高速鐵路無縫線路服役狀態(tài)監(jiān)測理論與實踐

目錄

前言

第1章緒論1

1.1高速鐵路技術(shù)與裝備體系1

1.1.1高速鐵路固定設(shè)備1

1.1.2高速鐵路移動設(shè)備3

1.1.3高速鐵路運營控制3

1.2高速鐵路運營安全要素分析3

1.2.1人員安全要素4

1.2.2機車車輛安全要素4

1.2.3線路安全要素4

1.2.4環(huán)境安全要素4

1.2.5管理安全要素5

1.3無縫線路服役狀態(tài)對鐵路運營安全影響的分析5

1.3.1無縫鋼軌溫度應力5

1.3.2軌道不平順6

1.3.3無縫線路服役狀態(tài)綜合監(jiān)測方法7

1.4本書主要內(nèi)容8

參考文獻10

第2章無縫線路服役狀態(tài)演變理論與建模11

2.1無縫線路的研究背景11

2.1.1橋上無縫線路基礎(chǔ)理論與模型的發(fā)展11

2.1.2梁、軌縱向相互作用機理簡介16

2.1.3長大線路應力分布模型的建立20

2.2長大線路無砟軌道應力分布模型26

2.2.1橋梁軌道結(jié)構(gòu)的多尺度有限元模型27

2.2.2根據(jù)均勻化理論估算宏觀性能31

2.2.3利用多尺度線路模型進行應力計算的數(shù)值方法39

2.2.4試驗對比以及計算結(jié)果分析42

2.3鋼軌縱向應力作用下的車輛軌道動力響應分析56

2.3.1縱向應力影響下板式軌道模型的振動特性56

2.3.2車軌耦合動力學模型61

2.3.3動態(tài)響應的數(shù)值分析63

參考文獻70

第3章無縫線路服役狀態(tài)地面監(jiān)測方法73

3.1無縫線路應力檢測技術(shù)73

3.1.1背景與研究現(xiàn)狀73

3.1.2超聲導波技術(shù)75

3.1.3半解析有限元方法78

3.1.4仿真與分析82

3.2無縫線路完整性檢測技術(shù)96

3.2.1背景與研究現(xiàn)狀96

3.2.2技術(shù)方案98

3.2.3實驗驗證103

3.3路基沉降檢測方法107

3.3.1研究現(xiàn)狀107

3.3.2基于PSD技術(shù)的檢測方案109

3.3.3路基沉降檢測裝置113

3.3.4實驗與分析117

參考文獻125

第4章無縫線路服役狀態(tài)移動檢測方法128

4.1軌道交通線路全斷面與形變檢測技術(shù)128

4.1.1基于車路振動模型的慣性基準測量128

4.1.2線路全斷面動態(tài)檢測系統(tǒng)應用165

4.2基于車輛動態(tài)響應的軌道幾何不平順智能估計176

4.2.1基于微種群遺傳算法和車軌耦合模型的軌道幾何不平順估計176

4.2.2基于UKF的軌道動態(tài)不平順估計優(yōu)化193

4.3軌道剛度參數(shù)突變識別算法200

4.3.1基于支持向量機和車輛動態(tài)響應的軌道剛度不平順估計200

4.3.2基于車輛動態(tài)響應的CA砂漿脫空智能檢測218

4.4基于車軌動態(tài)響應的鋼軌應力識別算法227

參考文獻2322100433B

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)測理論與實踐》針對無縫線路服役狀態(tài)監(jiān)測中的鋼軌溫度應力、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)場進行了實踐和應用，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。

高速鐵路是一個復雜動態(tài)系統(tǒng)，其組成設(shè)備在服役期始終處在動態(tài)的變化過程中。因此，準確感知和綜合監(jiān)測高速鐵路設(shè)備服役狀態(tài)是確保健康平穩(wěn)運營的基礎(chǔ)。本項目以車路耦合關(guān)系這一影響高速鐵路安全的核心問題為切入點，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態(tài)耦合過程以及累積效應和其它環(huán)境因素造成的參數(shù)長期演變過程。以此為基礎(chǔ)，重點研究復雜分布參數(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，實現(xiàn)無縫線路應力分布、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，開展綜合監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化方法、設(shè)備服役狀態(tài)綜合評估方法研究，結(jié)合基于環(huán)形鐵道試驗基地和京滬高鐵的驗證研究，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)。

針對高速鐵路無縫線路中軌道、路基、橋梁等在長期運營過程中會發(fā)生服役性能變化的問題，項目對反映線路健康狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)和性能指標開展了監(jiān)測和研究。其中重點針對軌道應力的分布演化機制，通過綜合運用機理分析和數(shù)據(jù)驅(qū)動等建模手段，開展了復雜運營條件下無縫線路力學特性演變的基礎(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態(tài)耦合過程以及累積效應和其它環(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)學模型和有限元模型的系統(tǒng)仿真平臺，包括車輛-軌道-路基/橋梁的耦合動靜態(tài)模型以及針對長大線路跨區(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特性關(guān)于軌道縱向應力的精確解析形式，得到了鋼軌溫度應力對車軌動態(tài)響應的影響規(guī)律。提出了計算大型結(jié)構(gòu)平均性能參數(shù)的漸進均勻化方法，應用于鐵路橋梁空間多尺度混合模型的建立中，解決了長大線路應力分布的仿真問題。基于仿真計算平臺，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。研究了復雜運營條件下長大橋梁無縫線路的力學行為，分析了復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)敏感指標及感知區(qū)域，提出了軌道系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容和測點布置方案，在京滬高速鐵路建立了實時在線監(jiān)測工點，基于多手段智能融合的監(jiān)測方法實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)由內(nèi)至外的綜合評價。 根據(jù)溫度應力對不同頻次鋼軌振動的影響特點，提出了基于低頻車輛動態(tài)響應的車載鋼軌應力連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)和基于高頻超聲導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力參數(shù)估計方法，分別應用于快速車載檢測、地面固定監(jiān)測、移動式重點巡檢等多種軌道健康狀態(tài)檢測方案。并在多條實際線路上推廣應用，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力檢測裝置可實現(xiàn)2.5km區(qū)間無縫線路的實時監(jiān)測，達到國際領(lǐng)先水平。 2100433B

本項目圍繞高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)界面?zhèn)鬟f機制、服役狀態(tài)演變及劣化機理等關(guān)鍵科學問題，開展了高速鐵路路基典型填料的動靜力學性質(zhì)試驗，研究了路基材料動靜力學響應特性及長期性能演變規(guī)律；采用室內(nèi)實尺模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在列車動荷載重復作用下長期服役性能的時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)間的動態(tài)相互作用機制和層間動力傳遞機理；依托西南交通大學車-線耦合關(guān)系試驗臺，測量統(tǒng)計了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)分析了板邊離縫對軌道-路基結(jié)構(gòu)動力特性的影響；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、幅值之間的對應關(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路基服役狀態(tài)的影響，探明路基累積變形及其動力性能對軌道狀態(tài)演變的反饋機制，并探索了減輕高速列車－軌道－路基動態(tài)相互作用的技術(shù)方法與途徑。項目研究為高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、狀態(tài)評估、養(yǎng)護維修、工程加固等技術(shù)開發(fā)提供了理論依據(jù)和應用參考。 2100433B