基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空無(wú)損檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及安全檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及無(wú)砟軌道板脫空檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)砟軌道取消了傳統(tǒng)有砟軌道的軌枕和道床，采用預(yù)制的鋼筋混凝土板直接支承 鋼軌，并且在頂板與底座之間填充CA砂漿或自密實(shí)混凝土墊層，是一種全新的全面支撐的 板式軌道結(jié)構(gòu)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性、平順性良好；建筑高度低、自重輕，可減小橋梁二 期荷載和降低隧道凈空；軌道變形緩慢，耐久性好；不需要維修或者少維修且維修費(fèi)用低 等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)砟軌道對(duì)工程材料和基礎(chǔ)土建工程的要求都非常高，因此初期建設(shè)費(fèi)用高于有 砟軌道，但是它的穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)。因此，在鐵路客運(yùn)專線中采用板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu) 已成為現(xiàn)在高速鐵路建設(shè)的主流模式和必然趨勢(shì)。
[0003]目前采用的板式無(wú)砟軌道有三種結(jié)構(gòu)形式：
[0004]CRTSI型：由混凝土底座、CA砂漿層、軌道板、凸形擋臺(tái)等部分組成，凸形擋臺(tái)的 作用是防止單元軌道板發(fā)生橫向和縱向移動(dòng)；
[0005]CRTSII型：與I型相比，其軌道板的結(jié)構(gòu)是連續(xù)的，沒(méi)有凸形擋臺(tái)。CRTSII型無(wú) 砟軌道板的標(biāo)準(zhǔn)板長(zhǎng)6450mm、寬2550mm、厚度200mm，混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55。軌道板橫向 配置60根預(yù)應(yīng)力鋼筋，縱向配置6根由20精軋螺紋鋼筋.用于軌道板的縱向聯(lián)接，在縱、 橫向鋼筋的上、下層分別配置一層鋼筋網(wǎng)片，所有鋼筋交叉點(diǎn)均做絕緣處理；
[0006]CRTSIII型：總體結(jié)構(gòu)方案為帶擋肩的新型單元板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，主要由鋼軌、 扣件、預(yù)制軌道板、配筋的自密實(shí)混凝土（自流平混凝土填充層）、限位擋臺(tái)、中間隔離層 (土工布）和鋼筋混凝土底座等部分組成。標(biāo)準(zhǔn)板長(zhǎng)5350mm、寬2500mm、厚度190~210mm， 混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般為C60。
[0007] 這三種板式無(wú)砟軌道板都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即如圖1所示，在頂板2(也稱軌道 板）與底板3 (也稱底座）之間設(shè)置填充層1 (也稱調(diào)整層）。該填充層主要起到如下的作 用：
[0008] (1)填充調(diào)整：全面、均勻地支撐軌道板，并便于調(diào)整軌道的高低，提高施工效率 和下部基礎(chǔ)變形時(shí)的可維護(hù)性；
[0009] (2)承力傳力：承受由軌道板傳來(lái)的豎向力和縱橫水平力，并將其分散傳遞給底 座和限位裝置。
[0010] 填充層的狀態(tài)直接影響軌道板的壽命和列車的行駛安全。由于施工質(zhì)量、列車荷 載及溫度的作用等諸方面的原因，在頂板與填充層之間會(huì)出現(xiàn)相互脫離（亦即脫空的現(xiàn) 象），使得結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)惡化。嚴(yán)重時(shí)，軌道板還可能出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，進(jìn)一步危害列車的行 車安全。如圖1即填充層1與頂板2脫空的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2即填充層1破損造成脫空 的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 目前，關(guān)于脫空的檢測(cè)技術(shù)大致可以分為以下幾類：
[0012] (1)基于遠(yuǎn)紅外線成像：主要檢測(cè)材料導(dǎo)熱性能的不連續(xù)性，通常利用日射產(chǎn)生 的溫度變化，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)表面的溫度成像來(lái)推斷脫空的有無(wú)。
[0013] (2)基于電磁波（混凝土雷達(dá)）：主要檢測(cè)材料誘電性能（導(dǎo)電率）的不連續(xù)性， 利用發(fā)射的電磁波在不同介質(zhì)面上的反射來(lái)推斷脫空的有無(wú)。
[0014] (3)基于振動(dòng)、超聲波、彈性波等機(jī)械波或機(jī)械振動(dòng)：這三種方法都是利用材料力 學(xué)特性的不連續(xù)性，分別通過(guò)振動(dòng)模態(tài)的變化、反射信號(hào)的有無(wú)等來(lái)推斷脫空的有無(wú)。具體 又包括：
[0015] 基于振動(dòng)等方法：該方法利用錘擊等方式誘發(fā)軌道板的自由振動(dòng)，利用層間粘結(jié) 條件（邊界條件）的變化造成的自振模態(tài)的變化來(lái)推斷脫空的有無(wú)。當(dāng)出現(xiàn)脫空時(shí)，軌道 板與填充層的粘結(jié)面積下降造成約束減少，進(jìn)而軌道板的自振頻率出現(xiàn)降低；
[0016] 基于超聲波和彈性波的方法：脫空面的聲阻抗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于健全的部位，因此，激發(fā) 的超聲波或者彈性波在脫空面上即會(huì)產(chǎn)生反射。
[0017] 上述方法在檢測(cè)軌道板脫空時(shí)，由于軌道板的特性，使得每種方法的適用性受到 很大局限。其中，基于遠(yuǎn)紅外線、電磁微波和誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，由于測(cè)試媒質(zhì)本質(zhì)的關(guān)系，使 得其難以在軌道板脫空檢測(cè)中得到應(yīng)用。
[0018] 基于遠(yuǎn)紅外線成像的方法能檢測(cè)的脫空深度一般在IOcm之內(nèi)，而且需要在上午 和傍晚檢測(cè)（此時(shí)的氣溫變化最快），因此無(wú)法適用于軌道板的檢測(cè)（由于通車的關(guān)系，線 上板的檢測(cè)只能在夜間1點(diǎn)到4點(diǎn)）。
[0019] 基于電磁雷達(dá)的檢測(cè)方法受金屬介質(zhì)的影響很大，而在軌道板中密布大量的鋼筋 和預(yù)應(yīng)力筋，并有鐵軌的影響。因此，電磁雷達(dá)難以適用于軌道板的檢測(cè)。
[0020] 基于振動(dòng)的方法需要誘導(dǎo)板的自由振動(dòng)。由于板的質(zhì)量較大，因此，誘發(fā)板的自由 振動(dòng)需要較大的能量。特別是在線上的軌道板，由于鋼軌的約束，使得軌道板的誘發(fā)更加困 難。
[0021] 相對(duì)而言，以超聲波、沖擊彈性波為代表的基于聲阻抗變化的測(cè)試方法，在理論上 具有可行性。
[0022] 但超聲波法也存在以下問(wèn)題：
[0023] ⑴測(cè)試時(shí)需要將探頭與被測(cè)面用黃油等耦合劑耦合，測(cè)試效率低。
[0024] (2)激發(fā)信號(hào)能量低、信號(hào)頻率高（一般在數(shù)百KHz以上），在軌道板中衰減快，檢 測(cè)深度較淺。同時(shí)，受混凝土中骨料、鋼筋影響較大。
[0025] (3)超聲波在軌道板中傳播的波速變化較大，一般在4. 5~5. 5km/s。
[0026] (4)探頭的頻譜響應(yīng)曲線的直線性差，難以進(jìn)行頻域分析。
[0027] 綜上，利用彈性波檢測(cè)無(wú)砟軌道板脫空是比較理想的方法。但是由于填充層（CA 砂漿或者自密實(shí)混凝土）的聲阻抗要低于軌道板的聲阻抗，因此，激發(fā)的沖擊彈性波在遇 到填充層時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生反射。填充層的反射信號(hào)和脫空面的反射信號(hào)混在一起，為脫空面反 射的識(shí)別帶來(lái)很大的困難。另外，如何通過(guò)反射信號(hào)對(duì)無(wú)砟軌道板是否脫空進(jìn)行合理判斷， 也是亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0028] 本發(fā)明的目的即在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫 空無(wú)損檢測(cè)方法。該方法通過(guò)優(yōu)化激振頻率，提高脫空面反射信號(hào)的識(shí)別能力，同時(shí)本方法 還能通過(guò)脫空判定闕值實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)昨軌道板是否脫空進(jìn)行合理判定。
[0029] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空率檢測(cè)方法。
[0030] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0031] 基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空無(wú)損檢測(cè)方法，包括如下步驟：
[0032]A.確定激振彈性波頻率與脫空面彈性波反射率之間的函數(shù)關(guān)系；
[0033] B.確定激振彈性波頻率與填充層彈性波反射率之間的函數(shù)關(guān)系；
[0034]C.根據(jù)步驟A和步驟B得到的函數(shù)關(guān)系，繪制基于激振彈性波頻率和
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟： A. 確定激振彈性波頻率與脫空面彈性波反射率之間的函數(shù)關(guān)系； B. 確定激振彈性波頻率與填充層彈性波反射率之間的函數(shù)關(guān)系； C. 根據(jù)步驟A和步驟B得到的函數(shù)關(guān)系，繪制基于激振彈性波頻率和
的X-Y軸坐標(biāo)圖，找出各波峰對(duì)應(yīng)的激振彈性波頻率； D. 折減各波峰對(duì)應(yīng)的·
值，得到在各波峰對(duì)應(yīng)的激振彈性波頻率 下的脫空判定闕值； E. 利用激振裝置對(duì)頂板上的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行激振，產(chǎn)生具備步驟C、D中所述頻率中的一種的 激振彈性波； F. 根據(jù)激振彈性波和反射彈性波得到測(cè)點(diǎn)彈性波反射率，如健測(cè)全點(diǎn)處彈彈性性波波 反反射射率率大于激振彈性波的頻率對(duì)應(yīng)的脫空判定闕值，則該測(cè)點(diǎn)處脫空。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 所述步驟A中，確定激振彈性波頻率與脫空面彈性波反射率之間的函數(shù)關(guān)系的方法如下：
Φ = 4 JifsHAp= 2 JifsT 得到：Rv= 2 |cos (Φ/2) I ; 當(dāng)Φ為2N π時(shí)，脫空面反射信號(hào)最強(qiáng)，脫空面彈性波反射率最高，為200% ; 當(dāng)Φ為（2Ν+1) π時(shí)，脫空面反射信號(hào)最弱，脫空面彈性波反射率最低，為〇 ; 其中：RV為脫空面彈性波反射率，Φ為頂板反射信號(hào)與激振信號(hào)的相位差，1為激振彈 性波頻率，N為整數(shù)，T為彈性波在頂板中的往復(fù)時(shí)間，T = 2H/VP，H為頂板的厚度，Vp為頂 板中彈性波的波速。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 所述步驟B中，確定激振彈性波頻率與填充層彈性波反射率之間的函數(shù)關(guān)系的方法如下：
Zi= P 1 · Vpl Z2= P 2 · Vp2 其中，Rf為填充層彈性波反射率，f s為激振彈性波頻率，k 2= 2 π f s/Vp2，P 頂板的 密度，P2S填充層密度，Vpl為頂板中彈性波的波速，Vp2為填充層中彈性波的波速，L為填 充層的厚度，Z 1為在頂板內(nèi)彈性波的機(jī)械阻抗，z 2為在填充層內(nèi)彈性波的機(jī)械阻抗。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 所述步驟D中，脫空判定闕值的確定方法如下： κ = ι+(η-1) Φ; 其中，κ為脫空判定闕值，φ為波峰對(duì)應(yīng)的激振彈性波頻率下的折減系數(shù)，η為波峰 對(duì)應(yīng)的
·值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中任意一項(xiàng)所述的基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空無(wú)損檢測(cè)方 法，其特征在于，所述步驟E中，激振裝置按如下方法進(jìn)行配置：
其中，fs激振彈性波頻率，T。為激振裝置與頂板的接觸時(shí)間；
其中，E1為激振裝置打擊球體的彈性模量，E2為混凝土的彈性模量，μ i為構(gòu)成激振裝 置打擊球體的材料的泊松比，μ 2為混凝土的泊松比，Hi1為激振裝置的質(zhì)量，R1為激振裝置 打擊球體的曲率半徑，V tl為激振裝置與頂板碰撞時(shí)的速度。
6. 基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空率檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟： Α.在頂板上劃分網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格即為一個(gè)測(cè)點(diǎn)； Β.采用權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的方法，分別對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)； C.計(jì)算脫空的測(cè)點(diǎn)占所有測(cè)點(diǎn)的比例，該比例即為無(wú)砟軌道板脫空率。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空無(wú)損檢測(cè)方法。本發(fā)明通過(guò)確定激振彈性波頻率與脫空面彈性波反射率之間的函數(shù)關(guān)系，確定激振彈性波頻率與填充層彈性波反射率之間的函數(shù)關(guān)系，找到可以使取得最大值的激振彈性波頻率，直接激發(fā)具備該頻率的激振彈性波，如此即可使脫空面反射信號(hào)處于最易被識(shí)別的狀態(tài)，極大提高了無(wú)砟軌道板脫空判斷的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上還提出了判斷脫空有無(wú)的基準(zhǔn)。本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于彈性波的無(wú)砟軌道板脫空率檢測(cè)方法。
【IPC分類】G01V1-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104765062
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510170451
【發(fā)明人】吳佳曄, 謝永江, 李化建, 易忠來(lái), 朱紀(jì)剛, 姚鑫, 吳曾煒
【申請(qǐng)人】四川升拓檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年4月13日