摘要
为准确识别双块式无砟轨道轨枕与道床板连接面脱空损伤,建立了双块式无砟轨道冲击回波有限元模型,分析界面损伤对弹性波传播规律的影响。在室内浇筑含有不同损伤位置和不同损伤程度的混凝土复合试件,采用冲击回波法进行损伤识别。研究结果表明:脱空损伤会显著影响弹性波在界面处的传播,基于回波信号分析可识别损伤;弹性波频率主要受激振锤大小的影响,应结合结构易损位置和理论计算选取合适的激振锤;混凝土复合试件的试验厚度值与理论厚度值相差仅为1 cm,测试结果合理,可用于判断脱空损伤程度,但不能确定损伤区域;利用平面成像技术可准确识别轨枕与道床板界面脱空范围,为双块式无砟轨道结构养护维修提供一定参考,试验结果验证了冲击回波法用于双块式轨道层间脱空识别的可行性和合理性。
双块式无砟轨道因其造价低、结构型式统一等优点得到广泛应用;然而,双块式轨枕与道床板连接面属于新旧混凝土交界面,施工操作不当易使界面产生初始的微小裂纹,在列车动荷载、温度及雨水等耦合作用下,裂纹逐渐发展为脱空损伤,直接影响行车平稳性和安全
目前,主要采用探地雷达法和冲击回波法对无砟轨道结构常见的层间离缝(或脱空)和内部空洞等损伤进行分析。针对探地雷达法,学者们利用室内、现场试验及正演数值模拟对板式无砟轨道砂浆层缺失、空洞病害等进行识
可以看出,现有研究大多是针对板式无砟轨道砂浆层或自密实混凝土层损伤开展识别研究,对双块式无砟轨道轨枕与道床板界面损伤关注较少。考虑到传统冲击回波法对板式轨道层间损伤的识别效果较好,且空气耦合冲击回波法在无砟轨道隐蔽损伤识别中的应用还不成熟。因此,笔者选择传统冲击回波法识别双块式无砟轨道轨枕与道床板的界面脱空损伤,在数值分析轨道内部冲击弹性波传播规律的基础上,通过室内浇筑含界面脱空的轨枕与道床板复合试件,采用冲击回波法对界面不同损伤位置和损伤程度进行识别研究。
如

图1 含界面脱空的双块式无砟轨道有限元模型
Fig.1 Finite element model of twin‑block slab track with interface contact loss
参数 | 轨枕 | 道床板 | 支承层 |
---|---|---|---|
长度/mm | 800 | 2 150 | 2 150 |
宽度/mm | 300 | 2 800 | 3 400 |
厚度/mm | 200 | 260 | 150 |
弹性模量/1 | 3.65 | 3.25 | 2.25 |
密度/(kg· | 2 500 | 2 500 | 2 500 |
泊松比 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
计算得到不同时间节点下轨枕与道床板在垂向方向的应力云图。

图2 无界面损伤的无砟轨道应力云图
Fig.2 Stress cloud map of slab track without interface damage

图3 含界面损伤的无砟轨道应力云图
Fig.3 Stress cloud map of slab track with interface damage
由
为验证理论结果的正确性,浇筑混凝土复合试件来模拟双块式无砟轨道中轨枕块与道床板结构。
双块式无砟轨道实际结构尺寸较大,其中SK‑2型轨枕长宽高分别为844,314和220 mm,埋入道床板130 mm。从试验的可操作性和便捷性角度出发,将轨枕尺寸缩小一半。考虑到界面损伤位置和损伤大小是影响弹性波在结构内部传播的主要因素,参照文献[
混凝土等级 | C40 | C60 |
---|---|---|
水泥 | 300 | 400 |
粉煤灰 | 70 | 30 |
矿粉 | 45 | - |
砂 | 758 | 676 |
碎石 | 1 026 | 1 255 |
水 | 158 | 124 |
减水剂 | - | 4 |
浇筑下部的道床部分,提前在轨枕与道床板界面放入钢板,以此模拟界面损伤。钢板厚度为0.8 cm,长为20 cm,宽度分别为5,10,15及20 cm。损伤工况设置如
试件编号 | 损伤位置 | 损伤宽度/cm |
---|---|---|
1 | 无损伤 | 0 |
2 | 中部 | 5 |
3 | 10 | |
4 | 15 | |
5 | 20 | |
6 | 端部 | 5 |
7 | 10 | |
8 | 15 | |
9 | 20 |

图4 轨枕与道床复合试件示意图(单位:mm)
Fig.4 Schematic diagram of composite specimen of sleeper and track slab(unit:mm)
为确定浇筑的混凝土试件是否达到无砟轨道施工技术规范,在浇筑复合试件的同时,针对C40和C60 2种等级的混凝土分别浇筑3个边长为100 mm的立方体试件,按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002),采用TYE‑2000E型压力试验机对其进行抗压强度测试。结果表明,道床板试件和轨枕试件的平均抗压强度分别为40.6 MPa和62.2 MPa,均满足强度要求。
由于本次试验对象为混凝土复合试件,尺寸较小,故笔者采用某公司研发的高铁轨道基础综合质量检测仪LT‑RHMDT进行测试。该设备属于单点式回波仪,主要由加速度传感器、激振锤及分析系统等组成,具有受人为影响因素小、操作简单和可靠性高等优点。
当冲击弹性波从轨枕向道床板垂直传播时,由于不同材料的声阻抗存在差异,弹性波在轨枕与道床板的界面发生反射和折射,其程度主要与反射系数有关。
材料的声阻抗计算公式为
(1) |
其中:为介质的材料密度;为弹性波波速。
(2) |
其中:,分别为轨枕和道床板的声阻抗。
采用用于抗压强度测试的3个C60和3个C40立方体混凝土试件获取混凝土的表观密度,采用LT‑10激振锤分别标定弹性波在轨枕和道床中的传播速度,每个试件测试3次并计算其平均值,最终将3个试件对应的波速求均值。得到C60和C40混凝土对应的弹性波波速分别为3 799 m/s和3 647 m/s,声阻抗分别为9.24×1
冲击回波法的检测原理是利用小钢球等激励装置瞬时冲击结构表面,产生的弹性波在向下传播时遇到缺陷发生反射,当反射波到达表面时引起结构振动,在激振点附近利用传感器接收能够表征结构微小变形的位移、加速度等信号,通过对检测信号的频谱分析可判断测点损伤情况。考虑到冲击回波法激发的弹性波属于高频振动,在高频范围内结构振动强度与加速度大小成正比,故大多利用采集的测点振动加速度进行频谱分析。冲击回波法检测原理如

图5 冲击回波法检测原理
Fig.5 Detection principle of impact echo method
LT‑RHMDT设备含有3种激振锤,分别为LT‑10,LT‑17和LT‑30,对应的钢球直径分别为10,17和30 mm。不同大小的激振锤激发的弹性波频率不同,为了产生合适频率的激振弹性波,需要选择大小合适的激振锤。影响激振弹性波频率的主要因素为激振锤与混凝土试件表面接触时间,其与引起的弹性波自振频率的关
(3) |
其中:为激振锤与混凝土的接触时间;为弹性波自振频率。
主要由激振锤的质量、前端的曲率半径及接触时的冲击速度等决定。对于圆钢球,的计算公
(4) |
其中:为钢球的弹性模量,取2.1×1
针对未含脱空损伤的轨枕与道床板复合试件,在轨枕上表面长度方向的中轴线上等间距布置3个测点,采用LT‑10激振锤获取测点加速度响应,采样频率为1 MHz,采样时间为10 ms。考虑到最大熵法(maximum entropy method,简称MEM)较快速傅里叶变换的频谱分辨率更高,笔者采用MEM对测点响应进行频谱分析。

图6 测点响应的频谱分析
Fig.6 Spectral analysis of response at measurement points
在冲击回波法测试中,由瞬时冲击产生的弹性波从结构顶面传播到底面,经反射后再返回到顶面,波的传播行程为2倍板厚(2H),传播速度为v,则对应的传播时间,由于在激振点附近采集的加速度信号中必然包含一个周期为的卓越振动,频率,考虑结构截面系数的影响,得到振动信号频谱图中的峰值频率为
(5) |
其中:为弹性波波速;为复合试件厚度,为0.2 m;为试件横截面形状系数,取0.96。
由
结合式(
测试前在轨枕上表面标记测线,考虑脱空损伤位置、宽度及边界处波的反射对识别的影响,长度方向距边缘2 cm开始,每4 cm标记一条测线,共10条;宽度方向距边缘3.5 cm开始,每4 cm标记1条测线,共3条,合计30个测点。冲击回波测试如

图7 冲击回波测试
Fig.7 Impact echo test
考虑到不同脱空位置、不同脱空尺寸下测点加速度对应的频谱图规律较为类似,故以中部脱空15 cm的复合试件为例,未损伤与损伤区域测点频谱对比如

图8 未损伤与损伤区域测点频谱对比
Fig.8 Spectrum comparison of measurement points in undamaged and damaged areas
依据
基于标定好的弹性波波速和各测点振动加速度频谱图中的峰值频率,结合
(6) |
其中:为脱空位置的深度,取0.1 m;为脱空损伤宽度;为层间未损伤区域对应的试件厚度,取0.2 m;为复合试件长度,取0.4 m。
将9个试件的试验平均厚度与理论平均厚度进行对比,分别计算两者差值的绝对值,以及各试件试验平均厚度与未损伤试件的理论平均厚度的差值。

图9 试件试验平均厚度与理论平均厚度对比
Fig.9 Comparison between experimental and theoretical average thickness for specimens
由
结合轨枕上表面30个测点的振动响应,通过平面成像分析可反映轨枕与道床板界面情况,对脱空损伤位置进行准确识别。以未损伤、端部脱空15 cm和中部脱空15 cm为例,轨枕与道床板界面回波成像如

图10 轨枕与道床板界面回波成像
Fig.10 Echo imaging of the interface between sleeper and track slab
由
1) 当双块式轨枕与道床板出现损伤后,冲击弹性波在界面处主要发生反射,而无损伤条件下主要发生折射,对弹性波不同传播规律下的回波信号进行频谱分析可以实现界面损伤识别。
2) 不同质量的激振锤激发的弹性波频率范围不同,应预先判断结构损伤易发生位置,结合理论计算选取合适的激振锤。对于本研究浇筑的复合试件,其界面脱空损伤距离表面10 cm,为避免波长过长的弹性波绕过缺陷向下传播,影响损伤识别精度,选取可激发弹性波波长为10 cm的LT‑10激振锤。
3) 根据测点回波信号频谱分析获取的试件试验平均厚度与理论平均厚度相差仅为1 cm,且随着脱空宽度的增加,试件的试验平均厚度与未损伤试件的理论平均厚度的差值越大,表明测试结果较为合理,利用试件测试平均厚度可识别轨枕与道床板界面是否存在损伤及损伤程度。
4) 由于弹性波在界面损伤与未损伤的过渡区内传播复杂、试件材料的非匀质性,因此轨枕与道床板界面的冲击回波成像局部不均匀,但可较为准确地识别界面不同脱空位置和程度的损伤范围,验证了冲击回波法在双块式无砟轨道层间损伤识别中的可行性。
参 考 文 献
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