胡志鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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基于沖擊回波法識(shí)別無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)中的蜂窩傷損深度研究

胡志鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

為了研究高速鐵路無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)不同程度的傷損問(wèn)題，借助于有限元軟件ANSYS LS-DYNA 3D數(shù)值模擬沖擊回波，研究應(yīng)力波在軌道板中的傳播速度和傳播規(guī)律，采用沖擊回波法識(shí)別軌道板中蜂窩傷損的深度。研究結(jié)果表明: 應(yīng)力波在蜂窩傷損和砂漿界面發(fā)生反射，在頻譜圖中形成不同峰值，通過(guò)頻譜傷損定位原理可以確定出軌道板中蜂窩傷損的具體深度。

沖擊回波法；蜂窩傷損；無(wú)砟軌道；高速鐵路

1　概述

隨著我國(guó)高速鐵路的大量興建，無(wú)砟軌道得到了快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。截止2015年年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程約1.9萬(wàn)km。但在建設(shè)過(guò)程中，由于環(huán)境條件、技術(shù)缺陷及施工質(zhì)量的影響，致使軌道板、道床板中出現(xiàn)蜂窩傷損[1]。這些傷損隨著列車荷載的作用會(huì)逐漸惡化，進(jìn)而影響列車的安全運(yùn)營(yíng)，準(zhǔn)確識(shí)別出軌道板和道床板中的蜂窩傷損顯得尤為重要。

目前，檢測(cè)混凝土傷損的方法較多，但由于無(wú)砟軌道為不同材料層狀結(jié)構(gòu)，且軌道板中配置一定數(shù)量鋼筋的影響，使得一些方法受到限制。沖擊回波法是一項(xiàng)新的檢測(cè)技術(shù)，該方法基于應(yīng)力波反射法對(duì)傷損進(jìn)行識(shí)別，在公路、樁基等混凝土結(jié)構(gòu)傷損檢測(cè)中應(yīng)用較多，還未應(yīng)用到無(wú)砟軌道傷損檢測(cè)中來(lái)[2-4]。因此，本文探索將沖擊回波法應(yīng)用到無(wú)砟軌道傷損檢測(cè)，利用有限元軟件ANSYS LS-DYNA 3D模擬驗(yàn)證該方法在無(wú)砟軌道傷損檢測(cè)中的可行性以及準(zhǔn)確性[8-13]，以無(wú)砟軌道中混凝土蜂窩傷損為背景，識(shí)別無(wú)砟軌道中蜂窩傷損的深度。

2　理論背景

2.1沖擊回波原理

沖擊回波法是基于應(yīng)力波在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播時(shí)，遇到不同波阻抗界面發(fā)生反射的原理。當(dāng)用激勵(lì)設(shè)備敲擊無(wú)砟軌道板表面時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)瞬時(shí)的應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波在傳播過(guò)程中遇到蜂窩、離縫，或CA砂漿、混凝土邊界面時(shí)，由于兩種界面的波阻抗存在差異，因此會(huì)在這些界面處發(fā)生反射。正是由于應(yīng)力波在傷損或邊界面處的不斷反射，使得在結(jié)構(gòu)物表面形成一個(gè)瞬時(shí)的類諧振條件，若將傳感器放置于激勵(lì)設(shè)備附近時(shí)，便可接收到應(yīng)力波在多次反射下的振動(dòng)信號(hào)[3-4]。再將時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，根據(jù)頻域值來(lái)反算傷損深度。其原理見(jiàn)圖1。

圖1　沖擊回波法原理示意

2.2頻譜傷損定位原理

沖擊回波法在早期是采用時(shí)域信號(hào)來(lái)識(shí)別損傷，通過(guò)記錄結(jié)構(gòu)物上應(yīng)力波到達(dá)的時(shí)間差來(lái)確定傷損深度，由于時(shí)域信號(hào)因不同的操作和記錄得出不同的結(jié)果，存在較大的誤差，影響測(cè)試結(jié)果，因此這種時(shí)域方法有很大的局限性。隨后，美國(guó)康奈爾大學(xué)Sansalone和Carino教授利用頻域分析的方法來(lái)識(shí)別傷損，即將實(shí)際測(cè)得的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，提升了識(shí)別的精度，促進(jìn)了該方法在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用并提高了檢測(cè)精度[6-7]。

根據(jù)沖擊回波法的原理，應(yīng)力波在不同阻抗界面處或邊界面處不斷反射，形成瞬時(shí)的周期性振動(dòng)，當(dāng)放置于沖擊點(diǎn)附件的傳感器接受信號(hào)時(shí)，應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中已傳播2D的距離，此處的D即為測(cè)試面與反射面之間的距離，又因?yàn)槭撬矔r(shí)周期性振動(dòng)，所以傳播頻率可認(rèn)為是時(shí)程的倒數(shù)。因此，可得到計(jì)算公式

(1)

式中，Cpp為應(yīng)力波通過(guò)板厚度方向的波速；D為反射面到測(cè)試面的距離。

3　數(shù)值模擬

3.1模型建立

沖擊回波法數(shù)值模擬中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將非勻質(zhì)混凝土軌道板結(jié)構(gòu)視為各項(xiàng)同性的均勻結(jié)構(gòu)。建立軌道板-砂漿-支承層有限元模型，為了計(jì)算時(shí)與實(shí)際情況相符，軌道板、CA砂漿和支承層都選用實(shí)體單元SOLID164進(jìn)行建模，該單元是三維實(shí)體單元，具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有9個(gè)自由度；該單元在默認(rèn)情況下采用單點(diǎn)積分算法。由于研究?jī)?nèi)容涉及波的傳播，建模時(shí)需進(jìn)行邊界條件處理，除了將支承層底部全約束外，還需考慮無(wú)反射邊界條件，為避免邊界處波的反射對(duì)求解域的影響，將軌道板和砂漿四周進(jìn)行無(wú)反射處理。

軌道板、CA砂漿和支承層的建模參數(shù)如表1所示。

表1　無(wú)砟軌道材料參數(shù)

3.2加載

(1)激振力

為了模擬沖擊回波，錘擊軌道板的瞬態(tài)激振力可以采用半正弦脈沖來(lái)模擬，根據(jù)大量的測(cè)試研究結(jié)果，式(2)更接近于實(shí)測(cè)的力波，能夠較理想地描述錘激力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇激振力持續(xù)作用時(shí)間為32 μs，在16 μs時(shí)載荷達(dá)到最大值。激振力垂直加載到與蜂窩傷損相對(duì)應(yīng)的軌道板表面上。

(2)

(2)步長(zhǎng)選取

基于應(yīng)力波的傳播來(lái)識(shí)別傷損深度，這就涉及到應(yīng)力波的波動(dòng)問(wèn)題，因此積分時(shí)間步長(zhǎng)Δt要保證應(yīng)力波在單元之間傳播時(shí)足以捕捉到波動(dòng)效應(yīng)。應(yīng)力波在無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)中以縱波形式傳播，要能在計(jì)算中捕捉到這種波，則Δt應(yīng)滿足

(3)

3.3應(yīng)力波在無(wú)砟軌道中的傳播

(1)波速的確定

波速的確定可以通過(guò)2種方法來(lái)求取：

①?gòu)囊阎臉?gòu)件厚度，通過(guò)頻域計(jì)算反算出應(yīng)力波在軌道板中的波速；

②通過(guò)提取兩節(jié)點(diǎn)之間的應(yīng)力時(shí)間差值反算出波速。

利用沖擊回波原理定位軌道板中傷損深度時(shí)，首先得確定應(yīng)力波在軌道板中的波速。因此，建立1塊0.19 m厚的混凝土軌道板試件，在軌道板上施加瞬時(shí)沖擊力，通過(guò)建立模型計(jì)算距敲擊點(diǎn)0.04 m處響應(yīng)點(diǎn)的結(jié)果，如圖2所示。

從圖2中可以看出，將速度-時(shí)程曲線經(jīng)過(guò)傅里葉變換之后得到頻譜圖，兩個(gè)峰值處所對(duì)應(yīng)的頻率分別為10.22、23.21 kHz，在20 kHz內(nèi)第一個(gè)峰值為應(yīng)力波縱波經(jīng)混凝土—空氣界面即波阻抗發(fā)生變化的界面處發(fā)生反射引起瞬時(shí)共振的結(jié)果，由于結(jié)構(gòu)厚度已知，經(jīng)反算得出應(yīng)力波在軌道板中的傳播速度為4 013 m/s，為了驗(yàn)證該波速的準(zhǔn)確性，下面通過(guò)兩節(jié)點(diǎn)之間的應(yīng)力傳播時(shí)間差來(lái)計(jì)算波速，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2　時(shí)域和頻域計(jì)算結(jié)果

圖3　提取不同節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力值

從圖3可以看出，通過(guò)提取頂面和距頂面0.08 m處的應(yīng)力值，兩節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間差為1.99×10-5s，經(jīng)計(jì)算得出應(yīng)力傳播速度為4 015 m/s，基本與頻域確定出的波速一致，因此，將應(yīng)力波波速取為4 015 m/s，為后續(xù)計(jì)算提供重要參數(shù)。

(2)應(yīng)力波在軌道板中的傳播規(guī)律

為了進(jìn)一步探索應(yīng)力波在無(wú)砟軌道中存在傷損時(shí)傳播和反射的規(guī)律，建立了軌道板-CA砂漿-支承層結(jié)構(gòu)，并在軌道板中設(shè)置一定尺寸的缺陷，軌道板尺寸為0.6 m×1.5 m×0.19 m，CA砂漿層和支承層長(zhǎng)寬跟軌道板一致，CA砂漿和支承層厚度分別為0.03 m和0.1 m，傷損尺寸為0.2 m×0.1 m×0.03 m，蜂窩損傷離軌道板表面0.095 m。由于研究的重點(diǎn)是軌道板和砂漿中應(yīng)力波的傳播，故將支承層厚度取為0.1 m。

沖擊荷載選用半正弦荷載，最大幅值為1 kN，沖擊作用時(shí)間為32 μs。在軌道板上施加瞬時(shí)沖擊荷載后，應(yīng)力波會(huì)在軌道板內(nèi)部傳播，為了能直觀的描述應(yīng)力的變化過(guò)程，繪制了如圖4所示的5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力云圖，通過(guò)這些不同時(shí)間點(diǎn)上的應(yīng)力變化，進(jìn)一步直觀的描述應(yīng)力波在無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律。

圖4　無(wú)砟軌道在沖擊力作用下不同時(shí)刻應(yīng)力云圖

從圖4可以看出，當(dāng)在軌道板上某一節(jié)點(diǎn)處施加瞬時(shí)荷載后，應(yīng)力會(huì)沿著軌道板橫向和縱向傳播。在70 μs時(shí)，應(yīng)力波首次到達(dá)混凝土-空氣邊界面，可以看出此時(shí)一部分應(yīng)力波在邊界處發(fā)生發(fā)射，一部分繼續(xù)沿垂向傳播。在110 μs時(shí)，應(yīng)力波垂向到達(dá)混凝土/CA砂漿界面處，從該時(shí)刻的應(yīng)力云圖中可以看出應(yīng)力波在不同材質(zhì)界面處發(fā)生反射，這也證實(shí)了應(yīng)力波在遇到不同波阻抗介質(zhì)時(shí)發(fā)生反射的結(jié)論。為了更詳細(xì)地研究應(yīng)力波在軌道板中的傳播規(guī)律，分別提取傷損上部和傷損下部節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力值，如圖5所示。

圖5　無(wú)砟軌道在瞬時(shí)力作用下不同時(shí)刻應(yīng)力

圖5為傷損垂向距軌道板不同距離節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力值，從圖中可以看出，在同一應(yīng)力值處時(shí)間歷程逐漸增加，說(shuō)明了應(yīng)力波中縱波沿軌道板縱向逐漸傳遞。從計(jì)算結(jié)果中還可以看出應(yīng)力波在軌道板中傳播時(shí)，應(yīng)力隨著深度的增加逐漸減小，尤其是經(jīng)過(guò)傷損時(shí)應(yīng)力的衰減更大。

圖6和圖7為傷損下部節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力結(jié)果，從圖中可以看出，在134 μs前應(yīng)力為零，在之后才出現(xiàn)應(yīng)力，說(shuō)明應(yīng)力繞過(guò)傷損后傳播到傷損下部，并且應(yīng)力的最大值只有20 Pa，隨著深度的增加應(yīng)力逐漸減小。

圖6　1/4模型傷損下面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

圖7　傷損下面節(jié)點(diǎn)不同時(shí)刻應(yīng)力

(3)軌道板板厚頻率

由于無(wú)砟軌道系統(tǒng)中軌道板為板狀結(jié)構(gòu)，為了研究無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中不同厚度軌道板的板厚頻率，分別建立了不同厚度的無(wú)砟軌道模型，其中軌道板厚度為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 m；CA砂漿和支承層厚度分別為0.03、0.10 m。通過(guò)計(jì)算擬合出軌道板板厚頻率與厚度之間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8　軌道板厚度頻率隨板厚的變化規(guī)律

從圖8可以看出，通過(guò)對(duì)6個(gè)不同厚度的軌道板進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算后，得出軌道板厚度頻率隨著厚度的增加而逐漸減小，但在我國(guó)實(shí)際的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中軌道板的厚度為0.2 m左右，因此與其相對(duì)應(yīng)的厚度頻率為10 kHz。這說(shuō)明當(dāng)軌道板中存在傷損時(shí)，其傷損處的計(jì)算頻率會(huì)大于10 kHz，這一條件為準(zhǔn)確識(shí)別出傷損深度提供便利。

3.4軌道板中不同深度蜂窩傷損的識(shí)別

為了研究沖擊回波法確定不同深度的蜂窩傷損，分別建立傷損距軌道板頂面0.095 m和0.13 m兩種工況，見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

表2　軌道板中不同深度蜂窩傷損

圖9　兩種工況下頻譜計(jì)算結(jié)果

從圖9(a)頻域圖中可以看出，在20 kHz內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰值，分別為18.6、13.6 kHz，還有兩個(gè)頻域峰值分別為7.55、9.96 kHz。由于應(yīng)力波要繞過(guò)軌道板內(nèi)部缺陷才能被底部邊界面反射，使得傳播路徑增大，而應(yīng)力波在蜂窩傷損處的反射路徑較短。因此，在頻譜圖中結(jié)構(gòu)厚度頻率向低頻部分移動(dòng)，而傷損處頻率則向高頻漂移，這也是判斷傷損的主要依據(jù)。

圖9(b)中，18.6、13.6 kHz兩處峰值所對(duì)應(yīng)的深度分別為0.096、0.13 m，最大峰值18.6 kHz所對(duì)應(yīng)的厚度為0.096 m，即為傷損深度，與預(yù)設(shè)傷損深度0.095 m一致。因?yàn)閼?yīng)力波在軌道板中傳遞過(guò)程中最先遇到波阻抗發(fā)生變化的傷損界面，應(yīng)力波首先在混凝土-空氣界面發(fā)生反射，使得敲擊點(diǎn)附近最先發(fā)生共振，且共振頻率最大。而13.6 kHz峰值處對(duì)應(yīng)深度為0.13 m即傷損底面，應(yīng)力波在空氣-混凝土界面處發(fā)生反射。9.96 kHz峰值經(jīng)計(jì)算所對(duì)應(yīng)深度為0.192 m，該深度對(duì)應(yīng)混凝土-砂漿界面。頻域圖中的峰值從大到小也分別反映出了應(yīng)力波在不同波阻抗界面處發(fā)生的反射，通過(guò)最大頻域峰值可以計(jì)算出傷損的具體深度。

圖9(b)中，20 kHz內(nèi)出現(xiàn)3個(gè)明顯的峰值，分別為16.1、9.94、7.45 kHz。根據(jù)工況一計(jì)算得出的結(jié)論驗(yàn)證工況二傷損的深度，通過(guò)20kHz內(nèi)的最大頻率峰值16.1 kHz，反算得出傷損深度0.128 m。與傷損深度基本一致。從以上兩種工況的計(jì)算結(jié)果中可以看出沖擊回波法能準(zhǔn)確的檢測(cè)出軌道板中不同深度的蜂窩傷損。

4　結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬沖擊回波檢測(cè)無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)中的蜂窩傷損，可以得出以下結(jié)論。

(1)應(yīng)力波中縱波沿軌道板縱向逐漸傳遞，且在軌道板中傳播時(shí)發(fā)生衰減現(xiàn)象。

(2)軌道板板厚頻率隨著厚度的增加而逐漸減小。

(3)應(yīng)力波在蜂窩和混凝土-砂漿界面均發(fā)生反射，由于蜂窩在軌道板中，所以在頻譜圖中出現(xiàn)的峰值較軌道板-CA砂漿界面處大。

(4)沖擊回波法可以準(zhǔn)確的識(shí)別出板式軌道中不同深度的蜂窩傷損。

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Identify the Depth of Honeycomb in Ballastless Track Concrete Structure Based on Impact-echo Method

HU Zhi-peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China)

To study the different degrees of damages in ballastless track concrete structure encountered in the operation of railway ballastless track，this paper uses the finite element software ANSYS LS-DYNA3D to simulate the impact-echo and learn the propagation speed and rules of the stress wave in the track slab，and employs the impact-echo method to identify the depth of damage in the track slab.The results show that the stress waves reflect on honeycomb and mortar interface and generate different peak values in frequency spectrum graph，and the specific depth of honeycomb can be calculated according to the principle of frequency spectrum to locate damages.

Impact-echo method; Honeycomb damage; Ballastless track; High-speed railway

2016-01-26；

2016-04-01

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012GZ0104)

胡志鵬(1990—)，男，助理工程師，E-mail：zpenghu@163.com。

1004-2954(2016)10-0022-05

U214.1+8

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.006