基于光纤光栅的钢轨应变测量关键技术研究

钢轨应变的监测在铁路线路的运营维护中具有重要意义。光纤光栅传感器相比传统传感器在稳定性、抗电磁干扰与准分布式测量等方面能够更好满足钢轨应变测量的需要。本文指出了光纤光栅传感器对载荷和温度应力的测量原理,建立光纤光栅中心反射波长漂移量与载荷和温度应力产生的钢轨应变的数学模型。使用光纤光栅传感器进行温度应力和动态载荷下的钢轨应变监测实验,并通过匹配光栅方法消除温度变化的干扰。实验结果表明光纤光栅应变传感器适用于钢轨应变的监测需要,具有良好的工作性能。     

基于光纤光栅传感器的大应变碳纤维板应力监测研究

提出了一种平面倾斜复合技术,可利用该技术将光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器倾斜粘贴于碳纤维板表面,以解决FBG传感器量程小无法跟踪监测大应变碳纤维板受力状态的问题。建立了FBG传感器监测应变与碳纤维板应变之间的理论关系,并以FBG传感器倾斜角度为变化参数,对碳纤维板进行张拉试验,测定FBG传感器灵敏度的变化状况。试验结果表明:该方法能有效降低FBG传感器的应变灵敏度,从而提高FBG传感器的监测量程,使其能跟踪监测碳纤维板临近破坏时所产生的应变。     

光纤光栅应变传感器的温度补偿及其工程应用

在使用光纤光栅应变传感器对结构应变进行监测的过程中,为了解决光纤光栅的中心波长对温度与应变交叉敏感的问题,从光纤光栅传感器的微观结构及其工作时与混凝土的相互作用机理出发,给出了利用光栅温度传感器对光栅应变传感器进行点对点温度补偿的方法,通过对应变传感器测得的数据进行修正,来获得由荷载引起的结构真实应变值。利用实际工程中的测量数据对该方法进行了验证,得到了较为理想的效果。     

螺旋倾斜式光纤光栅传感器监测钢绞线应变方法研究

设计了一种在钢绞线中心丝上设置螺旋倾斜凹槽,将光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Grating)传感器封装于凹槽中的自感知钢绞线,以解决FBG传感器寿命低、量程小而无法监测大应变的问题。建立了FBG传感器监测应变与钢绞线应变之间的理论关系,以凹槽螺旋倾斜角度为变化参数,对FBG自感知钢绞线进行张拉试验,测定FBG传感器灵敏度的变化情况。试验结果表明:通过螺旋倾斜放置光纤光栅能有效降低FBG传感器的应变灵敏度,使其监测量程接近钢绞线的极限破断力,从而实现应用FBG传感器监测大应变的目的。     

基于光纤传感技术的隧道结构安全监测系统研究

为了动态获取、处理和反馈隧道安全运营情况,基于光纤传感技术和图像匹配技术原理,设计了一种隧道结构安全监测系统。该系统由FBG应变传感器和视频位移计组成,可实现隧道衬砌结构应变、位移的实时远程采集和在线监测,目前该系统已在甘肃陇南两水隧道中应用。研究表明,该系统应变监测精度可达到με级;位移精度可达亚mm级;应变和位移变化在过车后具有较好的归零特性。最后,结合视频位移计和FBG应变传感器在同一点位的数据进行监测,结果表明,该视频位移计与FBG应变传感器波动基本一致,可满足隧道运行期的安全监测要求。     

凹槽内嵌式封装光纤光栅应变传感器的温度特性

内嵌预压式封装解决了光纤光栅传感器存活率低、监测量程不足等问题,实现了光纤光栅传感器对钢绞线应变的实时健康监测。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器主要受轴向应变和温度特性影响,为保证其内嵌封装后对钢绞线应变监测的可靠性,以温度为变化参数对其进行水浴恒温试验,对比分析在5～100℃过程中FBG传感器内嵌式封装前后中心波长变化。试验结果表明:FBG的中心波长随温度升高呈线性增长,与初始波长无关;在钢绞线中心丝凹槽封装裸FBG后,温度灵敏度增大了1倍;当钢绞线使用环境温差达到30℃,温度的交叉影响可使FBG传感器的应变测量误差达到7.6%以上,且钢绞线应变越小误差越大;应在钢绞线中心丝不受力部位串联封装1个FBG传感器,以实现温度补偿减少误差。试验结束后,FBG传感器封装完好,所测试验数据仍具有良好的线性度和重复率,对温度有较好的适应性,为自感知钢绞线的工程应用提供了可靠依据。     

光纤Bragg光栅粘贴式应变传感器的研究

在分析光纤Bragg光栅的温度应变交叉敏感机理的基础上，设计并制作了一种新型的具有温度补偿和应变增敏效果的光纤Bragg光栅表面粘贴式应变传感器。实验结果表明：传感器的应变敏感性增至原来的1．6倍，温度敏感性降低至封装前的17％，具有良好的温度补偿和应变增敏效果；该传感器可用于对铁路铁轨、桥梁、隧道等的健康监测。     

基于分布式应变传感的混凝土梁监测方法研究

裂缝、挠度和弯矩是评价混凝土梁使用性能和安全性能的关键指标,实施全面监测一般需要多种传感方法,成本高,系统不易维护.为此,本文提出一种基于分布式应变传感的混凝土梁关键指标全面监测方法.首先,基于电阻应变传感技术,提出了分布式长标距应变传感器,并通过试验验证其优良的应变传感性能.然后,将应变输入纤维模型,建立了裂缝、挠度和弯矩的理论解析方法.最后,通过室内模型静载试验对提出的方法进行了验证.研究结果表明:文中提出的方法可准确评估裂缝、挠度和弯矩,误差可控制在10％左右.     

循环荷载作用下饱和软黏土海床的刚度衰减模型研究

在地震和波浪等循环荷载作用下,海床内部产生循环应力、循环应变以及超孔隙水压力累积,可能造成饱和软黏土地基强度和刚度的降低,对桩基础的承载性能产生较大的影响。将反映土体软化特性的参数引入等效黏弹性模型中,建立考虑循环荷载作用下饱和软黏土刚度衰减以及动应力-应变非线性和滞回性的修正模型,基于动三轴试验结果反演获得饱和Kaolin软黏土的动力特性参数和软化特性参数。对有限差分程序FLAC^3D进行二次开发数值实现了该修正模型,并与动三轴试验结果进行对比验证;进一步采用修正模型研究了不同强度地震激励作用下的自由场海床响应,与离心机试验结果进行对比,验证了采用修正模型描述饱和软黏土海床地震响应的可行性。     

敖包梁隧道围岩与支护结构稳定性研究

隧道围岩与支护结构稳定性问题一直倍受岩土工程界关注。采用室内试验方法研究煤系岩层高岭石峰值及峰后力学特性,基于Mohr-Coulomb强度准则的岩石峰后应变软化理论,构建敖包梁隧道三维有限差分数值模型,计算隧道围岩变形特征曲线及纵剖面变形曲线,结合收敛-约束法分析隧道围岩与支护结构安全稳定性,通过现场监测,验证数值模型及计算方法的合理性。研究表明:采用理想弹塑性模型计算的隧道围岩安全系数小于应变软化模型的计算结果;分析现场监测数据可知,考虑应变软化的围岩与支护结构相互作用关系更符合工程实际情况,采用收敛-约束法计算隧道安全稳定性更加直观。     

小号码道岔扳动力随密贴段刚度变化规律研究

为研究小号码道岔扳动力随密贴刚度的变化规律,解决小号码道岔扳动力偏大的问题,基于变分形式的最小势能原理,建立尖轨和心轨的转换有限元模型,研究了随钢轨密贴段刚度变化,尖轨和心轨扳动力的变化规律。结论:钢轨的密贴段刚度较小时,钢轨密贴段刚度对牵引扳动力的影响可以忽略不计,密贴段刚度达到104N/m后,牵引点的扳动力随钢轨密贴段刚度的增大有一个较大幅度的增长,降低扳动力能够为小号码道岔使用小功率的转辙机提供基础条件。     

遇水条件下无砟轨道扣件胶垫刚度的时变特性及其影响研究

连续强降雨条件下,轨下胶垫会出现长期泡在水中的情况。为研究该条件下无砟轨道轨下胶垫刚度的时变特性及其对轮轨系统的影响,以WJ-7A,WJ-7B型橡胶垫板为对象,通过设计室内原型试验,跟踪测试分析胶垫泡水后其刚度随服役时间的变化情况,并基于试验结果和轮轨动力学理论,分析胶垫刚度变化对轮轨动力响应的影响。研究结论:(1)WJ-7A型胶垫的遇水稳定性较差,泡水25 d后胶垫静刚度降低了22.21%,其中前5 d静刚度降低了18.83%;WJ-7B型胶垫的遇水稳定性较好,泡水25 d前后刚度变化率不超过3.91%;(2)泡水结束后,WJ-7A型胶垫的刚度恢复了88.9%,而WJ-7B型则继续表现出很好的稳定性,刚度值变化不大;(3)试验前后扣件刚度的变化引起的车体加速度、钢轨加速度、轮轨力及扣件力等响应的变化不大,但对钢轨位移影响较大,泡水后钢轨位移增幅达到13.71%。     

基于边界约束刚度参数优化的轨道扣件弹条防断裂设计方法

为了研究弹条服役状态下模态频率与波磨激励频率一致引发的共振断裂问题,建立潘得路FC快速弹条有限元简化模型,通过以弹簧为边界条件模拟弹条不同部位的约束,分析其模态频率随约束刚度的变化规律,提出基于弹条约束刚度参数优化的防断裂设计方法。结果表明:弹条扣压端垂向约束刚度(150～450 N/mm)对弹条第一、三阶模态频率(400、900 Hz)有显著的正相关作用,并对第三阶共振峰幅值有明显影响;弹条后跟下部径向约束刚度(400～1 600 N/mm)的变化,引起弹条第二阶模态频率(660 Hz)的变化,两者呈现正相关关系,同时对弹条第二阶共振峰幅值也有显著影响。弹条第二、第三阶模态频率为危险频率,防断裂设计时应重点考虑。     

砾类土在循环荷载作用下的变形影响因素试验研究

砾类土是新疆铁路和公路常用的路基填料,为了控制和减小砾类土路基的沉降,首先需要明确各因素对该类路基在循环荷载作用下的变形影响规律。通过动三轴试验研究围压、初始静偏应力、循环荷载作用频率、循环荷载大小和固结比对砾类土累计塑性变形的影响规律,得出其累计塑性应变随着初始静偏应力、循环荷载大小的增加而增大,随着围压、荷载作用频率和固结比增加而减小。同时计算各影响因素对累计塑形应变的极差,得出影响因素对累计塑形应变影响的大小。在路基施工时,可以通过提高路基的围压,同时使路基充分固结来减小路基的营运沉降。提出一种针对砾类土应变较小时的塑性累计变形模型,并验证模型的正确性,可为新疆砾类土路基的设计和施工提供参考。     

浮置板板下胶垫的温变特性及其对轮轨系统的影响

以我国地铁常用浮置板板下胶垫为研究对象,测取-40~30℃的温度环境中板下胶垫的静刚度。建立车辆-浮置板轨道垂向耦合动力学模型,分析板下胶垫的温度敏感性以及不同温度环境下板下胶垫温变刚度对轮轨系统动力响应特征。研究结果表明:板下胶垫静刚度在工作荷载范围内为常量,不具有幅变非线性特征。板下胶垫的线性静刚度随着温度的降低而急剧升高,增幅高达224%以上。板下胶垫的温变刚度主要影响橡胶隔振垫浮置板轨道的浮置板位移,浮置板垂向最大位移变化率可达到204%。其次,板下胶垫的温变刚度对钢轨的垂向位移也会产生一定的影响,钢轨垂向最大位移变化率为31%。板下胶垫的温变刚度对轮轨之间作用力产生的影响较小。     

极寒状态下扣件胶垫刚度温变特性及影响研究

以莫喀高铁为工程背景,以WJ-8型扣件胶垫为对象,测试胶垫静刚度随温度降低的变化,分析胶垫刚度的温变特性;建立车辆-轨道垂向耦合系统动力学模型,分析在-48℃和20℃两种温度下胶垫静刚度对高铁列车以400 km/h的速度运行所产生的动力响应的影响规律。结果表明:轨下胶垫的刚度随温度降低而增大,-48℃时的静刚度相比20℃时增幅51.1%;不同环境温度下,车辆运行平稳性受到影响较小而轮对垂向振动加速度受到影响较大;低温条件下垂向轮轨力和轮重减载率较常温时前者增幅8.19%而后者增幅达14.13%;因在-48℃低温条件下轮重减载率已接近于限值,为保证车辆运行安全性,建议采用耐低温类型的扣件胶垫。     

水害条件下弹性道床垫减振轨道的性能研究

为研究弹性道床垫减振轨道在隧道遇水不利情况下的耐久性及稳定性,通过设计室内原型试验,测试分析泡水疲劳前后轨道结构部件的性能变化,并基于试验结果和轮轨系统动力学理论,分析泡水疲劳前后弹性道床垫减振轨道的减振性能变化规律。研究结果表明:(1)疲劳后轨道结构各部件功能保持稳定,该减振轨道具有良好的耐久性;(2)泡水疲劳试验前后,扣件系统的刚度变化率为1.40%,道床垫刚度变化率为5.95%;(3)弹性道床垫减振轨道具有稳定良好的减振性能,相比普通整体道床轨道结构,能够有效降低车体、轮对及钢轨在中心频率为40~60 Hz区间内的振动加速度级。     

浸水作用下重载铁路基床动回弹模量衰减规律

以包神铁路某病害段土体为研究对象,制备不同压实系数、不同含水率的试样,利用GDS动三轴系统进行模拟浸水状态下的动力特性试验;使用自行研制的常水头马氏瓶模拟雨水自然浸入基床,构建动力湿化环境,研究浸水作用下重载铁路基床动回弹模量衰减规律及敏感影响因素。结果表明:浸水过程会打破土体的动力稳定状态,引发塑性应变的持续累积以及动回弹模量的持续衰减,累积程度和衰减规律受到压实系数的显著影响;压实系数为0.96的土体在浸水作用下循环加载至50000次时其累积塑性应变小于3%,而压实系数分别为0.9和0.93土体的累积塑性应变皆大于10%;压实系数越大的土体在浸水作用下动回弹模量衰减程度越大,压实系数分别为0.9,0.93和0.96的土体在浸水作用下其动回弹模量分别衰减22%,32%和42%;不同初始含水率土体的累积塑性应变和动回弹模量衰减规律相近。在试验数据基础上,提出了用动回弹模量构建的动力湿化作用下的土体软化模型,该模型体现了土体刚度受压实系数显著影响的特性,且具有较好的适用性。     

长期交通荷载下压实黄土的稳定性状态

研究目的:长期交通荷载下路基土体稳定性状态的判定是对土体动力承载能力的宏观把控,是工程中评估路基长期服役能力时的重要参考。本文基于大量动三轴试验结果,综合压实黄土的弹、塑性应变发展规律界定长期交通荷载下压实黄土的稳定性状态(稳定、亚稳定和不稳定),讨论阻尼比、累积应变、累积应变发展速率随动应力的发展规律。研究结论:(1)累积塑性应变、累积塑性应变发展速率和阻尼比呈现出明显的分阶段特征,当试样进入亚稳定状态时阻尼比进入平台段;(2)阻尼比随累积应变发展速率的变化规律呈现明显的阶段特征,采用双参数变化规律作为试样稳定状态的判据更加客观和显著;(3)稳定性状态判别标准的混乱是造成测试结论通用性较差的主要原因;(4)本文工作有助于建立更加完善、统一的稳定性状态判别标准。     

大体积混凝土芯部温度监测

研究目的:大体积混凝土是土建工程中经常采用的结构,其质量控制的一个重要方面是防止出现温度裂缝。本文采用小比尺模型模拟大体积混凝土的芯部状态监测温度变化、实测拱座芯部混凝土温度变化及数值模拟三种方法研究大体积混凝土的温度变化规律,欲通过小比尺模型试验来得到大体积混凝土芯部温度的变化规律,降低试验的难度和经济成本,对同类研究提供借鉴与参考。研究结论:小比尺模型模拟大体积混凝土芯部试件的温度变化与实测拱座中心混凝土的温度变化及数值模拟的温度变化规律相类似;在原型试验实现困难的情况下,本文开辟了一条新的途径,即先通过小比尺模型来模拟大体积混凝土芯部试验检测的温升变化规律;该方法方便经济,能够在实验室开展大体积混凝土的力学性能和耐久性能的研究,对了解、掌握大体积混凝土芯部温度变化的规律,指导类似工程设计和施工有一定的借鉴、参考价值。