引用本文
林超. 京福高铁小半径曲线轨道服役状态监测试验研究[J]. 北京交通大学学报, 2020,43(6): 19-24.
LIN Chao. Monitoring experimental research of track service status on the sharp curve of Beijing-Fuzhou high-speed railway[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2020,43(6): 19-24.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.20180067  
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京福高铁小半径曲线轨道服役状态监测试验研究
林超1,2
1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063
2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室,武汉 430063

第一作者:林超(1989—),男,福建浦城人,工程师.研究方向为轨道结构设计与轨道服役状态监测.email:475819132@qq.com.

收稿日期: 2018-05-28
基金: 湖北省技术创新重大专项(2019AAA059); 中铁第四勘察设计院集团有限公司科研课题(2018K014); 中国铁路上海局集团有限公司科研课题(2016064)
摘要

在运营过程中,受高速列车的碾压和冲击,小半径曲线地段已成为高速铁路轨道结构的薄弱环节之一.为保障列车的安全运行,需建立小半径曲线地段轨道结构长期监测系统,实现监测数据的自动采集、传输、存储和关联分析,并对可能发生的破坏进行预测预警.通过对2年监测周期内小半径曲线地段CRTS II型板式无砟轨道结构的温度、受力变形等监测数据的综合分析,得出合肥地区夏季轨道板板中的月最高温度是月最高气温值增加11 ℃,冬季轨道板板中的月最高温度是月最高气温值减少3 ℃;全年路基摩擦板地段钢轨与轨道板的纵向相对位移在1 mm以内,大端刺附近钢轨与轨道板的纵向相对位移最大值为2.9 mm;从简支梁到端刺,钢轨受到的压应力逐渐减小,冬季端刺区钢轨出现了拉应力,最大拉应力为32 MPa.

关键词: 高速铁路; 小半径曲线; CRTS II型板式无砟轨道; 长期监测系统
中图分类号:U216.3 文献标志码:A 文章编号:1673-0291(2019)06-0019-06
Monitoring experimental research of track service status on the sharp curve of Beijing-Fuzhou high-speed railway
LIN Chao1,2
1. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China
2. Hubei Key Laboratory of Railway Track Safety Service, Wuhan 430063, China
Fund:Major Project of Hubei Technology Innovation(2019AAA059); Research Subject of China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd.(2018K014); Research Subject of China Railway Shanghai Group Co., Ltd.(2016064)
Abstract

Sharp curve area is one of the weakest parts in high-speed track structure due to the rolling and impact of running high-speed trains.To ensure the safety and stability of the train, it’s necessary to develop a long-term monitoring system to monitor the status of track structure on sharp curves, which can achieve automatic data acquisition and transmission, data storage and correlation analysis,and provide prediction and fore-warning for potential damages. This paper makes a comprehensive analysis of 2 years’ monitoring data on sharp curves including the slab temperature, the force and deformation of CRTS II ballastless track structure. The results show that in Hefei area, the monthly maximum track slab temperature in summer is 11 ℃ higher than the monthly maximum atmospheric temperature, while the monthly maximum track slab temperature in winter is 3 ℃ lower than the monthly maximum atmospheric temperature. The annual maximum longitudinal relative displacement between rail and slab in the friction plate area of the subgrade is within 1 mm. While the annual maximum longitudinal relative displacement between rail and slab in the side spines area is 2.9 mm. The compressive stress of the rail decreases gradually from simply-supported bridge to side spines area. Tensile stress occurs in the side spines area in winter, with the maximum tensile stress being 32 MPa.

Keyword: high-speed railway; sharp curve area; CRTS II ballastless track; long-term monitoring system

随着我国铁路建设的发展, 为满足各种复杂地域环境的需要, 线路上不可避免会出现小半径曲线.而小半径曲线地段铺设CRTS Ⅱ 型板式无砟轨道后, 由于无砟轨道为连续轨道结构, 结构纵向力受温度及线路线形的影响较为显著[1], 轨道结构更容易产生钢轨侧磨、波磨等伤损病害[2, 3, 4].因此, 小半径曲线作为整条线路较为突出的薄弱环节, 对其进行监控和预警、及时反馈线路运营情况, 是确保线路安全运营的重要保障.

目前, 国内对于高速铁路轨道系统的检测[5], 主要由夜间人工检查、综合检测车检查(2次/月)、钢轨探伤车检查(7~8次/年)和每天高铁运营前确认车检查几部分组成.由于线路状态是连续变化的, 在非天窗时间, 上述检测方法无法完全掌握线路状态, 因此需考虑采用长期监测方法.而在长期监测技术方面, 国内外学者开展了大量的研究工作.文献[6]将光纤光栅技术用于列车通过时的速度、轴重、加速度等的长期测试, 结果表明光纤光栅技术符合列车动态数据测试的精度和长期稳定性要求.文献[7]和[8]建立了一套多年冻土长期监测系统, 对冻土地区温度场进行了监测, 测试结果表明光纤光栅传感器的测试精度优于0.1 ℃, 在青藏铁路恶劣的环境条件下仍具有良好的长期稳定性.文献[9]开展了基于光纤光栅的钢轨应变测量技术研究, 试验结果表明光纤光栅传感器适用于钢轨应变的监测.文献[10]建立了高速铁路高架站轨道结构长期监测系统, 对轨道结构的温度、受力变形进行了实时监测, 监测结果表明基于光纤光栅技术的长期监测系统测量精度高、长期稳定性好.因此, 基于光纤光栅技术建立小半径曲线轨道结构长期监测系统在技术上是成熟可行的.

本文作者基于光纤光栅技术, 建立了一套高速铁路小半径曲线地段轨道结构长期监测系统, 实现了监测数据的自动采集传输和存储.通过对2年监测数据的系统分析, 揭示了小半径曲线地段轨道结构的温度场特点和轨道结构受力变形规律, 验证了小半径曲线结构设计方案的有效性, 为后续类似高速铁路小半径曲线的设计提供参考, 同时也可为小半径曲线地段轨道结构的养护维修提供数据支撑.

1 监测工点

京福高铁设计速度250 km/h, 蚌福联络线金寨路特大桥蚌埠方向桥台台尾86 m摩擦板及台前15孔32 m简支梁均处于半径仅为550 m的圆曲线上.

由于小半径圆曲线范围内采用CRTSⅡ 板式无砟轨道, 为保证轨道结构的稳定性, 针对该区段设计单位进行了特殊设计:在曲线范围内, 轨道板均按照曲线制造成扇形, 端刺范围内的3块轨道板与底座的锚固植筋增加到28根(一般情况下的锚固植筋为16根), 曲线范围内的简支梁上和摩擦板处的侧向挡块加密布置(路桥过渡段侧向挡块间距由标准设计的6.5 m减小到4 m).图1为金寨路特大桥小半径曲线监测工点.

图1 金寨路特大桥小半径曲线监测工点Fig.1 Monitoring site of sharp curve on Jinzhailu large-span bridge

2 监测内容及监测方法
2.1 监测内容

2.1.1 温度监测

CRTS Ⅱ 型板式无砟轨道为纵连结构, 受温度变化的影响较为敏感[11, 12].监测气温、钢轨温度、无砟轨道和桥梁温度可以及时掌握轨道结构的温度场变化, 以分析温度荷载对轨道结构的影响.

2.1.2 位移监测

在温度、列车荷载作用下, 轨道各结构间发生相对位移.钢轨-轨道板相对位移过大, 会引起扣件松动, 影响轨道几何形位的保持; 对底座板和桥梁梁面相对位移的监测可以判断“ 两布一模” 滑动层的服役状态, 因此需对它们的相对位移进行监测.

2.1.3 应力监测

轨道结构的受力是影响结构强度和稳定性的主要因素.对钢轨和侧向挡块的应力监测可以反映出轨道结构的受力情况, 判断其安全服役状态.

2.2 监测方法

光纤光栅技术目前在铁路监测领域中的应用逐渐成熟[13, 14].光纤光栅技术以光波为载体, 光纤为媒介.光纤光栅的布拉格方程为

λB=2neff·Λ(1)

式中: $λ _B $为光纤光栅的布拉格波长; $n_{eff }$为有效折射率; Λ 为光栅的周期.

当宽带光波信号在光纤光栅中传输时, 符合布拉格方程的光波信号将被反射.光栅的周期或纤芯折射率与温度、应变等因素有关.当这些物理量发生变化时, 会改变光栅的周期或纤芯折射率, 从而最终导致光纤布拉格波长的变化.因此通过测试波长的变化量就可以获得对应的待测物理量变化情况.图2为光纤光栅传感器测试原理图.

图2 光纤光栅传感器测试原理图Fig.2 Test schematic of FBG sensor

与传统电参数测试技术相比, 光纤光栅技术测量精度高, 抗电磁干扰能力强, 长期使用性能稳定, 满足高速铁路长期监测的需要.但是光纤光栅技术同样也存在光栅解调仪及传感器价格偏高、现场安装工艺复杂等缺点.

3 监测方案
3.1 监测系统

根据京福高铁金寨路特大桥小半径曲线段无砟轨道监测的实际情况, 建立远程在线实时监测系统.该系统由监测点传感器、数据采集模块、无线传输模块和远程控制中心组成, 可实现轨道结构的温度、位移和应变信号的连续采集、无线传输、实时分析等功能.

3.2 测点布置

现场共设置36个测点, 其中温度测点11个, 应力测点12个, 位移测点13个, 具体测点类型及数量见表1, 测点布置示意图如图3所示.

表1 测点类型与数量 Tab.1 Type and quantity of measuring points

图3 金寨路特大桥小半径曲线段测点布置示意图Fig.3 Measuring point layout of sharp curve on Jinzhai lularge-span bridge

3.2.1 温度测点

温度的监测内容包括气温、轨温、轨道板温度、底座板温度和桥梁温度.监测时采用光纤光栅温度传感器, 测量精度为0.1 ℃.

1)气温.

气温测点分别位于路基、路桥之间的摩擦板和桥梁上, 共计3个, 测点编号1-1~1-3.

2)轨道板、底座板和梁体温度.

轨道板、底座板和桥梁温度监测需要将温度传感器埋入混凝土结构中, 选用埋入式光纤光栅温度传感器.底座温度传感器前期预埋, 轨道板和梁体温度传感器后期钻孔植入.轨道板温度传感器从轨道板的板中灌浆孔内植入, 埋置深度(距离轨道板表面)为100 mm; 底座板温度传感器位于底座板中心(与轨道板温度传感器的平面安装位置对应), 埋置深度为330 mm(距离轨道板表面).梁体温度传感器的平面安装位置位于两线间的桥梁梁面上, 埋置深度为200 mm.轨道板温度测点编号1-4、1-5, 底座板温度测点编号1-6、1-7, 桥梁温度测点编号1-8.

3)轨温.

轨温测点分别位于路基、路桥之间的摩擦板和桥梁上, 共计3个, 测点编号1-9~1-11.

3.2.2 应力测点

应力的监测内容包括钢轨的伸缩附加力和侧向挡块混凝土应力.监测时采用光纤光栅应变传感器, 测量精度为1 μ ε .测量得到结构的应变后, 通过弹性模量换算得到结构的应力[9].

1)钢轨应力.

钢轨应力测点共计6个, 分别布置于台前第6孔、第4孔、第2孔简支梁跨中处、桥台、摩擦板中部、大端刺, 测点编号2-1~2-6.

2)侧向挡块混凝土应力.

侧向挡块混凝土应力测点共计6个, 分别布置于台前第6孔、第4孔、第2孔简支梁跨中处、桥台、摩擦板中部、大端刺, 测点编号3-1~3-6.

3.2.3 位移测点

位移的监测内容包括钢轨与轨道板相对位移、底座板与桥梁相对位移.监测时采用光纤光栅位移传感器, 测量精度为0.1 mm.

1)钢轨与轨道板相对位移.

钢轨与轨道板相对位移共计10个测点, 分别布置于台前6孔简支梁梁端处、桥台台尾、摩擦板中部、大端刺, 测点编号4-1~4-10.

2)底座板与桥梁纵向相对位移.

底座板与桥梁相对位移测点共计3个, 分别布置于台前第5孔、第3孔、第1孔简支梁跨中, 测点编号5-1~5-3.

4 监测数据分析
4.1 轨道板温度与大气温度

图4为2015年和2016年轨道板温度与大气温度随时间变化曲线.可见, 2015年最高气温和板温分别为38.4 ℃和48.3 ℃, 最低气温和板温分别为-2.3 ℃和0.1 ℃; 2016年最高气温和板温分别为40.4 ℃和50.7 ℃, 最低气温和板温分别为-9.2 ℃和-5.5 ℃.

图4 轨道板温度与大气温度随时间变化曲线Fig.4 Variation curves of the slab temperature and atmospheric temperature over time

表2为2015年和2016年轨道板板中温度与气温统计表.可见, 夏季(6~8月)轨道板的最高温度是在月最高气温的基础上增加10.4 ℃, 冬季(12月, 1~2月)轨道板板中最高温度是在月最高气温的基础上减少2.9 ℃.

表2 轨道板温度与气温统计表 Tab.2 Statistical table of the slab temperature and atmospheric temperature℃

表3为2015年和2016年夏季轨道板日最高温度滞后大气日最高温度时间统计图.可见, 2015年夏季轨道板最高温度出现时间与最高气温出现时间的间隔在20~60 min占49%, 在90 min以内占81%, 3个月的平均滞后时间为62.5 min; 2016年夏季轨道板最高温度出现时间与最高气温出现时间间隔在0~60 min占66%, 在90 min以内占87%, 3个月的平均滞后时间为49.0 min.

表3 轨道板最高温度滞后气温最高温度时间统计表 Tab.3 Statistical table for the lag time between the maximum slab temperature and the maximum atmospheric temperature
4.2 钢轨与轨道板相对位移

图5为2015年和2016年钢轨与轨道板相对位移随时间变化曲线.测点4-6位于简支梁上, 测点4-8位于桥台处, 测点4-9位于路桥分界点, 测点4-10位于大端刺附近.可见, 测点4-6、4-8和4-9全年钢轨与轨道板的相对位移变化量在1.0 mm以内, 测点4-10全年钢轨与轨道板的相对位移变化量较大, 测得2015年最大变化量为2.6 mm, 2016年最大变化量为3.2 mm.

图5 钢轨-轨道板相对位移随时间变化曲线Fig.5 Variation curves of displacement between rail and slab over time

监测数据表明桥台处、简支梁及摩擦板地段钢轨与轨道板的相对位移很小, 而大端刺附近钢轨与轨道板相对位移量较大.主要原因是大端刺位于有砟轨道与无砟轨道分界点附近, 有砟轨道道床纵向阻力比无砟轨道小, 因此夏季钢轨容易产生向有砟轨道方向移动的趋势.

4.3 钢轨应力

图6为2015年和2016年钢轨应力随时间变化曲线.测点2-3位于简支梁, 测点2-4位于桥台处, 测点2-5位于路桥过渡段, 测点2-6位于大端刺附近.可见, 从简支梁到端刺, 钢轨受到的压应力逐渐减小.简支梁全年均处于受压状态, 测得2015年最大压应力为112 MPa, 2016年最大压应力为107 MPa; 端刺区冬季钢轨受拉应力, 夏季受压应力.2015年最大拉应力为30 MPa, 2016年最大拉应力为32 MPa.

图6 钢轨应力随时间变化曲线Fig.6 Variation curves of the rail stress over time

5 结论

选取京福高铁金寨路特大桥小半径曲线地段, 开展无砟轨道服役状态监测, 主要结论如下:

1)对轨道板温度长期监测数据进行分析, 得出合肥地区夏季轨道板板中的最高温度是在月最高气温的基础上增加11 ℃, 冬季轨道板板中的最高温度是在月最高气温的基础上减少3 ℃.

2)对钢轨与轨道板相对位移的长期监测数据进行分析, 发现桥梁及摩擦板地段钢轨与轨道板的相对位移很小, 而端刺附近钢轨与轨道板的相对位移较大.主要原因是大端刺位于有砟轨道与无砟轨道分界点附近, 有砟轨道道床纵向阻力比无砟轨道小, 因此夏季钢轨有向有砟轨道方向移动趋势.

3)从简支梁到端刺, 钢轨受到的压应力逐渐减小.简支梁全年均处于受压状态, 2年内测得的最大压应力为112 MPa; 端刺区冬季钢轨受拉应力, 夏季受压应力, 2年内测得的最大拉应力为32 MPa.

监测数据表明小半径曲线地段轨道结构的受力变形在设计允许范围内, 同时结合工务部门反映的情况, 即现场轨道状态良好, 开通运营以来尚未出现病害, 养护维修工作量小, 说明设计单位针对该小半径曲线采取的特殊设计方案是有效的, 可为后续类似高速铁路小半径曲线的设计提供参考.

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