CN114492101A - 一种crtsⅱ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，所述方法如下：一、对多跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道底座板应变的实际监测值进行解耦，获取由纯梁轨相互作用引起的底座板应变；二、建立多跨简支梁上的CRTSⅡ型无砟轨道梁轨相互作用有限元模型，通过有限元计算提取某跨简支梁上方剪力齿槽内侧由梁轨相互作用引起的底座板应变与桥梁温度之间的斜率，经多次计算后建立上述斜率与各摩擦系数之间的映射关系式；三、获取经过解耦后的实测底座板应变与实测桥梁温度之间的斜率，将此斜率输入上述映射关系式中，得到本跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道的滑动层摩擦系数。该方法可解决无砟轨道滑动层摩擦系数难以检测的问题。

Description

一种CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法
技术领域
本发明属于轨道工程健康监测领域，涉及一种基于底座板应变的CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法。
背景技术
无砟轨道在现代铁路运输中有着相当重要的地位。近些年来，越来越多的无砟轨道建成并服役极大地提高了我国的铁路运输效率，促进了经济的高速增长。
“两布一膜”滑动层是CRTSⅡ型无砟轨道的一个重要组成部件，由于滑动层的存在使得底座板与桥梁之间的摩擦力减小从而使得轨道结构的伸缩力也显著减小。滑动层位于底座板与桥梁之间属于不可更换的部件，其服役状态很难直接通过常规检查的方式进行评价。考虑到在桥梁的反复伸缩作用下滑动层不可避免的会出现磨损从而导致其摩擦系数发生变化，因此有必要提出一种方法来对滑动层摩擦系数进行识别。
由于滑动层位于底座板下方，目前已有的监测技术并不能很好的识别出滑动层的摩擦系数，导致CRTSⅡ型无砟轨道结构的安全性无法得到充分的保障。因此，如何对CRTSⅡ型无砟轨道的滑动层摩擦系数进行快速且精确的评估是一个需要解决的问题。
发明内容
针对目前CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数难以进行检测的问题，本发明提供了一种CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法。该方法可解决无砟轨道滑动层摩擦系数难以检测的问题，使得高速铁路养护部门对滑动层的服役状态有一个更为清晰的认识并提高我国高速铁路的安全性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，包括如下步骤：
步骤一、对多跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道的底座板应变进行监测，根据已有的梁轨相互作用理论对某跨简支梁上方的底座板应变实际监测值进行解耦，从而获取由纯梁轨相互作用引起的底座板应变，其中，由纯梁轨相互作用引起的底座板应变的计算公式如下：
Figure BDA0003416187770000021
其中，
Figure BDA0003416187770000022
为剪力齿槽处由桥梁伸缩引起的底座板应变，
Figure BDA0003416187770000023
为剪力齿槽处的底座板实测应变，
Figure BDA0003416187770000024
为跨中位置处的底座板实测应变；
步骤二、建立多跨简支梁上的CRTSⅡ型无砟轨道梁轨相互作用有限元模型，通过有限元计算提取出某跨简支梁上方剪力齿槽内侧由梁轨相互引起的底座板应变与桥梁温度之间的斜率，经过多次计算后建立此斜率与不同摩擦系数之间的映射关系式，其中，斜率与摩擦系数之间的映射关系式如下：
μ＝f(kμ)；
其中，μ为滑动层摩擦系数，kμ为斜率；
步骤三、获取经过解耦后的实测底座板应变与实测桥梁温度之间的斜率，将此斜率输入上述映射关系式中，从而得到此跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道的滑动层摩擦系数。
本发明中，在分析剪力齿槽处底座板应变与桥梁温度之间的斜率时，应只考虑某天升温段或降温段前4℃内的数据。
本发明中，对底座板应变的监测值需进行均值滤波去噪预处理。
本发明中，在对某跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道的底座板应变进行监测时，应同时在此跨简支梁的剪力齿槽内侧与跨中位置处布设应变传感器，且传感器的位置均位于底座板横截面的中心。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明的方法能够对多跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道中的滑动层摩擦系数进行识别，使得位于底座板下方的滑动层的服役状态可以被实时的检测，可有效避免由于滑动层磨损过度导致CRTSⅡ型无砟轨道结构的内部伸缩力过大对高速铁路行车安全带来的威胁。
附图说明
图1为底座板应变分布情况：(a)由梁轨相互作用引起的底座板应变，(b)由底座板自身温度引起的底座板应变；
图2为底座板应变与桥梁温度的监测值；
图3为应变解耦结果与梁温的关系；
图4为有限元模型；
图5为剪力齿槽处底座板应变与桥梁温度之间的关系；
图6为桥梁温度荷载；
图7为不同摩擦系数下温度与应变之间的关系；
图8为摩擦系数与斜率之间的拟合结果；
图9为剪力齿槽处底座板实测应变与实测桥梁温度之间的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、对多跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道的底座板应变进行监测，根据已有的梁轨相互作用理论对某跨简支梁上方的底座板应变实际监测值进行解耦，从而获取由纯梁轨相互作用引起的底座板应变。具体步骤如下：
底座板的实测应变εbase会同时受到梁轨相互作用与底座板自身温度的影响，如公式(1)所示：
εbase＝εμ+εT (1)；
其中，εμ为由梁轨相互作用引起的底座板应变，εT为由底座板自身温度引起的应变。
根据已有的多跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道梁轨相互作用研究成果可知，桥梁伸缩引起的底座板应变εμ在各跨简支梁上方的分布情况几乎一致，如图1(a)所示，由底座板自身温度引起的底座板应变εT沿路线方向几乎相同，如图1(b)所示。考虑到简支梁跨中位置处由梁轨相互作用引起的应变εμ几乎为0，从而在剪力齿槽处和跨中位置处分别有：
Figure BDA0003416187770000051
其中，
Figure BDA0003416187770000052
为剪力齿槽处的底座板实测应变，
Figure BDA0003416187770000053
为剪力齿槽处由于桥梁伸缩引起的底座板应变，
Figure BDA0003416187770000054
为跨中位置处的底座板实测应变。根据公式(2)即可获取剪力齿槽处由纯梁轨相互作用引起的底座板应变，如公式(3)所示：
Figure BDA0003416187770000055
步骤二、建立多跨简支梁上的CRTSⅡ型无砟轨道梁轨相互作用有限元模型，通过有限元计算提取出某跨简支梁上方剪力齿槽内侧由梁轨相互引起的底座板应变与桥梁温度之间的斜率，经过多次计算后建立此斜率与不同摩擦系数之间的映射关系式。具体步骤如下：
步骤二一、通过Abaqus有限元软件建立多跨简支梁上的CRTSⅡ型无砟轨道梁轨相互作用有限元模型，将通过监测得到的某天的桥梁温度Tbeam作为桥梁温度荷载施加在有限元模型中，从而得到某跨简支梁上方剪力齿槽内侧底座板应变的有限元计算值
Figure BDA0003416187770000056
并得出当天升温段或降温段前4℃内
Figure BDA0003416187770000057
与Tbeam之间的斜率kμ。
步骤二二、利用步骤二一的方法将一系列滑动层摩擦系数μ分别赋予多跨简支梁上的CRTSⅡ型无砟轨道梁轨相互作用有限元模型，经过计算后得出各摩擦系数μ作用下某跨简支梁上方剪力齿槽内侧的底座板应变
Figure BDA0003416187770000058
与桥梁温度Tbeam之间的斜率kμ。
步骤二三、最终根据步骤二二中各有限元模型的计算结果得到各滑动层摩擦系数μ与斜率kμ之间的映射关系式，如公式(4)所示：
μ＝f(kμ) (4)。
步骤三、获取上述经过解耦后的实测底座板应变与实测桥梁温度之间的斜率k，将此斜率k输入公式(4)中，从而可得到某跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道的滑动层摩擦系数。具体步骤如下：
步骤三一、对某天经过解耦后的剪力齿槽处的底座板应变
Figure BDA0003416187770000061
进行分析，得出在当天升温段或降温段前4℃内实测底座板应变
Figure BDA0003416187770000062
与实测梁温Tbeam之间的斜率k。
步骤三二、将步骤三一得到的斜率k输入映射关系式(4)中，从而可得出当天实际轨道结构中滑动层的摩擦系数μ。
实施例：
本实施例通过分析某多跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道实测底座板应变与实测桥梁温度，同时结合Abaqus有限元分析对本发明的技术方案进行说明。
步骤一、底座板实测应变的获取与解耦。
通过在某多跨简支梁上的CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道的底座板中预埋应变传感器并对轨道结构下方32m简支梁的温度进行同步监测。其中，桥梁温度传感器通过钻孔埋入简支梁顶板下方30cm处，两个底座板混凝土应变传感器在底座板施工期间分别被预埋在桥台右侧第2跨简支梁上方距剪力齿槽中心内侧40cm处与简支梁的跨中位置，由此分别获得了一段时间内两个位置的底座板应变监测值
Figure BDA0003416187770000063
和
Figure BDA0003416187770000064
如图2所示。根据公式(3)对剪力齿槽处的底座板应变进行解耦，从而获取了由纯梁轨相互作用引起的底座板应变
Figure BDA0003416187770000071
与桥梁温度之间的关系如图3所示。
步骤二、映射关系式的建立。
通过Abaqus有限元软件建立10跨简支梁上的CRTSⅡ型无砟轨道梁轨相互作用模型，如图4所示。当滑动层摩擦系数μ取0.3时，将2天的桥梁温度监测数据Tbeam作为桥梁温段荷载施加在模型中从而得到第2跨简支梁上方剪力齿槽内侧的底座板应变
Figure BDA0003416187770000072
与Tbeam之间的关系图如图5所示。由图5可知，当μ＝0.3时在每天升温与降温段的前4℃内
Figure BDA0003416187770000073
与Tbeam之间均呈现出了明显的线性关系且其线性段斜率kμ均为1.87。为了获取μ与kμ之间的映射关系，根据上述过程在有限元中对桥梁施加图6所示的温度荷载并分别令滑动层摩擦系数μ取0.1～0.4(步长为0.05)，经过多次计算后可得出各μ的作用下时第2跨简支梁上方剪力齿槽内侧的底座板应变
Figure BDA0003416187770000074
与桥梁温度之间的斜率kμ。其中μ为0.15、0.25、0.35时的结果如图7所示，最终得到滑动层摩擦系数μ与斜率kμ之间的拟合结果如图8所示，且μ与kμ之间的映射关系式如公式(5)所示：
Figure BDA0003416187770000075
步骤三、分析实测数据从而得出实际轨道的滑动层摩擦系数。
以2015年8月1日与8月2日的监测数据为例，首先得出升温段与降温段前4℃内底座板应变
Figure BDA0003416187770000076
与梁温监测数据Tbeam之间的斜率k，如图9所示，然后将8月1日的升温段斜率k＝1.9输入到公式(5)中，从而可得出当天实际轨道的滑动层摩擦系数μ＝0.305。

Claims (8)

1.一种CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、对多跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道的底座板应变进行监测，根据已有的梁轨相互作用理论对某跨简支梁上方的底座板应变实际监测值进行解耦，从而获取由纯梁轨相互作用引起的底座板应变；
步骤二、建立多跨简支梁上的CRTSⅡ型无砟轨道梁轨相互作用有限元模型，通过有限元计算提取出某跨简支梁上方剪力齿槽内侧由梁轨相互引起的底座板应变与桥梁温度之间的斜率，经过多次计算后建立此斜率与不同摩擦系数之间的映射关系式；
步骤三、获取经过解耦后的实测底座板应变与实测桥梁温度之间的斜率，将此斜率输入上述映射关系式中，从而得到此跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道的滑动层摩擦系数。
2.根据权利要求1所述的CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，其特征在于所述步骤一中，在对某跨简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道的底座板应变进行监测时，应同时在此跨简支梁的剪力齿槽内侧与跨中位置处布设应变传感器，且传感器的位置均位于底座板横截面的中心。
3.根据权利要求1所述的CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，其特征在于所述步骤一中，由纯梁轨相互作用引起的底座板应变的计算公式如下：
Figure FDA0003416187760000021
其中，
Figure FDA0003416187760000022
为剪力齿槽处由桥梁伸缩引起的底座板应变，
Figure FDA0003416187760000023
为剪力齿槽处的底座板实测应变，
Figure FDA0003416187760000024
为跨中位置处的底座板实测应变。
4.根据权利要求1所述的CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，其特征在于所述步骤一中，对底座板应变的监测值需进行均值滤波去噪预处理。
5.根据权利要求1所述的CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，其特征在于所述步骤二中，在分析剪力齿槽处底座板应变与桥梁温度之间的斜率时，只考虑每天升温段或降温段前4℃内的数据。
6.根据权利要求1所述的CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤如下：
步骤二一、通过Abaqus有限元软件建立多跨简支梁上的CRTSⅡ型无砟轨道梁轨相互作用有限元模型，将通过监测得到的某天的桥梁温度Tbeam作为桥梁温度荷载施加在有限元模型中，从而得到某跨简支梁上方剪力齿槽内侧底座板应变的有限元计算值
Figure FDA0003416187760000025
并得出当天升温段或降温段前4℃内
Figure FDA0003416187760000026
与Tbeam之间的斜率kμ；
步骤二二、利用步骤二一的方法将一系列滑动层摩擦系数μ分别赋予多跨简支梁上的CRTSⅡ型无砟轨道梁轨相互作用有限元模型，经过计算后得出各摩擦系数μ作用下某跨简支梁上方剪力齿槽内侧的底座板应变
Figure FDA0003416187760000027
与桥梁温度Tbeam之间的斜率kμ；
步骤二三、最终根据步骤二二中各有限元模型的计算结果得到各滑动层摩擦系数μ与斜率kμ之间的映射关系式。
7.根据权利要求1所述的CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，其特征在于所述步骤三的具体步骤如下：
步骤三一、对某天经过解耦后的剪力齿槽处的底座板应变
Figure FDA0003416187760000031
进行分析，得出当天升温段或降温段前4℃内实测底座板应变
Figure FDA0003416187760000032
与实测梁温Tbeam之间的斜率k；
步骤三二、将步骤三一得到的斜率k输入到映射关系式中，从而得出当天实际轨道结构中的滑动层摩擦系数μ。
8.根据权利要求1、6或7所述的CRTSⅡ型无砟轨道滑动层摩擦系数识别方法，其特征在于所述映射关系式如下：
μ＝f(kμ)；
其中，μ为滑动层摩擦系数，kμ为斜率。
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