光纤测振技术在高铁轨下结构病害自动监测中的应用.pdf
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1、收稿日期:20201111作者简介:彭 勃(1989),男,2010 年毕业于华东交通大学土木工程专业,工学学士,E-mail:11481507 。文章编号:16727479(2023)04007507光纤测振技术在高铁轨下结构病害自动监测中的应用彭 勃(中国铁路上海局集团有限公司上海高铁维修段,上海 200071)摘 要:针对高铁轨下结构层脱空病害,通过数值模拟和现场试验,研究利用光纤测振技术进行实时监测的有效性。选取已发生病害的某段线路,采用基于-OTDR 原理的分布式光纤振动监测系统,将测振光纤铺设于 2 条钢轨的中间的轨道板表面,然后将光纤引出至轨道外监测基站,通过 DOVS 光纤振动
2、分析仪采集和记录病害修复前后的振动数据,并利用冲击映像法对轨下结构进行详细检测。研究表明,轨下结构脱空病害对振动的影响分为振动激励和振动放大,近振动源可能引发共振,其放大作用相较于远振动源明显,可达原振幅的 23 倍。关键词:高速铁路;轨下结构;病害监测;光纤测振;冲击映像法中图分类号:TN253;U238 文献标识码:ADOI:10.19630/ki.tdkc.202011110004开放科学(资源服务)标识码(OSID):Optical Fiber Vibration Detecting Technology and Its Application in Structures Diseas
3、es Monitoring for High-speed RailwayPENG Bo(High-Speed Railway Maintenance Division,Shanghai Railway Bureau,Shanghai 200071,China)Abstract:Aiming at diseases of high-speed railway such as track structure void,the effectiveness of real-time monitoring using fiber-optic vibration measurement technolog
4、y was studied through numerical simulation and field test.A section of damaged line was selected,and the distributed optical fiber vibration monitoring system based on the principle of-OTDR was adopted.The vibration measuring optical fiber was laid on the surface of the track plate in the middle of
5、the two rails,and then the optical fiber was drawn to the monitoring base station outside the track.The vibration data before and after the repair of the disease were collected and recorded by the DOVS optical fiber vibration analyzer,and the under-rail structure was detected in detail by the impact
6、 image method.The research shows that the influence of the void disease of the under-rail structure on vibration is divided into vibration excitation and vibration amplification.The near vibration source may cause resonance,and its amplification effect is obvious compared with that of the far vibrat
7、ion source,which can reach 23 times of the original amplitude.Key words:high-speed railway;under-rail structure;disease monitoring;optical fiber vibration measurement;impact image method 近年来,我国高速铁路得到快速发展,受技术水平、施工条件和社会环境限制,在运营过程中发现部分路段轨下结构病害较为严重,如隧道仰拱渗漏引起轨道板拱起、轨道板脱空、路基沉降变形等1。轨下结构病害不仅引起列车振动加大,影响乘车舒适性,
8、还会造成轨道板断裂,缩短线路使用寿命,以及对沿线环境造成破坏2-3。目前,关于高铁轨下结构病害的研究57光纤测振技术在高铁轨下结构病害自动监测中的应用:彭 勃与应用多数集中在缺陷检测与修复方法和材料上,对时间和空间上的连续实时监测与病害自动预警技术研究较少4-7。在国外,这类病害已受到高度重视。自 20 世纪90 年代以来,日本针对新干线的振动开始人工定点监测,并逐步发展为无线自动监测,实时监测数据经自动分析,可用于快速评估轨道结构的整备效果,也为开发新型车辆、改善沿线环境提供依据8-10。近几年,光纤振动传感器的研发和应用得到极大发展,已经广泛应用于防侵入、防开挖,以及油、气、水管线渗漏引起
9、的振动噪声监听等领域11,但在轨道交通领域的应用还在起步阶段,Cheung 等将 BOTDR 技术应用于伦敦地铁隧道检测中,证明光纤传感器监测隧道衬砌运动可行12;何涛等利用 FBG 技术对上海轨道交通六号线施工期间的管片表面应变进行监测13;汤继新等采用分布式光纤传感器技术实现轨道交通工程结构变形自动化监测14;QIN 等利用分布式振动传感器来测量非平稳振动,并提出一种基于全局小波谱的信号处理算法来确定振动的位置15。考虑到监测原理的相似性,以下对光纤测振动技术在高铁轨下结构病害自动监测中的应用进行研究。1 光纤测振的原理与方法目前,利用光纤作为振动传感器的测振方法有多种,原理和方法各不相同
10、,其中,光时域反射技术(Optical Time Domain Reflectometer,简称 OTDR)通过检测光纤中生成的背向瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断光纤的故障点,多用于检测光纤故障和光纤接头损耗等16;OTDR 光纤测振技术通过输入超窄线宽的激光光源来增强光波的干涉效果,并已经得到广泛应用17。图 1 光纤测振的原理与定位方法基于-OTDR 原理的分布式光纤振动监测原理如图 1 和图 2 所示。由激光发生器产生脉冲宽度为 w的脉冲光,脉冲的边沿分别为 B1和 B2,在某一时刻T0,B1和 B2分别到达光纤中某点 D1和 D2,其到接收端的距离分别为 X1和 X2,则 D1和 D2
11、点的背向反射图 2 OTDR 光纤测振的系统构成光到达接收端的时间以及 D1和 D2间的距离分别为T1=2nX1/c,T2=2nX2/c,L=cw/n。式中,n 为光纤折射率;c 为光速;L 为脉冲时间宽度对应的空间宽度。激光脉冲宽度 w 不会发生变化,故 T2-T1=2nX2/c-2nX1/c=w;X2-X1=(cw/n)/2=L/2;接收到的激光脉冲强度为区间 L/2 的背向反射信号叠加的结果,L/2 为空间分辨率。根据光的波动方程,背向反射光脉冲振动可以表示为Af=A0eit=A0exp i2nx()(1)则在接收到的光脉冲可表示为A=X2X1Afdx=X2X1A0exp(i2nx)dx
12、(2)扰动点到接收端的距离为X=T0c2n(3)式中,A0为光波振动幅度;为光的波长;n 为光纤折射率;x 为距离。如果光纤未受到扰动,各处的射率相同,返回的光信号光强保持不变;当某处光纤受到振动扰动时,扰动越大,光纤的反射率变化也越大,叠加信号的强度变化也越大。因此,通过检出光纤上各点背向反射光强相对于初始状态的变化,就可以把握沿光纤铺设路径振动强度的变化。2 数值模拟2.1 模型概要振动在弹性介质中的传播过程称为“弹性波”。为研究弹性波在多层介质中的传播特性,阐明弹性波的传播特性与介质弹性参数之间的关系,需要建立一个多层介质二维缺陷有限元模型。高速铁路隧道轨下结构一般由轨道板、砂浆层、支6
13、7铁 道 勘 察2023 年第 4 期撑层、素混凝土层、仰拱和路基构成,其横截面呈层状分布,故可把轨下结构在列车运行的方向上看作均匀层状介质,并沿着列车的运行方向无限延伸。同时,在对其运用弹性波法进行分析时,以与列车运行方向垂直的一个横剖面为基础,针对不同的病害类型建立高铁轨下结构的二维缺陷模型,然后运用有限元动力分析方法对弹性波的响应波场进行模拟计算,模型各层材料参数见表 1。表 1 高铁轨下二维缺陷模型材料参数介质材料/(kg/m3)E/GPa混凝土层2 400280.2仰拱2 400320.2病害层1 1000.0010.45级配碎石层2 3000.50.3模型如图 3 所示,由 4 层
14、不同厚度的介质组成,模型高度为 3 m,宽度为 6 m,单元网格为 0.1 m0.1 m。从上至下依次为混凝土层、病害层、仰拱层、级配碎石层,其中病害层出现在混凝土层中,尺寸为 8 m 0.1 m。混凝土层尺寸为 8 m0.65 m,仰拱尺寸为8 m1.2 m,碎石层尺寸为 8 m2 m。整个模型划分为1 842 个单元,左右侧及底部边界均设置为无限元边界,以消除弹性波在固定边界上发生的折射及反射现象。计算时按有病害和无病害两种工况进行计算。轨道板底部由 CA 砂浆层(cement asphalt)填充,可起到一定的缓冲作用。当材料发生病害后,其弹性性能大大减弱,故主要通过改变材料的弹性性能进
15、行病害模拟。图 3 高铁轨下二维缺陷模型(单位:m)本次数值模拟中,震源通过厚混凝土板采集波形来获得,具有一定的能量和较宽的频谱范围。基于Courant 条件,采样间隔满足 t/2L/Vs,L 为网格单元尺寸,Vs为介质剪切波速度。波的采样间隔设置为1.010-5s,持续 0.02 s,采样频率为 04 000 Hz,固有频率为 1 500 Hz,如图 4 所示。为研究响应波形与偏移距之间的关系,模拟时将震源荷载作用于模型上表面的中心节点处,并在邻近的 12 个节点处设置接收点,接收点间距为 0.1 m。图 4 混凝土板采集波形2.2 模型计算结果振动响应波形平均振幅与偏移距的相关性如图5 所
16、示。由图 5 可知,各模型响应波形的平均振幅随偏移距的增大而逐渐减小,且趋势逐渐变缓。在相同偏移距的情况下,病害模型平均振幅明显大于无病害模型。根据数值模拟结果,偏移距取 0.20.5 m 时,检测效果较好,此时振幅放大倍率在 3.2 以上。通过分析可知,弹性波在介质中的传播特性与其弹性参数有直接关系,可根据弹性波在介质中传播特性的变化(主要是能量特征)来评价轨下结构的不同介质,进而判断病害的位置。图 5 响应波形平均振幅与偏移距关系3 现场试验概况3.1 现场概况监测现场周边环境如图 6 所示。检测段长约15 m,包括上行和下行 2 条线路。检查结果显示,内侧轨道(上行线)的 2 块轨道板脱
17、空较为明显,编号分别77光纤测振技术在高铁轨下结构病害自动监测中的应用:彭 勃为 L00526 和 L00527。该段线路经过长时间使用,已经出现 CA 砂浆层离析和脱空。其中 L00526 号轨道板目视即可发现 CA 砂浆层离析和脱空,L00527 号轨道板状况相对较好,仅局部可见脱空缺陷(如图 6图8 所示)。图 6 监测现场概况图 7 L00526 号轨道板修复前状况图 8 L00527 号轨道板修复前状况3.2 轨道板检测为精确把握轨下结构在修复前后的状况,以便分析脱空病害对轨道板振动的影响,利用冲击映像法对修复前后轨下结构进行详细检测。如图 9 所示,由于钢轨的存在,轨道板被分为 2
18、 个区域,2 条钢轨中间部分表面平滑,无障碍物,采用牵引式冲击映像法检测系统;由于钢轨和承台的存在,钢轨正下方部分无法使用牵引式冲击映像法检测系统,故采用分立式检测系统。(1)牵引式冲击映像法检测系统将 24 个弹性波检波器在平面上排成 4(列)6(排)的阵列,检波器间距 0.2 m,检波器之间由无弹性图 9 冲击映像法检测数据采集(单位:mm)耐磨纤维带链接,形成牵引式可移动阵列。检测时,震源偏移距设为 0.2 m,即用冲击锤击打阵列第 1 排中各检波器前方 0.2 m 处,阵列中的所有检波器都采集数据,因此一次激发就可以得到各种震源偏移距的数据。当各个激发点都激发完成后,牵引整个系统向前移
19、动 0.2 m,再重复以上过程,直到整个检测段检测完。(2)分立式检测系统把单个检波器设置在可移动底座上并手工摆放在承台之间,用冲击锤在检波器前方激发,并记录各检波器的数据。然后向前移动一排检波器,重复以上过程,直到整个检测段检测完。由于钢轨承台的存在,当第一排检波器和激发点位于 2 个承台之间时,激发点偏移距为 0.2 m,当承台位于第一排检波器和激发点之间时,偏移距为 0.3 m。数据处理:首先把 2 种检测数据整合,并添加坐标信息,形成一个覆盖整块轨道板,且具有不同偏移距的数据集合,然后分别计算不同偏移距数据的标准化冲击响应强度,最后通过综合分析,得出整块板的密实状况。L00526 号轨
20、道板修复前后的检测结果如图 10图 12 所示。其中,图 10 为 L00526 板修复前目视检测(包括用钢尺触探)的结果;图 11、图 12 为冲击映像法检测结果。图中色标表示标准化冲击响应强度的相对大小。由图 10 可以看出,L00526 板修复前 2 条钢轨之间的区域整体密实度较差,存在较大脱空区域,特别是轨道板中间位置,存在一条贯穿性脱空带(用钢尺可穿过)。图 11 中,L00526 修复前的冲击映像法检测结果显示,沿轨道和垂直轨道两个方向上在修复前波形响应很高(云图中可直观地展示缺陷的位置),缺陷处的响应能量约为无缺陷处的 2 倍;而图 12 为L00526 修复复后的冲击映像法检测
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