CN114722327A - 基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法 - Google Patents

基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法，包括以下步骤：S1：采集列车运行引起的路基动应力时程信号和路基振动位移时程信号；S2：获取路基动应力归一化时程曲线和路基振动位移归一化时程曲线；S3：获取下包络曲线和上包络曲线；S4：确定路基动位移时程曲线；S5：确定铁路路基动位移值。本方法基于实测路基动应力时程曲线和路基振动位移时程曲线，运用信号处理技术修正得到路基动位移时程曲线，测试所用传感器直接安放于测点部位，不需选取额外的不动点和刚性支架，克服了现有测试方法受环境所限引发的不动点位置与刚性支架尺寸之间的矛盾。

Description

基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法
技术领域
本发明属于道路与铁道技术领域，具体涉及一种基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法。
背景技术
列车运行会对线路结构施加移动轴载，同时会产生由轨道不平顺和车轮失圆等引起的动态激励。线路结构直接承受列车荷载作用，其服役性能优劣关乎高铁运营安全。作为线下结构的一种主要型式，路基在设计、建造与运维过程中均需充分考虑列车动荷载的影响，路基结构的设计方法、验收评价及检测标准的合理制定，均有赖于大量可靠的动力响应测试成果。路基是由散粒材料填筑而成的土工结构物，动力测试不仅要反映结构表面的响应，结构内部也应受到关注。一般情况下，路基动力响应测试参量包括动应力、动位移、振动速度和振动加速度等。在实际测试过程中，动应力可通过在预定位置埋设动土压力计进行测量，采用拾振器测试路基任意位置的振动速度、振动加速度也较为便捷，而基于不动点的动位移测试目前依然存在较大技术问题。
路基动位移是绝对位移量，选取不动点作为基准是开展测试的基础和前提，基准点位置显著影响测试精度。现有方法主要采用LVDT、电涡流等传感器，将传感器夹持在从不动点引出的刚性支架上，不动点与测点受环境所限均位于路基结构上，存在以下问题：①使用小尺寸大刚度支架，不动点位置与测点较近，不动点本底响应势必增大测试误差；②增大不动点与测点距离，保证支架刚度势必造成尺寸扩大，大幅提高测试成本，也可能对高速列车安全运行产生影响，而限制支架尺寸则可能刚度不足，列车荷载引起支架结构变形同样会增大测试误差。因此，提供一种适用于列车荷载作用下路基结构动位移现场测试的可靠方法，具有重要意义。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法。
本发明的技术方案是：一种基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法，包括以下步骤：
S1：在路基结构预定部位埋设动土压力计和拾振器，分别采集列车运行引起的路基动应力时程信号和路基振动位移时程信号；
S2：根据路基动应力时程信号和路基振动位移时程信号，获取路基动应力归一化时程曲线和路基振动位移归一化时程曲线；
S3：根据路基动应力归一化时程曲线和路基振动位移归一化时程曲线，获取下包络曲线，并根据下包络曲线获取上包络曲线；
S4：根据路基振动位移时程信号、下包络曲线和上包络曲线，确定路基动位移时程曲线；
S5：根据路基动位移时程曲线，确定铁路路基动位移值。
进一步地，步骤S2中，获取路基动应力归一化时程曲线的具体方法为：读取路基动应力时程信号σ(t)的最大峰值σp，并以最大峰值σp为基准获取路基动应力归一化时程曲线Lσ(t)，其计算公式为：
Lσ(t)＝σ(t)/σp；
获取路基振动位移归一化时程曲线的具体方法为：读取路基振动位移时程信号s(t)的最高峰值与最低谷值的竖向距离sp-v，并以竖向距离sp-v为基准获取路基振动位移归一化时程曲线Ls(t)，其计算公式为：
Ls(t)＝s(t)/sp-v。
进一步地，所述步骤S3中，获取下包络曲线的具体方法为：根据路基动应力归一化时程曲线Lσ(t)、路基振动位移归一化时程曲线Ls(t)以及路基振动位移时程信号s(t)的最高峰值与最低谷值的竖向距离sp-v，确定第一差异曲线D1(t)，并在第一差异曲线D1(t)上选择列车转向架荷载作用区域的3个最低点及区域外的其它曲线点作为锚点，采用B样条曲线拟合得到下包络曲线Eb(t)；其中，第一差异曲线D1(t)的计算公式为：
D1(t)＝[Lσ(t)-Ls(t)]×sp-v。
进一步地，步骤S3中，获取上包络曲线的具体方法为：根据第一差异曲线D1(t)和下包络曲线Eb(t)，确定第二差异曲线D2(t)，以第二差异曲线D2(t)的列车转向架荷载作用区域的2个最高点、列车转向架荷载作用区域的1个谷值点以及区域外的其它曲线点作为锚点，采用B样条曲线拟合得到上包络曲线Eu(t)；其中，第二差异曲线D2(t)的计算公式为：
D2(t)＝D1(t)-Eb(t)。
进一步地，步骤S3中，根据路基动应力时程信号σ(t)中同一转向架载荷作用对应的谷值与峰值的比率确定谷值点位移。
进一步地，步骤S4中，路基动位移时程曲线ds(t)的计算公式为：
ds(t)＝s(t)+Eb(t)+Eu(t)
其中，s(t)表示路基振动位移时程信号，Eb(t)表示下包络曲线，Eu(t)表示上包络曲线。
进一步地，步骤S5中，确定铁路路基动位移值的具体方法为：读取路基动位移时程曲线上各峰值点的纵坐标，得到铁路路基动位移值。
本发明的有益效果是：
(1)本方法基于实测路基动应力时程曲线和路基振动位移时程曲线，运用信号处理技术修正得到路基动位移时程曲线，测试所用传感器直接安放于测点部位，不需选取额外的不动点和刚性支架，克服了现有测试方法受环境所限引发的不动点位置与刚性支架尺寸之间的矛盾，避免了不动点本底响应或支架刚度不足导致的测试误差，提高了测试效率，降低了测试成本。
(2)本发明采用土压力计测试路基动应力、拾振器测试路基振动位移的方法也适用于路基结构内部动力响应的测试，克服了现有测试方法需埋设刚性杆将路基内部变形引至表面的不足，减少了钻孔操作和对路基的扰动，提高了结构的安全性。
附图说明
图1为路基动位移确定方法的流程图；
图2为实施例分析结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：
B样条曲线拟合：主要是一个LSQ拟合问题，主要思想也是最小二乘法的思想。
如图1所示，本发明提供了一种基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法，包括以下步骤：
S1：在路基结构预定部位埋设动土压力计和拾振器，分别采集列车运行引起的路基动应力时程信号和路基振动位移时程信号；
S2：根据路基动应力时程信号和路基振动位移时程信号，获取路基动应力归一化时程曲线和路基振动位移归一化时程曲线；
S3：根据路基动应力归一化时程曲线和路基振动位移归一化时程曲线，获取下包络曲线，并根据下包络曲线获取上包络曲线；
S4：根据路基振动位移时程信号、下包络曲线和上包络曲线，确定路基动位移时程曲线；
S5：根据路基动位移时程曲线，确定铁路路基动位移值。
在本发明实施例中，在钢轨与轨枕交点正下方路基面上埋设土压力计和拾振器，列车运行通过测试断面后，得到如图2(a)所示的动应力时程信号σ(t)以及如图2(b)所示的振动位移时程信号s(t)。
在本发明实施例中，步骤S2中，获取路基动应力归一化时程曲线的具体方法为：读取路基动应力时程信号σ(t)的最大峰值σp，并以最大峰值σp为基准获取路基动应力归一化时程曲线Lσ(t)，其计算公式为：
Lσ(t)＝σ(t)/σp；
获取路基振动位移归一化时程曲线的具体方法为：读取路基振动位移时程信号s(t)的最高峰值与最低谷值的竖向距离sp-v，并以竖向距离sp-v为基准获取路基振动位移归一化时程曲线Ls(t)，其计算公式为：
Ls(t)＝s(t)/sp-v。
在本发明实施例中，如图2(c)所示，步骤S3中，获取下包络曲线的具体方法为：根据路基动应力归一化时程曲线Lσ(t)、路基振动位移归一化时程曲线Ls(t)以及路基振动位移时程信号s(t)的最高峰值与最低谷值的竖向距离sp-v，确定第一差异曲线D1(t)，并在第一差异曲线D1(t)上选择列车转向架荷载作用区域的3个最低点及区域外的其它曲线点作为锚点，采用B样条曲线拟合得到下包络曲线Eb(t)；其中，第一差异曲线D1(t)的计算公式为：
D1(t)＝[Lσ(t)-Ls(t)]×sp-v。
将路基动应力归一化时程曲线Lσ(t)和路基振动位移归一化时程曲线Ls(t)相减，并与sp-v相乘，得第一差异曲线D1(t)。
在本发明实施例中，如图2(d)所示，步骤S3中，获取上包络曲线的具体方法为：根据第一差异曲线D1(t)和下包络曲线Eb(t)，确定第二差异曲线D2(t)，以第二差异曲线D2(t)的列车转向架荷载作用区域的2个最高点、列车转向架荷载作用区域的1个谷值点以及区域外的其它曲线点作为锚点，采用B样条曲线拟合得到上包络曲线Eu(t)；其中，第二差异曲线D2(t)的计算公式为：
D2(t)＝D1(t)-Eb(t)。
将第一差异曲线D1(t)与下包络曲线Eb(t)相减，得第二差异曲线D2(t)。
在本发明实施例中，步骤S3中，根据路基动应力时程信号σ(t)中同一转向架载荷作用对应的谷值与峰值的比率确定谷值点位移。
在本发明实施例中，如图2(e)所示，步骤S4中，路基动位移时程曲线ds(t)的计算公式为：
ds(t)＝s(t)+Eb(t)+Eu(t)
其中，s(t)表示路基振动位移时程信号，Eb(t)表示下包络曲线，Eu(t)表示上包络曲线。
在本发明实施例中，步骤S5中，确定铁路路基动位移值的具体方法为：读取路基动位移时程曲线上各峰值点的纵坐标，得到铁路路基动位移值，如表1所示。
表1
Figure BDA0003618145350000051
本发明的工作原理及过程为：在路基动力响应测试中，动应力和振动信号(振动加速度、振动速度和振动位移)的测试较为便捷，动土压力计和拾振器可以方便地安置于路基表面或内部任意位置。动应力和振动信号均是以测点所在位置为基准点，开展测试并不需要外加的不动点。实测表明，路基动应力时程曲线为单边脉冲型曲线，而路基振动加速度和振动速度时程曲线表现为围绕平衡位置的双边振荡型曲线。特别地，路基振动位移时程曲线介于单边脉冲型和双边振荡型之间。
列车荷载作用下的路基动变形以短时加载引起的弹性变形为主，并与所承受动应力具有匹配关系，二者时程曲线形态具有相似性，路基动应力时程曲线和动位移时程曲线均为单边脉冲型曲线。路基结构由于承受列车荷载作用而产生动位移，一般情况下，路基动位移时程曲线较路基动应力时程曲线存在一定滞后效应，时程曲线的动位移变化灵敏度低于动应力变化灵敏度，主要表现为：动位移时程曲线中，列车转向架2轴荷载作用区域的“鞍形”波谷相较于两侧峰值的比率，大于动应力时程曲线的相应值。
基于拾振器测试所得路基振动信号中，路基振动加速度和振动速度是直接测试量，而路基振动位移是基于振动速度一次积分得到的非直接测试量。已有研究表明，在相同条件下测试所得路基振动位移时程曲线的峰-谷值和路基动位移时程曲线的峰值接近，路基振动位移时程曲线与路基动位移时程曲线的形态差异主要由电路积分运算的积累误差所致。基于路基振动位移时程曲线进行合理的基线修正，从而获得与实际情况具有良好一致性的路基动位移时程曲线，具备可行性及可操作性。技术方案中所述一次修正用于识别并消除拾振器累计积分误差引起的基线偏移，二次修正目的是恢复路基动位移相对于路基动应力的滞后效应。
本发明的有益效果为：
(1)本方法基于实测路基动应力时程曲线和路基振动位移时程曲线，运用信号处理技术修正得到路基动位移时程曲线，测试所用传感器直接安放于测点部位，不需选取额外的不动点和刚性支架，克服了现有测试方法受环境所限引发的不动点位置与刚性支架尺寸之间的矛盾，避免了不动点本底响应或支架刚度不足导致的测试误差，提高了测试效率，降低了测试成本。
(2)本发明采用土压力计测试路基动应力、拾振器测试路基振动位移的方法也适用于路基结构内部动力响应的测试，克服了现有测试方法需埋设刚性杆将路基内部变形引至表面的不足，减少了钻孔操作和对路基的扰动，提高了结构的安全性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在路基结构预定部位埋设动土压力计和拾振器，分别采集列车运行引起的路基动应力时程信号和路基振动位移时程信号；
S2：根据路基动应力时程信号和路基振动位移时程信号，获取路基动应力归一化时程曲线和路基振动位移归一化时程曲线；
S3：根据路基动应力归一化时程曲线和路基振动位移归一化时程曲线，获取下包络曲线，并根据下包络曲线获取上包络曲线；
S4：根据路基振动位移时程信号、下包络曲线和上包络曲线，确定路基动位移时程曲线；
S5：根据路基动位移时程曲线，确定铁路路基动位移值。
2.根据权利要求1所述的基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，获取路基动应力归一化时程曲线的具体方法为：读取路基动应力时程信号σ(t)的最大峰值σp，并以最大峰值σp为基准获取路基动应力归一化时程曲线Lσ(t)，其计算公式为：
Lσ(t)＝σ(t)/σp；
获取路基振动位移归一化时程曲线的具体方法为：读取路基振动位移时程信号s(t)的最高峰值与最低谷值的竖向距离sp-v，并以竖向距离sp-v为基准获取路基振动位移归一化时程曲线Ls(t)，其计算公式为：
Ls(t)＝s(t)/sp-v。
3.根据权利要求1所述的基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，获取下包络曲线的具体方法为：根据路基动应力归一化时程曲线Lσ(t)、路基振动位移归一化时程曲线Ls(t)以及路基振动位移时程信号s(t)的最高峰值与最低谷值的竖向距离sp-v，确定第一差异曲线D1(t)，并在第一差异曲线D1(t)上选择列车转向架荷载作用区域的3个最低点及区域外的其它曲线点作为锚点，采用B样条曲线拟合得到下包络曲线Eb(t)；其中，第一差异曲线D1(t)的计算公式为：
D1(t)＝[Lσ(t)-Ls(t)]×sp-v。
4.根据权利要求1所述的基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，获取上包络曲线的具体方法为：根据第一差异曲线D1(t)和下包络曲线Eb(t)，确定第二差异曲线D2(t)，以第二差异曲线D2(t)的列车转向架荷载作用区域的2个最高点、列车转向架荷载作用区域的1个谷值点以及区域外的其它曲线点作为锚点，采用B样条曲线拟合得到上包络曲线Eu(t)；其中，第二差异曲线D2(t)的计算公式为：
D2(t)＝D1(t)-Eb(t)。
5.根据权利要求1所述的基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据路基动应力时程信号σ(t)中同一转向架载荷作用对应的谷值与峰值的比率确定谷值点位移。
6.根据权利要求1所述的基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法，其特征在于，所述步骤S4中，路基动位移时程曲线ds(t)的计算公式为：
ds(t)＝s(t)+Eb(t)+Eu(t)
其中，s(t)表示路基振动位移时程信号，Eb(t)表示下包络曲线，Eu(t)表示上包络曲线。
7.根据权利要求1所述的基于动应力和振动位移时程信号的路基动位移确定方法，其特征在于，所述步骤S5中，确定铁路路基动位移值的具体方法为：读取路基动位移时程曲线上各峰值点的纵坐标，得到铁路路基动位移值。
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