CN107389790B - 一种平面应变条件下路基高频振动的可视化试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面应变条件下路基高频振动的可视化试验装置，该装置包括：模型试验箱：内部通过设置多层散体材料模拟路基模型高频加载装置：用以通过调节加载幅值和频率模拟高铁列车在行驶过程中的产生的动载施加给路基模型；可视化振动监测装置：与高频加载装置连接，包括工作站以及分别与工作站连接的高速摄像机和可调节光源，用以获取高频荷载作用下包含振动变形及内部应力波传播规的影像数据；能量耗散监测装置：设置在模型试验箱内部，用以获取路基模型内部的波动特征。与现有技术相比，本发明具有多点加载、可视化监测、与原型一致等优点。

Description

一种平面应变条件下路基高频振动的可视化试验装置
技术领域
本发明涉及路基动力学领域，尤其是涉及一种平面应变条件下路基高频振动的可视化试验装置。
背景技术
随着我国高速铁路建设的高速发展，列车运行速度不断加快，保证行车安全显得日益重要。路基作为一种常见的轨道支承结构，其在高速列车冲击荷载作用下的稳定性对高速列车行车安全影响重大。由于路基材料多采用级配碎石及粗砾土等颗粒材料，而散体介质的力学行为又十分复杂，现有研究尚未对其变形机理做出完善的解释，因此对路基材料在高频动载下的内部应力波传播及变形演化规律进行研究十分必要。原位试验费用高昂且只能通过埋设传感器获得物理量的时程变化，无法实现对路基横断面波动状态及位移变化的直接观测。
为解决上述不足，本发明所述的一种平面应变条件下路基高频振动的可视化试验装置，为高频振动下路基振陷机理研究提供了一种有效的手段。基于高铁路基受力处于平面应变状态，制作平面应变室内试验模型，利用可视化高速监测分析系统对散体路基模型在高频动载下的变形发展进行研究，揭示散体路基材料内部振动波传播与耗散规律及散体路基动力振陷机理。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多点加载、可视化监测、与原型一致的平面应变条件下路基高频振动的可视化试验装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种平面应变条件下路基高频振动的可视化试验装置，该装置包括：
模型试验箱：内部通过设置多层散体材料模拟路基模型
高频加载装置：用以通过调节加载幅值和频率模拟高铁列车在行驶过程中的产生的动载施加给路基模型；
可视化振动监测装置：与高频加载装置连接，包括工作站以及分别与工作站连接的高速摄像机和可调节光源，用以获取高频荷载作用下包含振动变形及内部应力波传播规的影像数据；
能量耗散监测装置：设置在模型试验箱内部，用以获取路基模型内部的波动特征。
所述的高频加载装置包括激振器、反力架和试验台，所述的反力架包括两条固定在试验台上的反力纵梁以及与反力纵梁连接且能调节高度反力横梁，所述的激振器设置在反力横梁上，且与路基模型正对，所述的激振器与工作站连接。
所述的模型试验箱为一矩形箱体，所述的路基模型包括由上至下依次分层设置的轨道板、基床表层、基床底层、路堤和地基土，所述的轨道板与激振器正对。
所述的能量耗散监测装置包括位移传感器以及多个加速度传感器，所述的位移传感器设置在轨道板上，所述的加速度传感器分别设置在轨道板、基床表层、基床底层、路堤、地基土和试验台的交界处。
所述的可调节光源包括激光光源和一般点光源，所述的一般点光源包括白炽灯源和荧光灯源。
所述的模型试验箱侧壁为2cm的透明树脂材料壁板，其内侧面为凹凸不平状并设有与内侧面贴合的吸能材料层，吸能材料的阻尼系数、弹性模量及剪切模量由箱体体积及内部填充材料决定，可采用柔性橡胶制作符合模型试验箱边界力学性质要求的吸能层。
所述的激振器的最大振动频率为60Hz，能够实现1～60Hz扫频加载。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、多点加载：采用多加载点联合控制的高频加载设备，相较于传统的单点加载系统，可更好模拟高铁列车在行进过程中动载对环境振动产生的影响。传统高频加载试验或高频三轴试验均采用单点激振的方式模拟列车动荷载，并不能反映下侧路基在列车通过时的主应力轴旋转问题，故而得到的试验结果也与实际有一定差异，采用多加载点联合控制的加载方式进行模拟，可更为准确的模拟列车行进过程中的主应力旋转过程；
二、可视化监测：采用可视化监测与传感器监测手段相结合的方式，使得信息获取更加直观而准确。高速摄像机可对模型外侧断面进行宏观监测，通过图像后处理技术可获取断面中应力波传播与分布；而传感器监测侧重于细观角度，可将单个颗粒的振动情况进行记录。通过两种不同尺度下监测结果的对比，可深入探究单个颗粒振动与位移调整对路基整体变形的联系。；
三、与原型一致：基于铁路路基的受力状态近似处于平面应变受力模式，截取一段厚度较小的路基体作为实验模型，在保证模型试验现象与原型一致的同时节约了空间场地和试验材料。
附图说明
图1为本发明的装置原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本装置包括三部分：高频加载装置：本装置可通过调节加载幅值及频率等参数模拟高铁列车在行驶过程中的产生的动载。可视化振动监测分析装置：本装置利用高速摄像机记录影像数据，结合高速图像处理软件，对高频荷载作用下模型振动变形及内部应力波传播规律进行分析。能量耗散监测装置：本装置由加速度传感器与位移传感器和数据采集仪构成。加速度传感器置于路基模型各层散体材料交界处。通过测定每层不同交界面处散体材料振动时程曲线，从而反算振动波能量，通过对比各交界面数据得到高频振动波在散体路基材料中的能量耗散规律。
高频加载装置主要由三部分构成：激振器、反力架及试验台。反力架由一根反力横梁两根反力纵架组成，材质为工字钢，反力架与试验台通过高强度螺栓固定，并使螺栓具有一定的张力，从而保证试验装置在施加动荷载时，不发生共振现象，垂直荷载加载位置可以竖向调节。激振器最大振动频率为60Hz，可自定义荷载波形，实现1～60Hz扫频加载。
试验箱侧壁采用厚度2cm的透明树脂材料，侧壁内表面打磨成凹凸不平状，模拟实际路基材料内部接触方式，减小边界条件对路基材料运动的影响。
可视化数据监测分析装置主要由三部分组成：高速摄像机，光源，工作站。利用高速摄像机对路基试样进行拍摄，摄像机与光源通过时序控制器保证同步。拍摄完成的图像数据先储存于高速摄像机自带的缓存设备中，之后再导入工作站，利用高速图像处理软件对图像进行分析。高速图像处理软件利用图像分区追踪技术，将图像划分为多个小区域，通过对比两张图像中各区域位置及形态变化，得到监测断面的速度场及位移场。
能量耗散监测装置由加速度传感器和位移传感器构成。能量耗散监测装置由加速度传感器与位移传感器和数据采集仪构成。加速度传感器置于路基模型各层散体材料交界处。通过测定每层不同交界面处散体材料振动时程曲线，从而反算振动波能量，通过对比各交界面数据得到高频振动波在散体路基材料中的能量耗散规律。
在箱内按照高铁路基铺设形式填筑无砟轨道路基实验模型；在模型箱内侧放置柔性橡胶垫以消除动力边界效应；前后调节模型位置使钢轨中心对准加载装置；上下调节加载装置高度使之与钢轨顶恰好接触。
(1)单列高速列车行进模拟试验
现模拟一列8节编组的高铁列车通过时产生的动载对路基的影响。分别模拟列车以100km/h，200km/h，250km/h，300km/h，350km/h，380km/h，400km/h，420km/h速度进行的过程。加载同时开启高频摄像机和四个加速度传感器进行记录。图像信息放入工作站利用高速图像处理软件进行分析，各层交界面处振动波形数据由采集仪储存并导入工作站进行分析。
(2)服役模拟试验
根据武广高铁铁路运行图可知，平均发车间隔15min，每天28列实际情况模拟一天服役情况。模拟350km/h，380km/h，400km/h，420km/h四种速度下列车行进过程。加载同时开启高频摄像机和四个加速度传感器进行记录。图像信息放入工作站利用高速图像处理软件进行分析，入射、反射、透射波波形数据由采集仪储存并导入工作站进行分析。
(3)扫频试验
利用高频加载装置扫频加载功能，保持轴载不变，从1Hz至60Hz扫频加载，加载同时开启高频摄像机和四个加速度传感器进行记录，开启工作站进行实时分析，观测散体路基振动特性同频率的关系。

Claims (3)

1.一种平面应变条件下路基高频振动的可视化试验装置，其特征在于，该装置包括：
模型试验箱：内部通过设置多层散体材料模拟路基模型，所述的模型试验箱侧壁为2cm的透明树脂材料壁板，其内侧面为凹凸不平状并设有与内侧面贴合的吸能材料层；
高频加载装置：用以通过调节加载幅值和频率模拟高铁列车在行驶过程中的产生的动载施加给路基模型，所述的高频加载装置包括激振器、反力架和试验台，所述的反力架包括两条固定在试验台上的反力纵梁以及与反力纵梁连接且能调节高度反力横梁，所述的激振器设置在反力横梁上，且与路基模型正对，所述的激振器与工作站连接，所述的激振器的最大振动频率为60Hz，能够实现1～60Hz扫频加载；
可视化振动监测装置：与高频加载装置连接，包括工作站以及分别与工作站连接的高速摄像机和可调节光源，用以获取高频荷载作用下包含振动变形及内部应力波传播规的影像数据，所述的可调节光源包括激光光源和一般点光源，所述的一般点光源包括白炽灯源和荧光灯源；
能量耗散监测装置：设置在模型试验箱内部，用以获取路基模型内部的波动特征。
2.根据权利要求1所述的一种平面应变条件下路基高频振动的可视化试验装置，其特征在于，所述的模型试验箱为一矩形箱体，所述的路基模型包括由上至下依次分层设置的轨道板、基床表层、基床底层、路堤和地基土，所述的轨道板与激振器正对。
3.根据权利要求2所述的一种平面应变条件下路基高频振动的可视化试验装置，其特征在于，所述的能量耗散监测装置包括位移传感器以及多个加速度传感器，所述的位移传感器设置在轨道板上，所述的加速度传感器分别设置在轨道板、基床表层、基床底层、路堤、地基土和试验台的交界处。
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