基于广义柔度曲率矩阵对角指标梁桥结构损伤识别研究

为了构造梁桥结构损伤识别指标,基于广义柔度曲率矩阵,对广义柔度矩阵元素按行列两次差分得到广义柔度矩阵曲率,分别取损伤前后广义柔度矩阵曲率的对角线元素构建广义柔度曲率矩阵对角指标;再对广义柔度曲率矩阵列元素分别求1-范数和2-范数,分别将损伤前后矩阵列范数向量相减得到另外2个损伤识别指标,从而构造出3个新的损伤指标。采用简支梁算例对比验证这3个指标,进一步通过2种不同截面简支梁的损伤对比,分析新构造的广义柔度曲率矩阵对角指标的敏感性和适用性。最后,参考某连续刚构桥检测资料及其修正后的基准模型,应用新构造的广义柔度曲率矩阵对角指标,进行梁桥结构损伤识别数值模拟和验证分析。研究结果表明：3个新指标均能够识别出单损伤和多损伤工况的损伤位置和损伤程度。综合比较,广义柔度曲率矩阵对角指标效果最好;对于变截面梁桥损伤识别,广义柔度曲率矩阵对角指标有很好且稳定的识别效果;且广义柔度曲率矩阵对角指标能识别测点间部分损伤。归一方法对广义柔度曲率矩阵对角指标的损伤程度识别有轻微影响。结合广义柔度曲率矩阵对角指标和损伤程度计算,可以准确识别三跨连续刚构桥主梁损伤位置和损伤程度。     

基于高斯曲率识别板式无砟轨道中CA砂浆脱空伤损

板式无砟轨道中CA砂浆在列车荷载、环境温度等多种作用下容易产生脱空等伤损,准确检测出这些伤损显得尤为重要。针对CA砂浆的伤损,建立轨道板-CA砂浆模型,利用有限元软件对系统进行模态分析,通过计算分析得到轨道板的曲率模态,结合高斯曲率确定CA砂浆的伤损及伤损位置。计算结果表明：轨道板的前五阶高斯曲率可以反映伤损的有无及其具体位置,一阶高斯曲率最为明显。轨道板-CA砂浆系统一阶高斯曲率不仅可以准确识别单处CA砂浆伤损,还可以准确识别多处CA砂浆伤损。     

基于模态柔度曲率改变率的桥梁结构损伤识别方法

在以往模态柔度损伤指标研究成果的基础上,提出模态柔度曲率改变率MFCI(aver)的结构损伤识别方法.该方法首先对损伤前后的模态柔度矩阵各列元素进行代数平均,将计算得到的平均值作为模态柔度向量{fu}和{fd}的元素,然后利用差分法求出模态柔度曲率,最后将损伤前后的模态柔度曲率差值按损伤前的模态柔度曲率值进行归一化,从而得到模态柔度曲率改变率指标.对简支梁和连续梁,采用MF,MFC,MFCI(aver),MFCI(max)4种结构损伤指标进行损伤识别效果比较的结果表明:模态柔度曲率改变率结构损伤识别方法在识别过程中,由于用模态柔度列向量代替模态柔度矩阵,避免了大型矩阵运算,明显提高了识别速度;对数据进行平均处理,明显改善了抗噪能力.     

CRTSⅠ型板式无砟轨道脱空状态对结构模态的影响

以CRTSⅠ型板式无砟轨道作为研究对象,运用有限元软件ANSYS,建立有限元梁体模型,对轨道板不同脱空长度的轨道结构进行模态分析,为轨道结构的损伤识别提供理论指导。计算结果表明:随着轨道板脱空长度的增加,轨道结构的同阶固有频率减小;振型的波峰逐渐向脱空区域移动,在脱空区域轨道板的垂向位移增大,轨道板与凸台分离明显。     

板底脱空对无砟轨道结构模态的影响

基于CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构参数,研究了不同脱空状态对无砟轨道模态的影响,并对轨道板自振应力进行了分析。结果表明:分析脱空对轨道结构模态的影响时,脱空厚度方向不宜处理为完全损坏,而应取一定的脱空厚度;板端脱空组合对轨道结构模态的影响最大,板中脱空影响最小;板中脱空时脱空形状对轨道结构的模态几乎没有影响;无脱空时轨道板自振应力在扣件处最大,不同脱空状态下轨道板自振应力在脱空区域与自密实混凝土接触边缘较大。研究成果可供无砟轨道脱空识别和结构优化设计参考。     

基于曲率模态法识别轨道板的伤损研究

无砟轨道轨道板在施工和运营中存在空洞及裂缝等伤损,伤损的出现会改变结构的动力学特性,由模态分析理论可知,系统特性的改变必然会引起模态参数的改变。建立轨道板-砂浆有限元模型,通过单元刚度的折减来模拟轨道板单处伤损和多处伤损,运用曲率模态识别伤损的方法对轨道板横向和纵向分别进行曲率模态计算分析。计算结果表明:轨道板横向和纵向任一方向的曲率模态和曲率模态差都能准确的识别出伤损位置,并且可以依据这两个指标识别出轨道板的多处伤损。     

CA砂浆脱空对框架型轨道板翘曲的影响分析

CA砂浆填充层作为框架型板式轨道关键结构层,长期暴露于自然环境中,受列车荷载冲击、温度循环以及水的侵害等作用,砂浆层与轨道板间易产生脱空,劣化轨道结构受力状态。基于无砟轨道弹性地基梁体模型,分析了正常状态和砂浆层与轨道板间出现脱空时框架型板式轨道在温度梯度荷载作用下的受力情况,并针对板端横向全部脱空和板边纵向全部脱空两种常见脱空形式进行分析。结果表明,较低的砂浆弹性模量可减小轨道板翘曲和缓解列车荷载冲击作用;对于脱空状态,在正温度梯度作用下,轨道板受力和板角翘曲变形受脱空程度影响较大,而对砂浆层受力影响较小;在负温度梯度作用下,轨道板和砂浆层受力状态受脱空程度影响均不明显。     

400 km/h高速铁路路基地段CRTSⅢ型板式无砟轨道静力分析

基于既有的CRTSⅢ型板式无砟轨道结构设计体系,针对400 km/h高速铁路的运营条件,本文建立路基地段CRTSⅢ型板式无砟轨道的梁体和梁板模型,在列车荷载、温度荷载及基础变形作用下,从静力学角度对CRTSⅢ型板式无砟轨道进行适应性分析。结果表明：（1）在列车荷载作用下,CRTSⅢ型板式无砟轨道可适应400 km/h高速铁路列车动载系数的变化;（2）在列车荷载、温度荷载及基础变形的综合作用下,负温度梯度更不利于轨道部件的垂向变形,较大的基础沉降会引起自密实混凝土层与底座板出现脱空现象,在列车荷载冲击作用下将使自密实混凝土层不断的拍打底座板,应严格控制不均匀沉降的幅值不超限,建议对沉降曲线的曲率变化提出控制标准。     

弹性波技术在高速铁路道岔区板式无砟轨道离缝检测中的应用

高速铁路板式无砟道岔区的离缝脱空无法通过人工方法有效检测，须采用无损方法。针对这一问题，采用弹性波法对板式无砟轨道道岔区段进行检测，分析了黏结良好区域和脱空区域的反射波形特征，给出了道岔黏结质量评价方法和评价指标。结果表明：弹性波法能有效检测板式无砟道岔离缝脱空，可通过时域反射系数和卓越频率两个指标综合识别离缝；相对于黏结良好状态，脱空状态下时域反射系数明显增加，反射系数大于0.7时可判定为脱空；存在脱空时，脱空深度位置对应的频率峰值表现出较强的反射特征。将检测结果绘制成等值线图，可直观显示离缝脱空位置；计算离缝面积比，可评价道岔区轨道板底部的黏结状态。     

基于代数算法的模态柔度灵敏度分析

代数方法解析推导出无阻尼线性系统模态柔度一阶灵敏度的解析表达式,该表达式简洁紧凑,便于编程,而且在计算阶模态柔度的灵敏度时,只需一阶模态信息,具有显著的优点.通过数值模拟算例,并对模态柔度灵敏度进行了参数和模态截断误差分析,着重考查模态柔度对损伤参数的灵敏度.研究结果表明,通过损伤前后模态柔度矩阵的列最大变化值来判定损伤是合理的,而以对角元素变化值进行损伤识别可能出现误判.     

温度梯度与板下脱空对列车轨道系统动力响应的影响

砂浆脱空是CRTSⅠ型板式无砟轨道典型病害之一,其与温度梯度荷载共同作用下,轮轨系统受力状态将受到较大影响。本文运用轮轨系统动力学原理和有限元法,建立列车-无砟轨道-路基系统耦合动力空间模型,计算分析温度荷载、脱空长度对车辆及轨道系统动力响应的影响。结果表明:温度梯度荷载仅对轨道结构动力响应影响较大;温度梯度荷载与板下脱空同时存在,脱空长度超过0.8m时,其对车辆及轨道系统动力响应影响较大,尤其当轨道板存在正温度梯度110℃/m、行车速度350km/h、脱空长度1.2m时,轮重减载率为1,严重威胁行车安全。建议高速铁路无砟轨道脱空长度不超过0.8m,并加强极端气候下的损伤检测。     

平板和框架板无砟轨道结构力学分析

研究目的:平板和框架板无砟轨道是板式无砟轨道的2种基本型式,研究它们在荷载作用下力学响应的差异,为设计、施工提供参考。研究方法:采用有限元理论,建立了平板和框架板无砟轨道的梁-板模型,应用大型有限元工具软件ansys对模型进行求解。研究结果:选用相同的参数进行计算,得出了平板和框架板无砟轨道结构各部分受力的差别,以及荷载作用位置对板式无砟轨道结构受力的影响规律。研究结论:(1)在相同的荷载作用下,框架板无砟轨道除底座纵向正弯矩较平板无砟轨道较小外,轨道板纵横向弯矩、底座纵向负弯矩、底座横向弯矩、CA砂浆调整层反力均较大。(2)仅从轨道结构受力来看,框架板跟平板差异不显著,但由于框架板具有良好的经济性,改善施工性能等优点,在国内具有很大的发展前景。(3)荷载作用位置对无砟轨道结构各部分受力影响很显著,荷载作用于板中和板端为2种最不利作用情况,在无砟轨道结构设计中,应该综合这2种荷载作用方式下的较大值进行设计。     

列车竖向荷载与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道开裂的影响分析

无砟轨道结构轨道板裂缝和结构层间离缝会导致结构性能退化,承载力降低,危及行车安全。基于弹性地基梁—体理论,建立路基上无砟轨道结构有限元模型。在正常状态和轨道板底部存在不同程度离缝状态时,对轨道板在列车竖向荷载下产生裂缝的位置和路径,以及2种状态下轨道板的翘曲位移和翘曲时轨道板底部地基弹簧拉应力进行分析。研究结果表明:无砟轨道板仅在列车竖向荷载作用下不会产生裂缝。当轨道板底纵向全部脱空且横向脱空宽度达到钢轨底面内侧边缘位置时,列车竖向荷载板端加载不会生成裂缝,板中部加载会产生裂缝。裂缝大致沿着轨道板纵向中心线附近开裂,在板端斜向板两侧边缘发展,预裂缝能够有效阻断裂缝的扩展路径。     

大跨度斜拉桥—无砟轨道结构变形适应性研究

以某高速铁路客运专线上铺设CRTSⅠ型双块式无砟轨道的大跨度斜拉桥为例,采用非线性阻力模型模拟扣件阻力、凸型挡台咬合力、隔离层摩擦阻力,基于有限元法建立无砟轨道—桥梁空间精细化非线性分析模型。通过计算列车竖向荷载和温度荷载作用下轨道结构和桥面板的竖向变形曲率、无砟轨道层间压缩量和梁端转角,分析无砟轨道与大跨度斜拉桥间的变形适应性。结果表明:列车竖向荷载在斜拉桥中跨时会引起各构件产生较大的竖向变形曲率;同一工况下轨道结构和桥面板竖向变形曲率的分布规律相同、数值大小相近;相比于列车竖向荷载,温度荷载作用下各结构竖向变形曲率较小,但分布更为复杂;除整体升温、整体降温作用下结合段无砟轨道出现局部层间脱空外,荷载作用下无砟轨道层间基本处于受压状态;梁端转角均未超过规范限值,具有较高安全富余度。     

基于动力学特性的结构损伤识别研究进展

结构的健康监测和损伤识别技术对于分析结构的工作状态、评估结构的安全性具有重要的意义。近年来,工程结构损伤识别技术受到了广泛的关注。文章综述了目前国内外基于动力学特性的工程结构损伤识别理论研究与最新进展,内容包括固有频率、模态振型、曲率模态、应变模态、应变能变化、柔度变化等结构动态损伤识别技术。最后,展望了工程结构损伤识别技术研究的发展趋势。     

自密实混凝土性能劣化对CRTS Ⅲ型板式轨道荷载效应的影响

充填层是CRTS Ⅲ型板式轨道的核心部件,由于板式轨道是典型的“三明治”结构,充填层易受环境的影响而出现性能劣化,从而对轨道结构不利。为探究充填层自密实混凝土性能劣化对板式轨道荷载效应的影响,采用ABAQUS软件并结合已有的充填层混凝土损伤研究结果,建立充填层整体损伤工况和更接近实际使用情况的充填层梯度损伤工况的轨道结构有限元模型,计算轨道结构在不同工况的列车荷载和温度荷载下,轨道板、充填层和底座板的应力与位移变化情况,分析充填层疲劳损伤对轨道结构整体性能的影响。结果表明,充填层混凝土的整体损伤将导致充填层刚度显著下降,在列车和温度荷载下,轨道板和充填层组成的复合板易出现各方向的位移,使轨道结构出现局部磨耗增加和轨道不平顺等现象;充填层受荷时各向应力均大幅减小,轨道板的总体应力上升且易出现应力集中,底座板应力相较于其上部结构受充填层性能变化的影响较小。充填层出现四周梯度损伤时,不同荷载作用下,从损伤区至未损伤区应力和位移表现为连续变化,未出现明显的应力集中和应力突变;不同荷载作用下,轨道结构出现损伤的区域应力明显下降,但未发生损伤的板中部区域应力上升,加速了板中部区域的动载疲劳效应,...     

基于熵值法的目标模态最优数目确定新方法

为简化复杂结构模态分析计算的复杂程度,有效区分复杂结构发生全局振动和局部振动变化的模态阶数,提出一种基于熵值法的目标模态数目确定新方法。分析结构的目标模态并提取目标振型;计算基于目标振型的Fisher信息矩阵;根据Fisher信息矩阵计算提取不同阶模态时的信息熵,计算信息熵的突变特征函数从而确定突变点;由信息熵的变化来表征对应Fisher信息矩阵信息量的变化从而得到结构全局振动和局部振动对应的模态阶数。CRH3型动车组转向架构架仿真结果表明,基于熵值法确定的目标模态数目能够准确计算出构架全局振动的模态数目。     

无砟轨道整体刚度影响因素研究

以CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式无砟轨道和双块式无砟轨道为研究对象,建立有限元模型,研究列车荷载和典型病害对无砟轨道整体刚度的影响.结果表明:无砟轨道整体刚度随列车荷载的增大而增大,列车荷载的增大对路基区段无砟轨道整体刚度的影响明显大于桥隧区段;无砟轨道整体刚度随轨道板、底座板/支承层脱空长度的增大而减小...     

基于疲劳寿命理论的无砟轨道脱空等级划分

采用有限元软件ANSYS建立CRTSⅢ型板式无砟轨道模型,研究脱空形式和脱空程度对无砟轨道疲劳寿命的影响。采用混凝土弯拉疲劳方程计算无砟轨道疲劳寿命,计算时不考虑预应力和温度梯度仅考虑列车荷载的影响。计算结果表明,随着脱空程度增大,4种脱空形式均会显著降低无砟轨道疲劳寿命,且板端脱空的影响最大。据此提出了脱空等级划分原则,并依据无砟轨道疲劳寿命影响系数将无砟轨道脱空划分为轻度脱空、中度脱空和重度脱空3个等级。建议参照离缝的修补方法确定各脱空等级相应的修补材料和工艺。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的疲劳力学性能分析

研究目的:目前无砟轨道结构在高速铁路中应用广泛,但对其疲劳问题的研究却并不多见。为了探究路基上CRTSⅡ型无砟轨道结构体系在恒载、温度和列车往复荷载作用下的疲劳力学性能,本文基于等效静力法实现了CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的疲劳力学性能及损伤发展的三维仿真分析,揭示出CRTSⅡ型板式无砟轨道结构体系在运营过程中的经时性能演变规律。研究结论:(1)冬季轨道板大部分区域处于受拉状态,假缝处可能发生开裂损伤;夏季轨道板基本处于受压状态,仅板底假缝附近局部受拉;(2)轨道板、CA砂浆、支承层最大应力随着时间增加而减小,竖向位移差随着时间增加而增大,但都在约20年后趋于稳定;(3)轨道板除假缝(拼缝)位置外基本无严重疲劳损伤,且各条假缝(拼缝)的开裂损伤发展会在5年内趋于稳定,最终各断面的开裂面积比大约稳定在0.7左右;(4)本文可为路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构体系的设计、维护和维修提供一定的理论依据。