CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道軌枕連接面損傷行為分析及識別研究

任娟娟，韋臻，曾學勤，杜威，田晉成，劉偉

（1. 西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031）

1 概述

雙塊式無砟軌道是我國高速鐵路無砟軌道結構的主要類型之一，具有結構形式統(tǒng)一、建造成本較低等優(yōu)點。截至2018 年底，已建成的高速鐵路無砟軌道線路共44 條，其中,西成高鐵、武廣高鐵及貴廣高鐵等27 條線路都采用了CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道。CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道作為行車基礎，長期暴露在復雜的自然環(huán)境中，受列車荷載、溫度、雨水等因素的長期作用，軌道結構易出現(xiàn)損傷，影響軌道的整體強度。現(xiàn)場調研中發(fā)現(xiàn)，雙塊式無砟軌道容易出現(xiàn)軌枕松動、新舊混凝土接觸面的裂縫、軌枕滲漿等問題（見圖1）。經(jīng)現(xiàn)場調查和資料分析，軌枕松動主要是由施工不當、列車荷載及環(huán)境等作用造成的。在施工過程中，養(yǎng)護不當將會減小道床板與軌枕塊層間咬合力，從而降低層間界面強度，產(chǎn)生層間損傷[1]；在列車荷載的長期作用下，軌枕與道床板接觸部分產(chǎn)生微小裂紋，加之雨水的滲入，裂紋不斷擴展導致軌枕松動和離縫冒漿等現(xiàn)象的出現(xiàn)，當損傷情況較為嚴重時，會造成行車軌枕空吊，最終影響行車平穩(wěn)性和安全性。

圖1 雙塊式無砟軌道軌枕連接面問題

針對雙塊式無砟軌道損傷，胡佳等[2]研究了整體升溫、整體降溫對道床板受力、受損區(qū)域和損傷擴展規(guī)律的影響。在軌枕松動病害對車輛、軌道系統(tǒng)的動力性能影響方面，楊榮山等[3]通過建立含軌枕松動病害的車輛-雙塊式無砟軌道-下部基礎垂向耦合振動模型，研究列車速度、軌枕空吊高度及軌枕松動數(shù)量對軌道結構動力響應；和振興等[4]建立考慮單側軌枕空吊的車輛-軌道空間耦合振動模型，分析城市軌道交通彈性短軌枕軌道中軌枕空吊對車輛、軌道系統(tǒng)的振動響應影響。針對無砟軌道層間界面位置損傷識別，趙佳[5]通過設置不同程度的無砟軌道層間損傷，利用模態(tài)分析方法得到不同工況下的振型模態(tài)、模態(tài)曲率以及應變模態(tài)數(shù)據(jù)，對比分析獲取模態(tài)參數(shù)對層間損傷的敏感性規(guī)律，確定損傷位置及范圍；武思思[6]通過對沖擊荷載下軌道板的振動響應變化規(guī)律分析，從奇異值、信息熵等多角度提取了損傷特征指標進行脫空識別，有效地進行了層間脫空檢測；胡琴等[7]提出的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡對板式無砟軌道層間損傷位置進行識別，以參數(shù)化處理的振型作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入對各損傷工況下板式軌道CA 充填層損傷位置進行識別發(fā)現(xiàn)。

上述文獻在對損傷行為進行分析時，鮮有考慮雙塊式無砟軌道軌枕塊和道床板連接面（簡稱軌枕連接面）位置脫粘損傷識別，且層間損傷檢測方法較為繁瑣，不能快速有效地檢測出實際的損傷程度?；谝陨喜蛔悖捎脙染哿δＰ?，建立基于軌枕連接面損傷的有限元計算模型，提取道床板和軌枕塊在列車荷載下的振動響應，基于小波包分解理論分析振動信號在各頻帶的能量變化規(guī)律提取損傷特征指標，獲取軌道結構的損傷狀態(tài)[8-9]。

2 雙塊式無砟軌道損傷動力學模型

因施工缺陷和溫度荷載等原因，無砟軌道軌枕連接面易發(fā)生脫粘損傷，相關聯(lián)的結構部件也會出現(xiàn)異常的振動響應。因此通過研究振動響應對軌枕連接面損傷行為進行分析。

2.1 層間內聚力模型

在處理新老混凝土界面時，將其考慮為一個單獨部分，使用內聚力模型，采用雙線性張力-位移曲線來描述層間本構關系[10]。新舊混凝土的三區(qū)粘結模型見圖2。在定義內聚力模型的力學性能時，需確定內聚力模型的相關參數(shù)：剛度、極限強度以及臨界斷裂能。對于內聚力單元的厚度，在建模時考慮其為單位厚度，由K=E/L可知（K為剛度；E為彈性模量；L為單元厚度），此時界面剛度與彈性模量數(shù)值相同，因此界面的張力-位移曲線可考慮為應力-應變關系曲線（見圖3）。

在對軌枕連接面損傷行為分析時，內聚力單元參數(shù)見表1。

圖2 新舊混凝土的三區(qū)粘結模型

圖3 層間界面應力-應變關系曲線

表1 內聚力單元參數(shù)

2.2 計算模型

模型采用動力隱式算法分析軌枕連接面損傷狀態(tài)對軌道結構動力響應的影響。為能準確分析軌枕連接面位置處的損傷行為，同時保證較高的計算效率，以下只對3 跨扣件的軌枕連接面進行損傷考慮，其余部分均采用線彈性模型。內聚力單元失效后，連接內聚力單元的兩邊面通過接觸相互作用來模擬抗壓和抗剪等行為[10]。CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道結構尺寸及參數(shù)分別見表2。建立的CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道空間損傷有限元分析模型見圖4。

表2 CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道結構主要參數(shù)

圖4 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道空間損傷有限元分析模型

2.3 列車動荷載激勵

對于列車動荷載，基于Ansys/Simpack 聯(lián)合仿真建立的車輛-軌道耦合動力學模型，獲取扣件位置鋼軌支點壓力時程曲線作為激勵。根據(jù)遂渝線現(xiàn)場調研情況，選用CRH2 動車組（見圖5）[11]，為模擬現(xiàn)場線路狀況，在動力學模型中采用中國高速鐵路無砟軌道高低不平順譜。

圖5 CRH2 動車組車廂構造圖

利用車輛-軌道耦合動力學模型，可計算得到車速為200 km/h 運行狀態(tài)下某個車輪與鋼軌間相互作用力時程曲線（見圖6），再根據(jù)高斯型鋼軌支點壓力時程表達式[12]，即可得到某一扣件位置處鋼軌支點壓力時程曲線[13]：

圖6 車輪與鋼軌間相互作用力時程曲線

式中：Qi為車輪與鋼軌間相互作用力；ψi為扣件荷載分擔比；v為列車運行速度；ΔIi為列車第i個車輪與第1 個車輪的間距；n為列車車輪數(shù)量；yo、A、ω均為擬合參數(shù)。

將4 個車輪（圖5）的作用效應疊加[14]，最終獲得1 節(jié)CRH2 客車車廂通過某扣件時，該扣件位置的鋼軌支點壓力時程曲線（見圖7）。

模擬數(shù)據(jù)與遂渝線Tekscan 實測鋼軌支點壓力時程曲線數(shù)據(jù)相近[15]，驗證了模擬數(shù)據(jù)可靠性。

圖7 扣件位置鋼軌支點壓力時程曲線

2.4 工況設置及測點布置

通過現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)雙塊式無砟軌道軌枕連接面普遍存在脫粘現(xiàn)象。文獻[16]分析認為在整體降溫作用下，道床板與軌枕連接面長邊易產(chǎn)生脫粘，并沿道床板深度方向延伸；在整體升溫作用下，道床板與軌枕連接面底邊首先產(chǎn)生脫粘，隨升溫幅度的增加，損傷范圍逐漸增加。為實現(xiàn)軌枕連接面脫粘損傷程度識別，分別在軌枕連接面長邊和底面設置不同程度的脫粘損傷，通過采集軌枕塊和道床板在外荷載激勵下的振動響應，提取損傷信息，確定損傷特征指標。

（1）損傷工況設置。設置脫粘程度為無脫粘、25%脫粘、50%脫粘、75%脫粘、100%脫粘5 種，不同脫粘工況見圖8（陰影區(qū)域為脫粘區(qū)）。

圖8 脫粘工況示意圖

（2）測點布置。取軌枕塊中心及其道床板對應位置為檢測位置（見圖9）。

軌道動力學模型對0.020～0.131 s 區(qū)段內的采樣數(shù)據(jù)進行分析，采樣頻率取1 000 Hz。傳感器采集的信號數(shù)據(jù)分為應變類和位移類，但在實際工程應用中，加速度信號是位移類測試數(shù)據(jù)中比較容易獲取且對損傷最為敏感的檢測指標，因此提取列車荷載作用下檢測點的加速度時程數(shù)據(jù)進行分析與研究。

圖9 檢測點示意圖

3 軌枕連接面損傷行為分析

3.1 側面長邊脫粘損傷工況

提取長邊不同損傷程度工況下，各檢測點的加速度時程數(shù)據(jù)。通過對比各檢測點在不同損傷程度下的加速度時域曲線，圖像之間的差別不大，不能直觀反映損傷的特征。因此，引入小波包分解理論，基于信號處理和數(shù)據(jù)分析的手段發(fā)掘振動信號內部隱含的規(guī)律性損傷信息，即特征指標的提取。當結構出現(xiàn)損傷時，結構自身振動響應特性將會出現(xiàn)變化，損傷對于各頻帶的影響是不同的，有些頻帶加強，有些頻帶減弱，最終導致各頻帶的頻率或能量與正常狀態(tài)相比出現(xiàn)差異。不同損傷狀態(tài)下各頻帶包含的能量信息不同，因此，可以通過對比不同損傷情況下各頻帶能量信息的差異達到識別損傷程度的目的。小波包分解能自適應地依據(jù)分析要求和信號本身的特性選取相應的頻帶信息與信號的幅值譜進行匹配，準確地提取出振動信號各頻帶的信息[17-19]。

3.1.1 軌枕塊

利用小波包分解理論分別對3 個檢測點的加速度時域數(shù)據(jù)進行“db4”三層小波包分解，并分別提取檢測點各頻率分段的能量以及各檢測點信號的總能量。軌枕塊檢測點不同脫粘程度下各頻帶所對應的能量見表3。

由不同脫粘程度下檢測點各頻帶的能量可得，各頻率分段的能量均隨損傷程度的增加出現(xiàn)一定變化，但呈明顯變化規(guī)律的是438～500 Hz 頻帶，軌枕塊上檢測點時頻域范圍內在此頻帶的能量隨脫空損傷程度的增加而嚴格增大，其能量隨損傷程度的變化曲線見圖10。因此，可將軌道板上檢測點時頻域范圍內438～500 Hz 頻帶的能量作為損傷特征指標。

表3 軌枕塊側面不同脫粘損傷程度下各頻帶對應能量 J

圖10 軌枕塊438 ～500 Hz 頻帶側面損傷對應能量

3.1.2 道床板

道床板檢測點不同脫粘損傷程度下各頻帶所對應的能量見表4。由不同脫粘損傷程度下道床板檢測點各頻率分段的能量可得，各頻率分段的能量均隨損傷程度的增加出現(xiàn)一定的變化，但呈明顯變化規(guī)律的是0～63 Hz、188～250 Hz、250～313 Hz 這3 個 頻 帶， 這3 個頻帶的能量隨脫空損傷程度的增加而嚴格增大，其能量隨損傷程度的變化曲線見圖11。因此，可將軌道板上檢測點時頻域范圍內0～63 Hz、188～250 Hz、250～313 Hz 這3 個頻帶的能量作為損傷特征指標。

表4 道床板側面不同脫粘損傷程度下各頻帶對應能量 J

圖11 道床板各頻帶側面損傷對應能量

3.1.3 總能量

軌枕塊和道床板檢測點各頻率分段的能量已經(jīng)獲得，對其數(shù)值進行求和即可獲得各檢測點振動響應信號的總能量，其隨脫粘損傷程度的變化見表5。

不同脫粘損傷工況下各檢測點的小波包分解總能量變化趨勢見圖12。

由圖12 可得，總能量隨脫粘程度的增加也呈現(xiàn)出增大的趨勢，說明隨側面脫粘損傷程度的增加，在列車荷載的沖擊作用下，軌枕塊和道床板的振動響應強度和幅度逐漸變大。

表5 各檢測點長邊脫粘下?lián)p傷程度對應總能量 kJ

圖12 側面損傷程度對應總能量

3.2 底面脫粘損傷工況

3.2.1 軌枕塊

軌枕塊檢測點在軌枕連接面底面不同脫粘損傷程度下各頻帶所對應的能量見表6。

表6 軌枕塊底面不同脫粘損傷程度下各頻帶對應能量 J

由不同脫粘損傷程度下軌枕塊檢測點各頻率分段的能量可得，各頻率分段的能量均隨損傷程度的增加出現(xiàn)一定變化，但呈明顯變化規(guī)律的是63 ～125 Hz、250 ～313 Hz、313 ～375 Hz 這3 個頻帶，這3 個頻帶的能量隨脫空損傷程度的增加而嚴格增大，其能量隨損傷程度的變化曲線見圖13。因此，可將軌道板上檢測點時頻域范圍內63 ～125 Hz、250 ～313 Hz、313 ～375 Hz 這3 個頻帶的能量作為損傷特征指標。

圖13 軌枕塊各頻帶底面損傷程度對應能量

3.2.2 道床板

道床板檢測點在軌枕連接面底面不同脫粘損傷程度下各頻帶所對應的能量見表7。

表7 道床板底面不同脫粘損傷程度下各頻帶對應能量 J

由不同脫粘損傷程度下道床板檢測點各頻率分段的能量可得，各頻率分段能量均隨損傷程度的增加發(fā)生變化，但呈明顯變化規(guī)律的是63 ～125 Hz、188 ～250 Hz、250 ～313 Hz 這3 個頻帶，其能量隨損傷程度的變化曲線見圖14。

圖14 道床板各頻帶底面損傷程度對應能量

3.2.3 總能量

道床板上檢測點時頻域范圍內63～125 Hz、188～250 Hz、250～313 Hz 這3 個頻帶的能量隨脫空損傷程度的增加而嚴格增大，因此，可將道床板上檢測點時頻域范圍內這3 個頻帶的能量作為損傷特征指標。軌枕塊和道床板檢測點各頻率分段的能量已經(jīng)獲得，對其數(shù)值進行求和即可獲得各檢測點振動響應信號的總能量，其隨脫粘損傷程度的變化見表8。

表8 各檢測點底面脫粘損傷程度對應總能量 kJ

不同脫粘損傷程度下各檢測點的小波包分解總能量變化趨勢見圖15?？偰芰侩S脫空程度的增加也呈現(xiàn)出增大的趨勢，說明隨底部脫粘損傷程度的增加，在列車荷載的沖擊作用下，軌枕塊和道床板的振動響應強度和幅度逐漸變大。

圖15 底面脫粘損傷程度對應總能量

4 結論

基于小波包分解對軌枕面脫粘損傷下CRTS I 型雙塊式無砟軌道振動響應進行分析，得出如下主要結論：

（1）雙塊式無砟軌道軌枕連接面脫粘將顯著提升軌枕塊和道床板的振動響應，軌枕連接面底部脫粘對振動響應的提升更為劇烈。

（2）在外部荷載作用下，雙塊式無砟軌道軌枕連接面脫粘時的自身振動響應發(fā)生較大變化，通過小波包分解提取頻帶能量作為損傷特征指標，其頻帶能量增幅達到6%以上，可以識別損傷的程度。

（3）計算結果顯示軌枕塊頻帶總能量大致為道床板的2 倍，表明隨著軌枕連接面脫粘損壞程度的加深，軌枕塊振動響應顯著提升，向下傳遞致使道床板振動響應提升。因此，在CRTS I 雙塊式無砟軌道運營過程中應嚴格控制軌枕連接面脫粘程度。