CRTSII型轨道板脱空及裂缝对轨道系统模态参数影响研究

作     者：向国荣 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高亮

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：高速铁路 无砟轨道 模态参数 轨道病害 病害识别 病害修复 

摘      要：CRTSⅡ型板式无砟轨道在我国应用广泛,但由于我国高铁具有运行速度快、行车密度大、服役环境复杂等运营特点,导致近年CRTSⅡ型板式无砟轨道产生了一系列轨道病害,其中轨道板脱空病害对结构服役性能危害巨大,轨道板裂缝病害在CRTSII型板式无砟轨道中尤为常见,因此需要重点研究。考虑到结构模态参数是结构固有的振动特性,当CRTSⅡ型板式无砟轨道出现伤损病害时,轨道的约束条件将产生不同程度的折减,进而影响结构模态参数的变化,无砟轨道的伤损状态与轨道的模态参数存在密切联系。研究轨道板脱空及裂缝条件下无砟轨道模态参数的变化规律,掌握轨道板脱空及裂缝条件下CTRSII型板式无砟轨道模态参数特征,能够从模态角度评估轨道结构服役状态,同时基于特定模态特征参数还能够进行无砟轨道内部伤损病害识别定位,指导轨道养护维修。因此,开展CRTSII型轨道板脱空及裂缝对轨道系统模态参数影响研究十分必要。本文依托国家自然科学基金“重点（高铁联合基金）项目（U1734206）,建立CRTSII型板式无砟轨道模型,基于该模型分析未损伤状态下的CRTSII型板式无砟轨道模态特征并对其模态参数影响因素进行研究;进一步研究了轨道板脱空及裂缝病害对无砟轨道模态参数的影响规律;最后结合上述研究成果应用模态特征参数对轨道病害进行定位识别,基于材料模态修复性能对轨道养护维修提供建议。具体研究内容及成果如下:（1）建立了CRTSII型板式无砟轨道模型,并对轨道板脱空及裂缝病害进行了准确模拟,最后进行了多角度的模型验证。利用有限元软件建立了CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型;确定轨道板脱空以及裂缝病害在模型中的设置方法,在模型中对轨道板脱空及裂缝病害进行了准确模拟;开展CRTSⅡ型板式无砟轨道模态试验并获得轨道结构试验模态参数,将仿真结果与模态试验结果进行对比,验证了CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型的准确可靠性。通过与既有文献计算结果对比,验证了病害模型的准确可靠性。（2）基于模态分析理论,利用有限元模型进行了CRTSII型板式无砟轨道模态分析,进一步开展了无砟轨道模态参数影响因素研究。结合结构动力学、模态叠加法相关理论分析得出了钢轨、轨道板理论模态频率及理论模态振型。利用建立的有限元模型对CRTSII型板式无砟轨道进行模态分析,得到未损伤状态下CRTSII型板式无砟轨道钢轨及轨道板的模态参数,并对钢轨及轨道板模态振型进行了系统的归纳和描述。进一步开展了结构材料参数、结构约束条件等因素对CRTSII型板式无砟轨道模态参数的影响研究。（3）研究了轨道板脱空病害、轨道板裂缝病害、轨道板脱空裂缝复合病害条件下CTRSII型板式无砟轨道模态参数的变化规律。利用上述能够准确模拟轨道板脱空及裂缝的CRTSII型板式无砟轨道模型,分析轨道结构存在轨道板脱空及裂缝病害条件下模态参数的变化规律。针对轨道板脱空病害研究了不同脱空长度、不同脱空宽度、不同脱空位置条件下模态参数的变化规律;针对轨道板裂缝病害研究了不同裂缝宽度、不同裂缝程度、不同裂缝长度、不同裂缝位置条件下模态参数的变化规律;针对轨道板脱空裂缝复合病害研究了多处脱空病害、多处裂缝病害、脱空和裂缝病害同时存在条件下模态参数的变化规律。（4）基于模态特征参数进行了轨道板脱空及裂缝病害定位识别研究,分析了病害修复材料模态修复性能,对轨道养护维修提供了建议。充分考虑CRTSII型板式无砟轨道发生病害前后模态参数的变化,利用位移模态振型变化率以及应变模态振型改变量两种模态特征参数对轨道板脱空及裂缝病害进行定位识别研究,进一步提出利用病害识别面积覆盖率评价病害识别方法。对比分析了修复材料不同弹性模量对轨道板脱空及裂缝的模态修复性能,通过对使用不同弹性模量材料修复后轨道模态频率增长量、轨道模态频率偏移量等指标的分析,对轨道板脱空及裂缝病害修复材料的弹性模量取值范围提供了建议。