高速鐵路軌道平順性檢測關鍵理論與技術

本書針對影響高速鐵路軌道平順性的檢測與評價的若干關鍵問題，在總結現(xiàn)有軌道幾何狀態(tài)檢測與監(jiān)測技術、軌道剛度檢測方法、無縫線路狀態(tài)監(jiān)測理論、無砟軌道病害檢測方法和高速道岔狀態(tài)監(jiān)測技術的基礎上，分析了我國高速鐵路軌道平順性檢測與監(jiān)測方面面臨的主要挑戰(zhàn)；系統(tǒng)研究了軌道靜態(tài)不平順的高效檢測理論與方法、軌道不平順的動力學控制理論及評估技術、軌道寬頻動剛度的檢測理論與方法、基于模態(tài)的無砟道床傷損檢測理論與方法、影響高速鐵路高平順性的無縫線路斷軌與溫度力監(jiān)測技術，及高速道岔鋼軌裂紋監(jiān)測技術等；提出了加強我國高速鐵路軌道平順性檢測、監(jiān)測與評估的若干建議。

王平，工學博士，西南交通大學教授,博士生導師?，F(xiàn)為高速鐵路線路工程教育部重點實驗室主任、西南交通大學道路與鐵道工程系主任、高速鐵路軌道結構理論與安全服役技術四川省科技創(chuàng)新團隊帶頭人。曾獲享受國務院政府特殊津貼專家、教育部新世紀人才、四川省學術及技術帶頭人等稱號，并于2014年獲得國家杰出青年科學基金。長期從事鐵路軌道方面的教學與科研工作，是西南交通大學道路與鐵道工程國家J重點學科帶頭人；獲得國家J教學成果獎1項，四川省教學成果獎4項。

王平教授重點研究高速重載軌道結構及軌道動力學、鐵路軌道不平順及動力學、跨區(qū)間無縫線路設計理論與方法以及城市軌道交通減振降噪等方向。主持建立了我國高速鐵路道岔設計理論體系，領導了我國時速250公里、350公里系列高速鐵路道岔的研制；探明了無縫道岔與橋梁等基礎間的約束機制與作用規(guī)律，解決了高速道岔應用于不同基礎結構上的適應性難題；形成了高速鐵路軌道平順性保持技術體系，解決了高鐵建設與運營過程中軌道平順狀態(tài)診斷與高平順性長期保持的技術難題。承擔國家“863”計劃、國家高速鐵路基礎研究聯(lián)合基金重點支持項目、國家自然科學基金及鐵道部科技開發(fā)項目20余項。2016年，作為第一完成人以“高速鐵路軌道平順性保持技術”項目獲國家技術發(fā)明獎二等獎；曾主持獲得四川省、教育部及中國鐵道學會科技進步獎一等獎3項。出版專著5本，獨著的《高速鐵路道岔設計理論與實踐》獲得了中國圖書“三個一百”原創(chuàng)出版工程獎；獲國家發(fā)明和實用新型專利44項，軟件著作權8項；近5年，SCI收錄論文共46篇，EI收錄論文共167篇。

肖杰靈，博士，副教授。西南交通大學土木工程學院道路與鐵道工程系任教。長期從事高速、重載及城市軌道交通軌道動力學、軌道結構領域的研究與工程應用，主要研究方向包括鐵路無縫線路技術、新型軌道結構研究與應用、工務檢測與監(jiān)測技術等。作為主研人員參與了我國高速道岔理論創(chuàng)新與應用、無砟軌道理論研究與結構再創(chuàng)新等工作。先后主持國家自然科學基金青年基金１項，中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃重點項目３項，四川省科技支撐計劃項目１項，中鐵二院、成都局和太原局等單位科技攻關項目多項；參與包括國家科技重大專項、國家自然科學基金高鐵聯(lián)合基金、中國鐵路總公司、中國鐵路工程總公司等單位的科學研究與技術攻關項目數(shù)10項，為高速、重載、快速及城市軌道交通軌道工程的研究及技術創(chuàng)新提供了大量的咨詢與技術支持。合著《高速鐵路橋上無縫線路技術》等專著1部，參編《軌道工程》《鐵道工程施工及檢測技術》等系列教材。發(fā)表高水平論文20余篇，獲得發(fā)明專利５項。曾獲教育部科技進步一等獎１項、鐵道學會特等獎１項，中國鐵路工程總公司獎項若干項。2100433B

適讀人群 ：鐵道工程及工務管理設計、科研與鐵道工程專業(yè)師生

京滬高鐵線已運營十年，復興號使得單程時間縮到至4小時18分，高鐵時代的“雙城記”改變著我們對地域的理解。在高速、大運量、運營時間累計，我們對高鐵的要求也在不斷改變，穩(wěn)靜舒適度一直是高鐵在便捷以外給乘客的另一大體驗。既有的高鐵線下部基礎沉降等變形直接影響軌道平順性，另一方面受軌道使用過程手多因素耦合效應影響狀態(tài)劣化；另一方面隨著運營規(guī)模的不斷擴大，高品質(zhì)的高鐵建設仍然需求量較大?？茖W評估是高鐵運營安全的重要保障，加強我國高速鐵路軌道平順性監(jiān)測、監(jiān)測與評估的建議。

第1章 緒論1

1.1中國高速鐵路軌道維護檢修體系2

1.2現(xiàn)代軌道幾何狀態(tài)檢測與監(jiān)測技術4

1.2.1軌道幾何狀態(tài)檢測技術的主要分類4

1.2.2軌道動態(tài)不平順檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀4

1.2.3軌道靜態(tài)不平順檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀7

1.2.4其他相關檢測技術的發(fā)展與應用9

1.2.5軌道狀態(tài)監(jiān)測技術的發(fā)展與應用12

1.3高速鐵路軌道平順性檢測面臨的主要挑戰(zhàn)14

參考文獻16

第2章 高速鐵路軌道靜態(tài)平順性檢測19

2.1高速鐵路軌道平順性的精密工程測量與控制19

2.1.1高速鐵路軌道精密工程測量19

2.1.2軌道空間幾何線形控制方法20

2.2基于中點弦測法反演的軌道不平順檢測21

2.2.1基于中點弦測法的逆濾波法21

2.2.2基于中點弦測法反演的軌道不平順檢測理論27

2.2.3基于高頻采樣的中點弦測法39

2.3基于一弦多點弦測法反演的軌道不平順檢測47

2.3.1一弦N點弦測法的數(shù)學模型47

2.3.2一弦N點弦測系統(tǒng)誤差分析53

2.4基于最優(yōu)多點弦測法反演的軌道不平順檢測66

2.4.1最優(yōu)化問題描述67

2.4.2優(yōu)化方案69

2.4.3一弦N點的單測點弦測法70

2.4.4最優(yōu)兩點弦測法72

2.4.5其他多點弦測法75

2.4.6最優(yōu)多測點弦測法的優(yōu)化率80

2.5慣性導航系統(tǒng)檢測82

2.5.1慣性導航技術簡介82

2.5.2慣性導航系統(tǒng)檢測理論82

2.5.3慣性導航偏移分析86

2.6相對與絕對結合的高效檢測87

2.6.1軌道不平順相對測量技術87

2.6.2軌道不平順絕對測量技術87

2.6.3相對與絕對結合的檢測技術88

2.6.4軌檢儀的優(yōu)化研究90

參考文獻93

第3章 高速鐵路軌道不平順動力學控制與評估95

3.1國內(nèi)外軌道不平順的評價方法96

3.1.1軌道局部不平順評價方法96

3.1.2軌道整體不平順評價方法101

3.1.3功率譜密度評定軌道平順狀態(tài)108

3.2軌道不平順與輪軌系統(tǒng)的頻率響應規(guī)律114

3.2.1車輛軌道空間耦合系統(tǒng)頻響分析模型114

3.2.2車輛軌道空間耦合系統(tǒng)典型頻響規(guī)律分析129

3.3軌道不平順的敏感波長分析142

3.3.1高低不平順的敏感波長分布142

3.3.2水平不平順的敏感波長分布144

3.3.3軌向不平順的敏感波長分布146

3.3.4軌距不平順的敏感波長分布148

3.4基于動力學的軌道不平順評價方法149

3.4.1軌道不平順波長權重函數(shù)150

3.4.2軌道不平順的重構164

3.4.3考慮波長權重的軌道不平順管理值193

3.5應用案例分析199

3.5.1軌道不平順數(shù)據(jù)樣本199

3.5.2動力學響應分析201

3.5.3峰值管理203

3.5.4均值管理206

參考文獻209

第4章 軌道寬頻動剛度檢測211

4.1軌道寬頻動剛度檢測概述211

4.1.1結構的靜剛度與動剛度211

4.1.2結構剛度的計算方法212

4.1.3軌道垂向剛度212

4.2國內(nèi)外軌道剛度檢測技術現(xiàn)狀214

4.2.1軌道結構部件剛度的測量214

4.2.2軌道整體剛度的測量222

4.2.3軌道剛度測量方法分析與比較235

4.3軌道結構動力特征238

4.3.1軌道結構的動力特性238

4.3.2軌道結構動力特性的控制與應用241

4.3.3軌道結構系統(tǒng)動力特性仿真243

4.3.4軌道結構系統(tǒng)動力特性的參數(shù)244

4.4軌道結構寬頻動剛度計算理論245

4.4.1兩自由度的軌道動剛度計算模型245

4.4.2多自由度的軌道動剛度計算模型246

4.4.3有砟軌道結構的寬頻動剛度計算247

4.5軌道結構寬頻動剛度測試方法250

4.5.1力錘激勵法250

4.5.2小車檢測法257

參考文獻263

第5章 高速鐵路無砟軌道傷損檢測265

5.1無砟軌道傷損及檢測技術概述265

5.1.1無砟軌道主要傷損類型265

5.1.2無砟軌道傷損檢測現(xiàn)狀268

5.2模態(tài)法檢測無砟軌道傷損269

5.2.1基于固有頻率的結構傷損檢測269

5.2.2基于曲率模態(tài)的無砟軌道傷損檢測270

5.2.3基于高斯曲率的無砟軌道傷損檢測277

5.2.4模態(tài)法檢測傷損試驗280

5.3基于沖擊回波法識別無砟軌道傷損282

5.3.1沖擊回波法的檢測原理282

5.3.2沖擊回波法的數(shù)值仿真285

5.3.3沖擊回波法檢測傷損試驗291

5.4無砟軌道傷損檢測系統(tǒng)設計294

5.4.1系統(tǒng)方案295

5.4.2檢測系統(tǒng)硬件設備296

5.4.3檢測系統(tǒng)裝置298

5.4.4信號處理299

5.4.5檢測系統(tǒng)識別傷損301

參考文獻302

第6章 無縫線路溫度力及斷軌監(jiān)測303

6.1無縫線路監(jiān)測及檢測技術304

6.1.1傳統(tǒng)監(jiān)測方法304

6.1.2新型監(jiān)測方法305

6.2無縫線路中鋼軌溫度力測試306

6.2.1雙向應變法測試原理及組橋方案307

6.2.2鋼軌截面溫度變化對測量誤差的影響311

6.2.3基本溫度力與附加縱向力的分離研究315

6.2.4異包層光纖光柵傳感器的室內(nèi)試驗驗證319

6.2.5現(xiàn)場試驗驗證321

6.3高架站橋上無縫道岔監(jiān)測系統(tǒng)322

6.3.1橋上無砟道岔的狀態(tài)控制指標322

6.3.2橋上無砟道岔敏感區(qū)域323

6.3.3高速鐵路高架站軌道系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容330

6.3.4主要監(jiān)測技術332

6.3.5高架站無縫道岔監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成333

6.3.6監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)預測、報警和預警335

參考文獻336

第7章 高速道岔鋼軌裂紋監(jiān)測338

7.1道岔鋼軌傷損檢測及監(jiān)測技術338

7.1.1鋼軌傷損分類338

7.1.2國內(nèi)外道岔監(jiān)測系統(tǒng)339

7.1.3鋼軌傷損檢測及監(jiān)測技術341

7.2基于聲發(fā)射技術的道岔鋼軌裂紋傷損識別算法347

7.2.1經(jīng)典聲發(fā)射信號處理算法347

7.2.2能量譜比值法348

7.2.3基于小波包分析的聲發(fā)射信號處理354

7.2.4基于大數(shù)據(jù)的聲發(fā)射信號處理361

7.2.5海量數(shù)據(jù)測試及結果372

7.3高速道岔鋼軌裂紋監(jiān)測系統(tǒng)373

7.3.1道岔監(jiān)測系統(tǒng)的主要設計原則374

7.3.2道岔監(jiān)測系統(tǒng)的設計理念374

7.3.3系統(tǒng)架構375

7.3.4系統(tǒng)組成375

7.3.5功能設計378

7.3.6室內(nèi)試驗驗證380

7.3.7信號在鋼軌中衰減試驗381

參考文獻382

針對高速鐵路軌道結構安全長效服役急需的三項關鍵檢測內(nèi)容，應用理論研究、仿真分析、現(xiàn)場試驗相結合的方法，開展軌道幾何不平順高效檢測、無縫線路狀態(tài)監(jiān)測、軌道剛度移動檢測的理論與方法研究，探索構建面向工務維護及實時反饋的檢測評估體系。將建立基于空間曲線、動靜結合的軌道幾何不平順高效檢測理論，提出考慮波長影響的軌道不平順評價和控制方法，指導新型軌檢儀的研發(fā)。將建立基于雙向應變法、光纖光柵法、無線自組網(wǎng)技術、Web網(wǎng)絡遠程監(jiān)控技術的無縫線路狀態(tài)檢測理論，提出高敏感區(qū)段多參數(shù)、多源評判的綜合評估理論，為研制無縫線路狀態(tài)長期、廣域監(jiān)測平臺提供理論及技術支持。研究軌道剛度與鋼軌模態(tài)參數(shù)的相關規(guī)律，建立基于人工激勵、模態(tài)參數(shù)識別軌道剛度檢測理論，提出移動式激振及拾振技術，為軌道剛度在線檢測提供新思路。其成果對確保高速列車的安全運行、實現(xiàn)軌道結構的科學養(yǎng)護維修具有十分重要的意義和良好的應用前景。

針對高速鐵路軌道結構安全長效服役急需的三項關鍵檢測內(nèi)容，應用理論研究、仿真分析、現(xiàn)場試驗相結合的方法，開展軌道幾何不平順高效檢測、無縫線路狀態(tài)監(jiān)測、軌道剛度移動檢測的理論與方法研究，探索構建面向工務維護及實時反饋的檢測評估體系。取得的重要成果有：（1）建立車輛-軌道空間耦合動力學模型，得出了影響車輛-軌道耦合系統(tǒng)振動的敏感波長分布特征，用于識別空間曲線的不平順狀態(tài)。（2）以相對測量提升檢測效率，引入靜態(tài)絕對測量數(shù)據(jù)平差以控制整體精度，形成高效的軌道幾何檢測技術。（3）提出了一類改進N點弦測法，形成一系列的衍生軌道不平順測量方法。（4）基于快速檢測的方法，形成了軌道幾何不平順控制和評價體系。（5）將多種研究成果進行整合，研發(fā)試制了軌道多功能檢測小車，能夠進行軌道長波不平順、軌道短波波磨及鋼軌光帶的檢測。（6）基于波譜單元 辛數(shù)學建立的車輛?軌道耦合頻域計算模型，高效預測扣件彈性膠墊的寬頻動力性能對高頻振動響應的影響規(guī)律。（7）建立雙自由度解析及多自由度數(shù)值模型兩種軌道動剛度計算模型，并提出動剛度反演扣件剛度的方法。（8）研制了能夠移動定點檢測軌道剛度的軌道剛度檢測小車，可現(xiàn)實在線軌道寬頻動剛度值的獲得。（9）建立周期性支撐的軌道梁模型并推導軌道剛度的方法，進行了軌道平順度及健康狀況的評估試驗。（10）分析了溫度等外荷載作用下無縫線路狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律及敏感性，并探索了鋼軌縱向應力-應變修正方法。（11）建立高架站-無砟軌道-道岔長期監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了高架站軌道系統(tǒng)服役狀態(tài)的實時在線監(jiān)控與預測預警。（12）開展了無縫線路檢測與監(jiān)測的室內(nèi)外試驗，試驗結果良好。（13）構建了高速道岔功能狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)。其成果對確保高速列車的安全運行、實現(xiàn)軌道結構的科學養(yǎng)護維修具有十分重要的意義。 2100433B

2016年度國家技術發(fā)明獎二等獎。 2100433B