于高頻超聲導(dǎo)波的地面鋼軌完整性檢測系統(tǒng)，開發(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)用于快速車載檢測、地面固定監(jiān)測、移動(dòng)式重點(diǎn)巡檢等多種軌道健康狀態(tài)檢測方案。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)場試用的無縫線路鋼軌完整性和應(yīng)力檢測裝置可實(shí)現(xiàn)2.5km區(qū)間無縫線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。 2100433B

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