目录

前言

第1章绪论1

1.1高速铁路技术与装备体系1

1.1.1高速铁路固定设备1

1.1.2高速铁路移动设备3

1.1.3高速铁路运营控制3

1.2高速铁路运营安全要素分析3

1.2.1人员安全要素4

1.2.2机车车辆安全要素4

1.2.3线路安全要素4

1.2.4环境安全要素4

1.2.5管理安全要素5

1.3无缝线路服役状态对铁路运营安全影响的分析5

1.3.1无缝钢轨温度应力5

1.3.2轨道不平顺6

1.3.3无缝线路服役状态综合监测方法7

1.4本书主要内容8

参考文献10

第2章无缝线路服役状态演变理论与建模11

2.1无缝线路的研究背景11

2.1.1桥上无缝线路基础理论与模型的发展11

2.1.2梁、轨纵向相互作用机理简介16

2.1.3长大线路应力分布模型的建立20

2.2长大线路无砟轨道应力分布模型26

2.2.1桥梁轨道结构的多尺度有限元模型27

2.2.2根据均匀化理论估算宏观性能31

2.2.3利用多尺度线路模型进行应力计算的数值方法39

2.2.4试验对比以及计算结果分析42

2.3钢轨纵向应力作用下的车辆轨道动力响应分析56

2.3.1纵向应力影响下板式轨道模型的振动特性56

2.3.2车轨耦合动力学模型61

2.3.3动态响应的数值分析63

参考文献70

第3章无缝线路服役状态地面监测方法73

3.1无缝线路应力检测技术73

3.1.1背景与研究现状73

3.1.2超声导波技术75

3.1.3半解析有限元方法78

3.1.4仿真与分析82

3.2无缝线路完整性检测技术96

3.2.1背景与研究现状96

3.2.2技术方案98

3.2.3实验验证103

3.3路基沉降检测方法107

3.3.1研究现状107

3.3.2基于PSD技术的检测方案109

3.3.3路基沉降检测装置113

3.3.4实验与分析117

参考文献125

第4章无缝线路服役状态移动检测方法128

4.1轨道交通线路全断面与形变检测技术128

4.1.1基于车路振动模型的惯性基准测量128

4.1.2线路全断面动态检测系统应用165

4.2基于车辆动态响应的轨道几何不平顺智能估计176

4.2.1基于微种群遗传算法和车轨耦合模型的轨道几何不平顺估计176

4.2.2基于UKF的轨道动态不平顺估计优化193

4.3轨道刚度参数突变识别算法200

4.3.1基于支持向量机和车辆动态响应的轨道刚度不平顺估计200

4.3.2基于车辆动态响应的CA砂浆脱空智能检测218

4.4基于车轨动态响应的钢轨应力识别算法227

参考文献2322100433B

无缝线路服役状态监测是高速铁路安全监测中的一项重要环节，《高速铁路无缝线路服役状态监测理论与实践》针对无缝线路服役状态监测中的钢轨温度应力、钢轨完整性、路基沉降、轨道不平顺和砂浆脱空等监测内容，系统地介绍了其理论建模、移动监测和地面监测方法，相关理论和方法在高铁现场进行了实践和应用，形成了一整套适用于我国高速铁路无缝线路服役状态监测的理论方法和技术体系。

高速铁路是一个复杂动态系统，其组成设备在服役期始终处在动态的变化过程中。因此，准确感知和综合监测高速铁路设备服役状态是确保健康平稳运营的基础。本项目以车路耦合关系这一影响高速铁路安全的核心问题为切入点，通过研究跨多气候带无缝线路在长期服役过程中的状态演变过程，建立全新的分布参数式服役状态模型，描述高速列车及无缝线路的动态耦合过程以及累积效应和其它环境因素造成的参数长期演变过程。以此为基础，重点研究复杂分布参数系统的状态感知算法，采用车、地自检和互检等多种检测方式，并在不同时间和空间尺度上重构和简化系统模型，开发线性与非线性混合滤波器算法，实现无缝线路应力分布、平顺度、刚度、阻尼以及高速列车舒适度、脱轨系数等重要参数的智能感知。同时，开展综合监测网优化方法、设备服役状态综合评估方法研究，结合基于环形铁道试验基地和京沪高铁的验证研究，为发展我国高速铁路设备服役状态综合监测理论奠定基础。

针对高速铁路无缝线路中轨道、路基、桥梁等在长期运营过程中会发生服役性能变化的问题，项目对反映线路健康状态的关键参数和性能指标开展了监测和研究。其中重点针对轨道应力的分布演化机制，通过综合运用机理分析和数据驱动等建模手段，开展了复杂运营条件下无缝线路力学特性演变的基础理论研究以及多手段融合的轨道设施安全状态监测方法的研究。 为了描述高速列车及无缝线路的动态耦合过程以及累积效应和其它环境因素造成的参数长期演变过程，首先建立了基于统一数学模型和有限元模型的系统仿真平台，包括车辆-轨道-路基/桥梁的耦合动静态模型以及针对长大线路跨区域温度载荷的空间多尺度模型。率先从理论上提出了轨道固有振动特性关于轨道纵向应力的精确解析形式，得到了钢轨温度应力对车轨动态响应的影响规律。提出了计算大型结构平均性能参数的渐进均匀化方法，应用于铁路桥梁空间多尺度混合模型的建立中，解决了长大线路应力分布的仿真问题。基于仿真计算平台，开展了局部设备参数老化与整体线路综合性能之间影响关系的基础理论研究。研究了复杂运营条件下长大桥梁无缝线路的力学行为，分析了复杂荷载作用下小阻力扣件失效、基础沉降等多种基础设施病害发生、演变规律。分析并确定了服役状态敏感指标及感知区域，提出了轨道系统的监测内容和测点布置方案，在京沪高速铁路建立了实时在线监测工点，基于多手段智能融合的监测方法实现了结构服役状态由内至外的综合评价。 根据温度应力对不同频次钢轨振动的影响特点，提出了基于低频车辆动态响应的车载钢轨应力连续监测系统和基于高频超声导波的地面钢轨完整性检测系统，开发了基于神经网络、遗传算法等智能方法的应力参数估计方法，分别应用于快速车载检测、地面固定监测、移动式重点巡检等多种轨道健康状态检测方案。并在多条实际线路上推广应用，其中安装在大西高速铁路现场试用的无缝线路钢轨完整性和应力检测装置可实现2.5km区间无缝线路的实时监测，达到国际领先水平。 2100433B

本项目围绕高速铁路基础结构界面传递机制、服役状态演变及劣化机理等关键科学问题，开展了高速铁路路基典型填料的动静力学性质试验，研究了路基材料动静力学响应特性及长期性能演变规律；采用室内实尺模型试验和数值模拟相结合的方法，系统研究了基础结构在列车动荷载重复作用下长期服役性能的时空分布特征和演变规律，初步探明了高速铁路轨道－路基各子系统间的动态相互作用机制和层间动力传递机理；依托西南交通大学车-线耦合关系试验台，测量统计了CRTS III型板式轨道板边离缝的几何分布特征，建立了含有板边离缝的动力冲击有限元分析模型以及车辆-轨道-路基耦合有限元模型，系统分析了板边离缝对轨道-路基结构动力特性的影响；提出了路基不均匀沉降引起的轨道结构变形求解方法，探讨了路基不均匀沉降引起的无砟轨道轨面几何变形特征及其与路基沉降波长、幅值之间的对应关系，初步探明了高速铁路路基沉降与无砟轨道的几何形态的映射关系；研究了基础结构不同损伤状态下的服役特性和损伤演化规律，分析轨道性能演变对路基服役状态的影响，探明路基累积变形及其动力性能对轨道状态演变的反馈机制，并探索了减轻高速列车－轨道－路基动态相互作用的技术方法与途径。项目研究为高速铁路基础结构设计、状态评估、养护维修、工程加固等技术开发提供了理论依据和应用参考。 2100433B