高铁站台钢结构雨棚健康监测技术的研究与应用

研究高铁站台钢结构雨棚健康监测技术,设计雨棚变形在线监测系统,解决雨棚变形在线监测问题。采用安装平行于梁轴的振弦式应变传感器收集包括列车通过荷载、环境荷载等特征信息,确定应力计算方法,通过ANSYS分析软件,将力学简化后的雨棚顶面传递的风荷载、雨荷载和雪荷载作用到有限元模型的节点上,建立空间三维模型分析受力并进行预测,及时发现结构响应的异常、损伤或退化。研究表明,该监测系统有助于及时发现钢结构雨棚的变形、损伤等问题。     

铁路桥式中间车站无站台柱雨棚托架结构分析

研究目的:铁路中间站桥式车站无站台柱雨棚,主体结构形式通常采用拱形。采用Midas Gen软件对无站台柱雨棚托架在各项荷载工况作用下(恒载含自重、屋面活载、风荷载、温度作用以及水平地震作用)进行结构静力分析,提出无站台柱雨棚托架在各荷载工况下的受力和变形控制因素,以及工程设计时应注重的问题。研究结论:(1)铁路桥式中间站无站台柱雨棚,主体结构一般呈拱形,使托架结构承受两个方向的弯矩和剪力,由于剪力相对于杆轴偏心,因此也承受着扭矩,是典型的弯剪扭构件;(2)温度变化将引起托架结构一定程度的应力和应变,尤其是钢管桁架托架在温度作用下,托架结构的应力和轴向变形比较大;(3)预应力钢筋混凝土梁托架结构,在温度应力作用下易引起出现混凝土开裂现象,设计时应考虑托架结构合理分缝,以避免应力和变形累积;(4)本文对钢管桁架托架结构的分析方法与研究成果,对铁路中间站桥式车站的结构设计具有一定的参考价值。     

高速列车轮轨检测和监测方法综述

随着高铁技术的快速发展,无损检测(NDT)技术已被广泛研究并应用于铁路系统,以保证列车安全运行和乘坐舒适度.结构健康监测(SHM)作为NDT技术的发展,可实现列车运行过程中铁路系统状态的实时评估,对高速铁路的运营和发展具有重要作用.文章首先综述NDT技术在列车车轮及轨道上的应用,然后介绍基于光纤传感器、压电传感器等新型...     

石济客专济南黄河桥健康监测系统总体设计

研究目的:随着高速铁路大型桥梁的快速建设,铁路大型桥梁的健康监测愈来愈成为高速铁路运营安全及检修维护的重要保障。石济黄河公铁两用桥为(128+3×180+128) m刚性悬索加劲钢桁梁结构体系,本文结合该桥的结构特点及运营养护维修需求,研究该桥健康监测系统的设计方法。在结构静动力分析的基础上,提出监测内容及设计原则,全桥布置157个测点,桥上及监控中心设备总数397台。对传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与控制子系统、中心数据库子系统、结构安全预警与分析子系统及用户界面子系统六大子系统进行详细设计,探索健康监测系统在铁路大跨桥梁上应用的可行性,从而为铁路桥梁开展长期健康监测奠定基础。研究结论:(1)铁路桥梁健康监测系统布点设计需同时考虑静态及动态监测指标,并与成桥静载、动载试验相结合;(2)传感器选型要遵循耐久可靠、技术先进、方便更换维护及经济合理的原则;(3)数据采集及传输宜采用光纤环网进行组网设计,监控中心宜设置在铁路局工务段调度中心,便于养护维修与设备管理;(4)预警指标的确定应结合铁路设计、检定规范以及运营阶段计算承载力共同确定;(5)本研究成果可在铁路大跨桥梁健康监测项目中推广应用。     

铁路站房结构损伤与传感器故障识别研究

研究目的:传统站房结构健康监测系统的设计假设传感器都能够正常工作,然而传感器故障却经常发生,监测系统会将由传感器故障导致的监测数据变化认为是结构损伤,因此需要在监测系统的设计中考虑传感器故障,以便降低监测系统的误报率。研究结论:(1)传感器失效使采样数据的维度或者数据规模降低,传感器故障导致采样的均值发生偏移,依据已生成的控制界限进行监测将使系统失控运行长度增加;(2)在训练数据处理中,通过协整关系构建传感器输出数据的正常范围,不需要大量测试数据,还可以消除温度、环境和载荷等对结构损伤识别的影响;(3)提出两层数据处理模式,将非基于模型的传感器故障诊断放在数据预处理模块,将结构损伤识别放在故障诊断模块,在系统实现上比较方便;(4)该研究结果可为降低铁路站房结构健康监测的误报率提供参考。     

铁路路基沉降病害监测技术研究

研究目的:随着高速及重载铁路的发展,路基沉降已成为列车运营安全控制要素,大量路基病害均与此有关。本文通过铁路路基沉降病害特征、作用机理及沉降预测方法的研究,并对传统路基监测方法和三种新型路基沉降监测方法(车载探地雷达监测技术、合成孔径雷达干涉技术和分布式布里渊光纤传感技术)进行分析,为铁路路基沉降病害监测提供参考。研究结论:(1)铁路路基沉降主要来自路基本体和地基两个方面,是在多种因素共同作用下产生的;(2)沉降预测方法主要是基于已有的监测数据,并处于不断发展的过程中;(3)传统的监测方法已不满足高效、无损、实时的现代监测要求,新型监测方法基本满足要求,但仍存在一定的局限性;(4)在铁路路基沉降监测方面,有向分布式光纤传感监测技术发展的趋势。     

铁路站台雨棚风洞试验取值规律的探讨

研究目的:铁路无站台柱雨棚为四周开敞建筑,通常采用钢结构形式,为风敏感结构,本文通过对14个无站台柱雨棚风洞试验的结果进行分析,归纳总结其共性特征,并与现行《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)进行对比分析,得出无站台柱雨棚风荷载体型系数的一些分布规律,为结构计算提供参考。研究结论:(1)铁路无站台柱雨棚风压系数介于0.1～0.9之间,风吸系数介于-0.3～-2.0之间;(2)试验得出的风压体型系数一般小于《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)类似参考值,而风吸体型系数两者较为接近;(3)檐口、洞口处的风荷载具有放大效应。     

光纤传感技术在铁路检测监测中的应用研究

光纤传感技术具有抗电磁干扰、精度高等特点,可以作为铁路现场检测监测的一种重要技术手段。介绍了多种光纤传感技术的原理和特点,及其在铁路边坡变形或滑坡监测、车体状态监测、列车定位与测速等场景下的工程应用情况。以高铁沿线栅栏状态监测为例,对光纤传感技术在铁路现场的应用进行了分析,并提出建议。     

基于模态参数的铁路站台张弦结构损伤识别

研究目的:随着铁路客运站规模的不断扩大,为使站台的使用空间增加,我国很多铁路站台使用无站台柱式的大跨度雨棚,张弦结构因具有优异的受力性能而在无站台柱式雨棚中有着广阔的应用前景。因此,对服役中的铁路客运站张弦结构损伤状况进行识别、预测损伤后的极限承载力具有十分重要的意义。研究结论:(1)建议以频率变化率FRC_i和正则化频率变化率NFRC_i作为站台张弦结构体系的损伤识别参数;(2)建议以NFRC_1作为张弦结构的桁架损伤定位参数,以NFRC_2作为撑杆和拉索损伤定位参数,以FRC_3作为预应力损失识别参数;(3)给出了不同部位损伤后结构模态参数FRC_i与相对极限承载力k之间的关系;(4)本研究结果可为铁路站台张弦结构的损伤识别和极限承载力评估提供参考。     

高速铁路车站雨棚附属结构动力响应

为研究列车风激扰下雨棚附属结构的动力响应，以某高铁车站雨棚附属结构为研究对象，建立雨棚附属结构及高速列车仿真模型，分析高速列车以不同速度级通过时雨棚附属结构所受列车风的压力（简称“列车风压”）分布规律；基于此，研究雨棚附属结构的动力响应和疲劳寿命，确定列车风与8级环境风共同作用极限条件下采用不同连接方案时雨棚附属结构的合理设计高度。结果表明：在同等高度下，雨棚附属结构所受列车风压极值随车速的提高而增大；在相同速度级下，列车风压极值随高度的增加而减小；当高速列车以相同速度级通过雨棚时，LED屏应力极值最大，车站站牌应力极值次之，出站口指示牌应力极值最小；雨棚附属结构疲劳寿命随车速提高不断降低，在现有运营条件下雨棚附属结构服役100 a不会发生疲劳破坏，其中LED屏的疲劳寿命最短，疲劳破坏最先发生在顶部连接部位；极限条件下雨棚附属结构最优连接方案下的合理设计高度范围为5.72～10.50 m。     

列车风引起的张弦梁雨棚振动分析

研究目的:大跨度张弦梁结构形式简洁,受力合理,建筑造型优美,但具有柔度较大、重量轻的特点,属于风敏感结构。列车高速过站时,列车风压力可能对建筑物的局部产生较为强烈的作用,使下弦张拉弦索刚度退化,改变结构的受力性能或引起结构共振,对结构产生不利的影响。本文以京沪高速铁路济南西客站无站台柱张弦梁雨棚为例,分析列车高速通过引起无站台柱雨棚上的列车风压力和变化规律以及对雨棚结构的影响,为设计提供依据。研究结论:通过研究可以得出如下结论:(1)列车风压力沿高度方向衰减较快,沿宽度方向近似线性变化;(2)列车风压力引起的张弦梁的Z、Y的位移及钢梁及索的应力变化幅度均较小;(3)列车风压力引起的雨棚结构的风致振动频率与结构自振频率相差较大,不会引起共振;(4)本研究成果对大跨度雨棚等站场设施的设计可提供指导。     

流场能量牵引在铁路桥梁防风设计中的应用

南疆铁路至兰新高铁枢纽位于新疆著名的三十里风区,当地多次发生大风导致列车倾覆事件。本段桥梁是高铁与普铁联络线,针对高铁及普速铁路梁的特点综合分析,选用适宜梁型,结合挡风结构受力特点,运用流场数值计算、风洞试验、动力学仿真等方法展开研究,对梁体局部改造加强。通过分析强风场中列车受力特点,以及挡风屏结构高度等对风场影响的规律,在挡风屏设圆形及椭圆形交错开孔,通过紊乱气流自身损耗风能。人行道步板改用透风结构,减弱桥面顶板气流反冲力,改变列车附近的局部风场,降低横向风力对列车的冲击作用,对列车的安全运营提供了有力的保障。研究结论:(1)挡风结构制造紊流消耗有害风向,防护作用明显好于靠加强结构自身强度来抵抗风害;(2)对于气流进行疏导,对风场势能进行牵引,改变风荷载影响作用显著;(3)铁路桥梁结构防风设计,应该以风场势能的研究为主方向,局限于平面的受力关系研究势必会影响防风设计的思路。     

车站无站台柱雨棚风荷载设计探讨

通过对系列无站台柱雨棚风洞试验结果的对比研究,得出无站台柱雨棚风荷载作用特点及规律,根据研究结果得出具有指导性意义的无柱雨棚风荷载设计结论。通过研究表明,雨棚的边缘部分极值风压系数要高于其他区域;雨棚的横断面形状对平均压力系数影响较大;并根据研究结果,提出雨棚设计中风荷载体型系数参考取值和风荷载作用下雨棚的结构布置建议,供类似无站台柱雨棚工程参考。     

郑徐高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道结构服役状态监测

为掌握CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的温度场、受力和变形规律,在郑徐高铁跨京杭大运河徐州特大桥的CRTSⅢ型板式无砟轨道结构开展监测服役状态监测的基础上,对监测数据进行了统计分析,研究表明:(1)轨道板板中温度高于自密实混凝土层和底座板;(2)轨道板上半部分温度梯度较大,下半部分温度梯度较小;(3)连续梁跨中地段轨道板板端翘曲位移高于板中翘曲位移,板端最高翘曲位移为1.9mm。连续梁梁端地段轨道板板端翘曲位移与板中翘曲位移接近;(4)随着大气温度的升高,桥梁梁缝的相对位移值逐渐减小;(5)轨道板压应力、拉应力大小变化随着温度的升高和降低而相应发生变化。     

高速列车交会激励下雨棚振动响应

站台雨棚作为铁路重要基础设施,当动车组正线通过时会激扰雨棚造成结构损伤。为研究外部载荷激励下雨棚的动力响应规律及其主要影响因素,建立某高铁车站站台雨棚结构动力仿真模型,仿真计算CR400AF型动车组以不同车速在雨棚中交会时的气动载荷和轮轨力。结果表明：动车组交会时产生的气动载荷和轮轨力与车速有关,随着车速提高气动载荷和轮轨力增大,且气动载荷与车速的平方成正比;雨棚靠近线路中心位置处所受的气动载荷最大,雨棚宽度、长度方向所受气动载荷极值近似于呈对称分布,气动载荷随雨棚高度的增加而减小;雨棚振动响应与车速有关,随着车速提高雨棚振动响应增大;同等速度级交会工况下,雨棚端部振动响应比中部大;气动载荷和轮轨力对雨棚振动响应影响程度不同,其中气动载荷起主要作用。     

路基冻胀-融化-沉降循环作用下高速铁路板式无砟轨道伤损演化与变形分析

为研究路基冻胀-融化-沉降循环作用下,无砟轨道结构的伤损演化规律和变形特性,基于有限单元法及混凝土塑性损伤模型,建立路基上单元板式无砟轨道静力分析模型。计算结果表明:(1)小波长条件下,底座板在冻胀过程中易在幅值两侧对应第一块轨道板的板端萌生损伤,但随波长的增加,轨道结构塑性损伤得以缓解;(2)路基冻胀-融化-沉降循环作用引起轨道不平顺,其幅值呈增加-减小-反向增加的变化趋势,但波长较小时,反向增加的幅度极小;(3)路基回落过程中,轨道结构存在部分残余变形;(4)底座板与基床表层间的离缝呈张开-闭合-张开的循环性变化规律,离缝宽度随路基变形幅值的增大而增大;(5)路基变形波长对离缝宽度及纵向分布有极大影响。     

融合光纤传感与压电感知的列车结构健康监测方法

结构健康监测技术是提升列车运行可靠性、安全性,降低运营成本的变革性技术。针对列车转向架结构损伤诊断与寿命预测的需求,提出融合光纤传感与压电感知的转向架材料试样结构健康监测方法,并构建基于光纤传感的结构载荷识别方法,利用光纤测量的应变信息反演结构所受的外部载荷,识别结果可为结构寿命预测提供载荷输入。同时,研究压电感知Lamb波信号在不同裂纹长度下的变化规律,基于相关系数法建立用于表征裂纹长度的损伤指数模型,实现对结构裂纹损伤萌生、扩展全过程的损伤诊断。依据所提出的列车结构健康监测方法框架,对压电传感器实时诊断的结构裂纹损伤情况建立仿真模型,使用光纤传感器反演得到的外部载荷对仿真模型进行加载。最后,开展列车转向架构架材料试样的疲劳试验,结果表明：基于光纤传感的反演载荷与真实载荷间的相对误差为1.30%,损伤因子与裂纹长度相关系数达到0.97。研究成果可推进结构健康监测方法在高速列车上的工程化应用。     

极寒地区无砟轨道温度与变形监测光纤光栅传感器安装方法研究

为提出极寒地区传感器安装的合理方案,建立线-板-桥(路基)计算模型,得出高温差时轨道结构的各种变形。通过工程实践经验,总结采用光纤光栅传感器监测高速铁路无砟轨道结构温度与变形的原理与方法,并探索各类温度、应变、位移传感器的现场安装方法,最后针对极寒地区光纤光栅传感器安装冬季施工提出实用建议。     

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。     

运营高速铁路重点地段综合变形监测评估方法研究

高铁铁路运营阶段将对重点变形观测地段展开长期性、周期性的变形监测,是保障高铁线路平顺性的重要工作。本文基于某铁路局运营高速铁路重点地段变形监测咨询评估项目的长期实践,进行以下研究:(1)分析咨询评估流程,基于各关键环节建立咨询评估体系,在过程中进行质量控制;(2)阐述区段变形分析、数据质量分析、预警机制与重点段调整等评估工作重难点问题;(3)提出断面沉降监测、CPⅢ不定期复测、横向变形监测、轨道逐枕全几何尺寸测量等成果的综合变形分析方法,结合实例进行分析。本文研究成果对高速铁路重点地段变形监测咨询评估体系建立有借鉴意义,提出的综合变形分析方法可为轨道养护维修提供依据。