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双块式无砟轨道轨枕与道床板界面脱空损伤识别  PDF

  • 许雪山 1,2
  • 杜威 1,2
  • 任娟娟 1,2
  • 杜俊宏 1,2
  • 罗磊 1,2
1. 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室 成都,610031; 2. 西南交通大学土木工程学院 成都,610031

中图分类号: U213TH6

最近更新:2024-02-26

DOI:10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2024.01.012

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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。

引 言

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

1。因此,对双块式无砟轨道轨枕与道床板界面损伤进行识别研究,及时掌握层间损伤情况,对制定科学合理的轨道结构养护维修策略具有重要意义。

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

2‑4,但损伤识别精度较难保证。针对冲击回波法,目前基于结构振动响应的传统冲击回波法包含单点式和扫描式,已在无砟轨道轨道板蜂窝伤损和裂缝深5、填充层离缝/脱6等损伤识别中得到广泛应用。扫描式冲击回波仪受滚轮式传感器采集信号精度的限制,其识别准确率低于单点式,主要用于大尺寸结构的损伤普7。部分学者提出了基于声音信号的空气耦合冲击回波法。该方法不受测点表面平整度影响,但易受外界环境噪声的干扰,主要应用于隧道衬砌质量检8和单层混凝土板脱空识9,针对无砟轨道这类多层结构体系的损伤识别应用较少。

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。

1 冲击回波数值模拟

图1所示,利用ABAQUS有限元软件建立了含界面脱空的双块式无砟轨道有限元模型。模型中轨枕与道床板、道床板与支承层均采用绑定接触。为避免在有限元边界处反射波对求解结果的影响,在无砟轨道纵向两端位置的道床板和支承层设置无限元,采用CIN3D8无限单元模拟,其余轨枕、道床板和支承层均采用C3D8R实体单元进行模拟,材料为简化后的各向同性均匀混凝土。由于在实际工程中双块式无砟轨道轨枕与道床板界面损伤形式较为复杂,笔者重点对比界面有无损伤对冲击弹性波在结构内部传播规律的影响,不关注不同脱空尺寸大小的影响。借鉴文献[

10]中有关轨枕脱空尺寸的仿真设计,在轨枕底部设置100 mm×300 mm×10 mm的贯通脱空损伤,冲击荷载采用正弦半波,在中间轨枕顶面中心单元处施加,荷载峰值为1 kN,冲击持续时间为32 μs,数值积分方式为动力显示分析。双块式无砟轨道模型参数如表1所示。

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

表1  双块式无砟轨道模型参数
Tab.1  Model parameters of twin block slab track
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/1010Pa 3.65 3.25 2.25
密度/(kg·m-3) 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为无界面损伤的无砟轨道应力云图,图3为含界面损伤的无砟轨道应力云图。由于冲击荷载仅施加在单块轨枕表面,故只对含激励荷载的半块无砟道床进行分析。

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

图2可知,当轨枕与道床板界面无损伤时,弹性波在80 μs到达界面处,由于轨枕与道床板的密度、弹性模量等材料性质相差较小,因此绝大部分弹性波发生折射,继续向道床板内传播。由图3可知,当轨枕与道床板界面存在脱空损伤时,弹性波在达到界面后,由于轨枕与缺陷处空气的声阻抗相差较大,大部分弹性波发生反射,部分弹性波在脱空边缘位置发生衍射后继续向下传播。对比图23可知,当双块式轨枕与道床板出现损伤后,冲击弹性波在结构内部的传播规律显著不同,可利用信号处理技术对回波数据进行分析,实现界面损伤识别。

2 试件制作及抗压强度测试

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[

11‑12]浇筑混凝土复合试件,道床板和轨枕尺寸均为400 mm×150 mm×100 mm,分别按照C40和C60混凝土浇筑,材料配合12表2所示。

表2  材料配合比
Tab.2  The design of material mix ratio ( kg/m3 )
混凝土等级C40C60
水泥 300 400
粉煤灰 70 30
矿粉 45 -
758 676
碎石 1 026 1 255
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。损伤工况设置如表3所示,每种工况浇筑1个复合试件,共9个试件。在标准养护室养护7 d后,浇筑上层的轨枕部分。为了更真实地考虑轨枕中钢筋对界面损伤检测的影响,在浇筑轨枕之前预埋2根直径为6 mm的带肋钢筋。待满28 d龄期后进行脱模,抽出钢板,形成含界面损伤的轨枕与道床板复合试件。图4为轨枕与道床复合试件示意图。

表3  损伤工况设置
Tab.3  Damage condition setting
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。

3 冲击回波测试

3.1 检测原理

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

Z=ρv (1)

其中:ρ为介质的材料密度;v为弹性波波速。

式(1)代入式(2),得到界面的反射系数为

R=Z2-Z1Z1+Z2 (2)

其中:Z1Z2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9.24×106 kg/m2/s和8.72×106 kg/m2/s。根据式(2)可得轨枕与道床板界面的反射系数仅为-0.03,表明当两者界面无损伤时,绝大部分的弹性波会折射入道床板中。考虑到空气具有更低的声阻抗,其值为0.004×106 kg/m2/s,当轨枕与道床板界面存在离缝或脱空损伤,轨枕与空气界面的弹性波反射系数为0.999,表明绝大部分弹性波会发生反射。

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所示。

图5  冲击回波法检测原理

Fig.5  Detection principle of impact echo method

3.2 激振锤选取及波速标定

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

13

fs=1.25/Tc (3)

其中:Tc为激振锤与混凝土的接触时间;fs为弹性波自振频率。

Tc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,Tc的计算公

14

Tc=4.53(δ1+δ2)m1R1v02/5δ1=1-μ12E1πδ2=1-μ22E2πm1=43πR13ρ (4)

其中:E1为钢球的弹性模量,取2.1×1011 Pa;E2为混凝土轨枕的弹性模量,取3.6×1010 Pa;μ1为钢球的泊松比,取0.3;μ2为混凝土轨枕的泊松比,取0.2;R1为钢球的半径;v0为钢球与混凝土接触时的碰撞速度,由钢球自由下落0.6 m计算;m1为钢球的质量;ρ为钢球密度,取7 800 kg/m3

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为测点响应的频谱分析图。

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Δt=2H/v,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Δt的卓越振动,频率f=1/Δt=v/2H,考虑结构截面系数β的影响,得到振动信号频谱图中的峰值频率为

f=βv2H (5)

其中:v为弹性波波速;H为复合试件厚度,为0.2 m;β为试件横截面形状系数,取0.96。

图6可知,f的均值为8.656 kHz,弹性波波速为3 607 m/s。

结合式(3)~(5)计算得到LT‑10,LT‑17和LT‑30不同激振锤激发的弹性波波长分别为10.46,17.79和31.39 mm。考虑到轨枕与道床板界面脱空损伤距离轨枕上表面10 cm,当弹性波波长超过缺陷深度时,弹性波容易绕过损伤位置向下传播,不利于损伤识别。当弹性波波长大于试件横截面尺寸时,会在试件中产生板波,对测试信号产生干扰。因此,笔者选择激振锤LT‑10进行冲击回波测试。

3.3 冲击回波测点布置

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所示。为降低激振荷载对识别效果的影响,在专业技术人员的指导下进行试验,保证测试表面的清洁平整,将加速度传感器按压在测点位置不晃动,使传感器与测点充分耦合,采用激振锤在测点附近1 cm的位置进行激振,使得每次敲击小锤的力度和高度相差不大,且每个测点取3个有效振动波形的平均值。当测点的加速度信号未显示周期性震荡衰减特征时,判断该信号无效,重新采样。

图7  冲击回波测试

Fig.7  Impact echo test

4 测试结果及分析

4.1 基于试件厚度分析的损伤识别

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所示。

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

依据式(5),弹性波波速标定值为3 607 m/s,计算可得试件底部厚度0.2 m对应的峰值频率为8 657 Hz,脱空位置厚度0.1 m对应的峰值频率为17 314 Hz。由图8可知,对于未损伤区域测点,频谱图中的主要峰值频率为8 725 Hz,对应试件底部的理论厚度频率,由于界面弹性波反射系数为-0.03,不会引起明显反射,次峰的出现可能是表面波造成

11。对于脱空损伤区域测点,频谱图存在2个主要的峰值频率,7 225 Hz对应试件底部的理论厚度频率。由于弹性波在遇到脱空缺陷时,需要绕过缺陷才能继续往试件底面传播,导致传播路程增加,故其峰值频率略小于未损伤区域测点的峰值频率。16 192 Hz对应试件脱空处的理论厚度频率,这主要是因为弹性波在脱空位置会产生反射,传播路径变短,频率较高。因此,基于损伤区域的测点频谱图中试件底部厚度频率会向低频移动,以及损伤处的频率会向高频漂移的原理,判断试件是否存在损伤。

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,结合式(5)计算所有测点分别对应的厚度值,求均值可得到每种工况下复合试件的试验平均厚度。复合试件的理论平均厚度值h的计算式为

h=h1L1L+h2L-L1L (6)

其中:h1为脱空位置的深度,取0.1 m;L1为脱空损伤宽度;h2为层间未损伤区域对应的试件厚度,取0.2 m;L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为试件试验平均厚度与理论平均厚度对比,图中的试件编号1~9与表3对应。

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

图9可知,试件的试验平均厚度与理论平均厚度存在一定误差,这主要是因为混凝土复合试件材料的离散性会对弹性波传播造成影响,在抽出钢板模拟脱空损伤时,会对周边未损伤区域造成扰动,致使脱空损伤宽度与预设宽度存在差别。对不同脱空位置和脱空程度的试件,其试验平均厚度与理论平均厚度的误差均较小,在1.0 cm范围内。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,测试结果与真实情况相符。因此,利用测试获取的试件平均厚度值可准确识别轨枕与道床板界面是否存在损伤,同时根据与无损伤试件理论平均厚度的差值可进一步判断损伤程度的大小,但无法确定损伤的具体位置。

4.2 平面成像分析

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所示。测点布置时,平行试件纵向的测线距离边缘3.5 cm,平行试件横向的测线距离边缘2 cm,故图中平面成像区域在纵向2~38 cm,横向3.5~11.5 cm。

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

图10可知,通过轨枕与道床板界面的冲击回波成像分析可准确识别损伤区域范围,判断脱空损伤程度,且对不同损伤位置和损伤程度的识别效果较好。由于在界面损伤与未损伤的过渡区域,弹性波的反射和折射加剧了传播的复杂程度,相应地在厚度云图中出现了色调过渡区。对于无损伤试件,其界面回波成像图中绝大部分显示为红色,对应厚度值约为0.2 m,表明轨枕与道床板接触面无损伤。对于端部脱空15 cm和中部脱空15 cm的试件,未损伤和损伤区域对应的厚度值云图显示略有不均匀,未损伤区域大多为红色、橙色和黄色,其厚度值均在0.2 m附近;损伤区域基本为蓝色,厚度值在0.1 m左右。此外,测试结果还表明双块式轨枕中嵌入的钢筋对界面损伤识别几乎无影响。

5 结 论

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。

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