一种基于轨道动态不平顺识别高速铁路桥变形的方法

技术领域

本发明涉及桥梁监测技术领域，尤其是一种基于轨道动态不平顺识别高速铁路桥梁变形的方法。

背景技术

我国高速铁路广泛采用桥梁结构，桥梁在高速铁路线路总里程中所占比例较高。由于列车荷载、温度荷载、混凝土收缩徐变等因素的影响，高速铁路桥梁不可避免地会发生桥墩沉降、梁体错台、梁端转角等累积附加变形，这些变形会引起轨道几何平顺性的恶化，影响轮轨系统动力相互作用，从而导致高速列车运行品质的降低。因此，为了确保高速列车的安全平稳运行，有必要对高速铁路桥梁的形变状态进行识别。

现有的桥梁结构变形检测方法主要包括接触式和非接触式两类。接触式变形测量依赖电子类位移传感器，一般用于单点位移监测，检测效率较低，耗费人力物力成本高。非接触式测量方法包括机器视觉测量、微波雷达传感技术、摄影测量方法、三维激光扫描和全球定位系统(GNSS)。其中机器视觉测量和摄影测量受到环境影响明显。三维激光扫描只能获取近距离的结构变形，难以实现多点同步测量。GNSS的测量范围受到信号强度的影响，造成定位误差增大。此外，上述桥梁监测系统需要投入大量的人力、物力和财力。因此，需要提出能够实现低成本、高效率的高速铁路桥梁变形的识别方法。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种基于轨道动态不平顺识别高速铁路桥变形的方法，利用有限元法、多体动力学联合仿真模型，计算车体振动加速度、车体与轮对的相对位移；基于轨道检查车的检测原理，虚拟测试桥梁变形条件下的轨道动态不平顺；然后从轨道动态不平顺中分离出桥梁结构不平顺，根据桥梁结构不平顺的一阶导限值，判断桥梁是否发生变形并识别变形类型。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于轨道动态不平顺识别高速铁路桥梁变形的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1、建立车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学模型，通过该模型计算车体振动加速度、车体与轮对的相对位移，并对随机不平顺进数值模拟；

S2、利用轨道-桥梁静力模型，计算桥梁典型变形状态下，钢轨随桥梁里程变化的形变量；

S3、将钢轨变形与随机不平顺进行叠加，作为所述车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学模型的激励源，计算桥梁变形下轨道动态不平顺幅值的变化；

S4、测量桥梁变形条件下的轨道动态不平顺；

S5、从所述轨道动态不平顺中提取桥梁结构不平顺，对所述桥梁结构不平顺求解一阶导，根据一阶导限值判断桥梁是否发生变形并识别变形类型。

所述车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学模型是利用有限元法、多体动力学进行联合仿真建立的。

利用所述多体动力学建立车辆模型和柔性轨道模型，在此基础上建立车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学模型；通过仿真模型计算车体振动加速度、车体与轮对的相对位移，选取合适的轨道不平顺谱，利用离散傅里叶变换将轨道不平顺谱转换为时域不平顺样本，通过计算得到时域上的随机不平顺样本。

不平顺激励采用三种桥梁变形叠加后的高低不平顺及水平、轨距、轨向不平顺，计算得到桥梁变形对轨道动态不平顺幅值的影响。

所述轨道动态不平顺是通过基于惯性基准法的检测原理并利用虚拟检测技术获得或轨检车的实测数据分析得到。

本发明的优点是：利用轨道动态不平顺识别和提取连续梁桥变形状态，可通过虚拟检测技术进行仿真测试或轨检车的实测数据进行分析，能够实现低成本、高效率的高速铁路桥梁服役状态识别研究，为高速铁路桥梁的整体系统的运行与评估提供理论依据。

附图说明

图1为惯性基准法原理检测轨道高低不平顺图；

图2为桥墩沉降下单元板式无砟轨道结构中的钢轨变形图；

图3为桥墩不同沉降量下轨道动态不平顺图；

图4为桥墩沉降下桥梁结构不平顺图；

图5为桥墩沉降下桥梁结构不平顺一阶导变化趋势图；

图6为梁体错台下单元板式无砟轨道结构中的钢轨变形图；

图7为不同梁体错台量下轨道动态不平顺图；

图8为不同梁体错台量下桥梁结构不平顺图；

图9为梁体错台下桥梁结构不平顺一阶导变化趋势图；

图10为梁端转角下单元板式无砟轨道结构中的钢轨变形图；

图11为梁端不同转角量下轨道动态不平顺图；

图12为梁端不同转角量下桥梁结构不平顺图；

图13为梁端转角下桥梁结构不平顺一阶导变化趋势图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-13所示，图中标记1-5分别表示为：钢轨1、扣件2、轨道板3、底座板4、梁体5。

实施例：本实施例中的基于轨道动态不平顺识别高速铁路桥梁变形的方法是利用轨道动态不平顺识别和提取连续梁桥变形状态，可通过虚拟检测技术进行仿真测试或轨检车的实测数据进行分析，能够实现低成本、高效率的高速铁路桥梁服役状态识别研究，为高速铁路桥梁的整体系统的运行与评估提供理论依据。

如图2所示，在本实施例中，桥墩发生沉降量为d的沉降，在桥墩上方架设有梁体5，该梁体5的上方架设有底座板4，底座板4的上方架设有轨道板3，钢轨1通过扣件2安装在轨道板3上。

具体而言，本实施例中的方法包括以下步骤：

步骤1：使用有限元软件建立轨道-桥梁静力模型，然后利用多体动力学软件建立动车模型和柔性轨道模型，在此基础上建立车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学模型；通过仿真模型计算车体振动加速度、车体与轮对的相对位移，选取合适的轨道不平顺谱，利用离散傅里叶变换将轨道不平顺谱转换为时域不平顺样本，通过计算得到时域上的随机不平顺样本。

步骤2：通过步骤1建立的桥梁-轨道静力模型，应用数值法进行计算，施加沉降位移的边界条件，计算得到桥梁典型变形，即包括如图2所示的桥墩沉降、如图6所示的竖向错台、如图10所示的梁端转角的状态下，轨道结构中钢轨随桥梁里程变化的形变量，即钢轨变形。

步骤3：将钢轨1的变形与原始轨道随机不平顺样本进行叠加，得到桥梁变形下的叠加不平顺，将叠加不平顺和随机不平顺作为车辆-轨道-桥梁耦合系统动力模型的激励源，计算车体振动加速度、车体与轮对的相对位移，研究脱轨系数，轮重减载率等车辆动力学性能评价指标随桥梁变形量的变化，不平顺激励采用三种桥梁变形叠加后的高低不平顺及水平、轨距、轨向不平顺，计算得到桥梁变形对轨道动态不平顺幅值的影响。

步骤4：基于轨道检查车的检测原理，通过虚拟测试桥梁变形条件下轨道动态不平顺，对比无桥梁变形情况下轨道动态不平顺，分析桥梁变形下轨道动态不平顺的幅值变化，进而分析桥梁变形量与桥梁结构不平顺的幅值、波形状态的关系。同时，也可采用轨检车实测数据并对其分析，利用实测数据可快速识别桥梁在某时间段内的变形程度。

步骤5：从轨道动态不平顺中剔除无变形下轨道动态不平顺得到由桥梁变形引起的轨道不平顺——桥梁结构不平顺，对桥梁结构不平顺进行积分、滤波等处理后，并对其求解一阶导，根据一阶导幅值变化趋势提出了识别桥梁变形的一阶导限值，识别桥梁变形的桥梁结构不平顺一阶导限值为±1‰，当其一阶导大于±1‰时，可以认为该桥梁存在变形，并可根据其波形特征辨识桥梁变形类型。

在本实施例中，虚拟检测技术通过建立多体动力学软件UM与有限元软件ANSYS联合仿真的车轨桥耦合系统动力模型，仿真模拟高速综合检测列车在轨道线路进行测试，采集相应位置处的传感器数据，利用惯性基准法对数据进行计算分析后，得到轨道动态不平顺。

在本实施例中，惯性基准法：当车轮与钢轨保持相互接触时，轨道高低不平顺y(x)等于车轮上轴箱的垂向变化值，如图1所示，其中A为加速度计，M为质量块，K为弹簧，C为阻尼，R为车轮半径。设轨道高低不平顺y(x)，Z为质量块M相对惯性基准线的位移，W为质量块M相对于轴箱的位移。位移Z由A加速度计的数据积分得到，即得到惯性基准法计算轨道高低不平顺的公式，

如图3至图5所示，当利用本实施例中的方法识别桥墩发生沉降状态下高速铁路桥梁的变形情况。如图7至图9所示，当利用本实施例中的方法识别梁体发生竖向错台状态下高速铁路桥梁的变形情况。如图11至图13所示，当利用本实施例中的方法识别梁端转角的状态下高速铁路桥梁的变形情况。通过附图可以显著看出，本实施例中的方法可以利用轨道动态不平顺识别和提取连续梁桥变形状态为高速铁路桥梁的整体系统的运行与评估提供理论依据。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。