扣件失效下軌道-箱梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性試驗(yàn)研究

關(guān)鍵詞：扣件失效；動(dòng)力響應(yīng)；縮尺模型；加速度導(dǎo)納 中圖分類號(hào)： U213.2⁺42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202310052

Experimental study on vibration characteristics of track-box girder structurewithfastenerfailure

LUO Kun ?^1，2 ， CHEN Peng1，2， ZHEN Huijie12，WANG Wei12， JIANG Xing2 （1.Engineering Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise，Ministry of Education， East China Jiaotong University，Nanchang 330ol3，China;2.State KeyLaboratory of Performance Monitoring Protecting of Rail Transit Infrastructure，East China Jiaotong University，Nanchang 33OOl3，China; 3.Liuzhou RailwayVocational and Technical College，Liuzhou 545616，China）

Abstract：Tostudytheinfluenceofthevibrationcharacteristicsofbalastlesstrackonbridgeunderthefailedfasteners，thisthsis adoptsnexistingscalemodelofballstlesstrack-box girderstructure.Undertherandomloading，theinfluenceofdiferentinvalid fastenersconditionsonthevibrationresponsechangeofthetrack-boxgirderstructureisdiscused.Theresultsshowthatthepeak valueofacelerationadmitanceincreasesandthepeak frequencyofadmitancemoves forward whenthefastenerfails，itappears in eachcomponentofthemidspansectionof track-box girderstructure，especiallappearsintherailand track plate.Atthesame time，itisfoundthatwhenthedistacebetweenthefilurefasteneandteobseedsectionisdierent，thevibationsposeef fectoftherail-boxgirdercomponentsisalsodiferent.Whenthedistancebetweentheflurefastenerandtheobservedsectionwithinonefastenerspacing，theaccelerationadmitanceofeachcomponentofthetrack-boxgiderincreasessignificantly，withhepeak valueatte track plate increasingby1.48times.Whenthedistance between thefailurefastenerand theobserved sectionismore than three fastener spacings，the acceleration response increase of each component of the box beam is within 5% . In addition， it is foundthatthedynamicresponseofvarious components ofthetrack-box girder structureisdirectlyproportional tothe numberof failedfasteners.Forexample，thepeakacelerationadmitaneofthe threefsteners withcontiuousfailureatthetrackplate is1.9 timeshigherthanthatwithoutfailureoffasteners.Themaximumincreaseofpeakadmitanceatthetopplateandwingplate is （204號(hào) 131% and 82% respectively，while the increase of peak admitance at the web plate and botom plate of the box girder is approximately less than 25% ：

Keywords：fastener failure;dynamicresponse;scale model;acceleration admittance

扣件作為高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)中的重要連接部件，具有保持軌道幾何形位和降低軌道振動(dòng)的作用[1-3]，然而在車輛荷載反復(fù)作用下，扣件常常出現(xiàn)不同程度損傷，并致使鋼軌支撐剛度不均、輪軌間的相互作用力增大等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響高速列車運(yùn)行的安全性與平穩(wěn)性[45]。因此，研究扣件失效對于高速鐵路的安全服役具有重要意義。

對于扣件失效問題，國內(nèi)外學(xué)者已開展一系列的研究，其中SMUTNY對扣件的疲勞傷損機(jī)理進(jìn)行研究，得到了鋼軌扣件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系。KAEWUNRUEN等通過建立有限元模型，分析了軌枕存在間隙下的垂向振動(dòng)模態(tài)。OREGUI等建立了不同類型的扣件簡化模型，研究了扣件模型構(gòu)建方式對單節(jié)軌枕軌道垂向動(dòng)力學(xué)的影響。MO-RALES-IVORRA等9利用仿真軟件VAMPIRE，研究了鐵路軌道中扣件失效對輪軌接觸動(dòng)力的影響。韋凱等[10-11]以中國高速鐵路無砟軌道WJ-7B、WJ-8B與Vossloh3O0扣件彈性墊板為研究對象，利用萬能試驗(yàn)機(jī)和溫度箱，測試 -60～70^°C 時(shí)3類彈性墊板的靜態(tài)力學(xué)特征和動(dòng)態(tài)力學(xué)特征。翁長根等[12]基于橫向有限元與無砟軌道板段單元的車軌系統(tǒng)豎向振動(dòng)分析方法，研究了一對和多對扣件失效時(shí)城市軌道交通列車-浮置板式軌道系統(tǒng)的豎向振動(dòng)響應(yīng)。魏綱等[13]基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論建立地鐵列車-整體道床耦合分析模型，研究了列車速度、扣件失效數(shù)量和軌道不平順對地鐵車軌振動(dòng)的影響。周欽悅等[14]采用動(dòng)柔度法建立了高速列車-無砟軌道-橋梁系統(tǒng)垂向耦合頻域分析模型，對比分析不同扣件失效工況對系統(tǒng)在較寬頻范圍內(nèi)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。高亮等[15]通過建立WJ-8扣件精細(xì)化分析模型，研究了扣件在不同受力階段的垂向非線性剛度行為，并分析了不同扣件失效類型對車輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)特性的影響。肖新標(biāo)等[16-17]建立了非對稱車輛-軌道耦合模型，分析了地面鐵路軌道扣件失效對車輛動(dòng)態(tài)脫軌及乘車舒適度的影響。康熙等[18]采用復(fù)特征值法研究了輪軌滑動(dòng)工況下車輪-鋼軌-扣件系統(tǒng)有限元模型的穩(wěn)定性。孫旭等[19利用SIMPACK軟件建立車輛-柔性軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，通過設(shè)置彈條失效和扣件系統(tǒng)失效兩種模式，對車輛運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性及車輛-軌道相互作用進(jìn)行了分析和評價(jià)。

綜上分析可知，既有研究多以理論分析和數(shù)值計(jì)算等方法研究扣件的疲勞損傷機(jī)理及動(dòng)力響應(yīng)影響，而基于實(shí)際工況的模擬試驗(yàn)研究有待進(jìn)一步深入。因此，本文基于設(shè)計(jì)制作的無砟軌道箱梁結(jié)構(gòu)縮尺模型探討單點(diǎn)荷載激振下、不同扣件失效對軌道-箱梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性影響，并以此為辨識(shí)扣件失效的依據(jù)，快速判斷扣件服役狀態(tài)，確保行車安全運(yùn)營。

1軌道-橋梁結(jié)構(gòu)縮尺模型

以CRTS-Ⅱ型板式無砟軌道箱梁結(jié)構(gòu)為原型，采用10：1的幾何相似比，設(shè)計(jì)制作 3.2m 無砟軌道箱梁結(jié)構(gòu)縮尺模型，模型從上至下分別由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿、底座板、箱梁以及支座組成。模型參數(shù)如表1所示，模型與原型之間各參量相似關(guān)系的詳細(xì)推導(dǎo)與驗(yàn)證參見文獻(xiàn)[20]，設(shè)計(jì)制作的模型如圖1所示。

表1模型系統(tǒng)材料參數(shù)

Tab.1 Modelsystemmaterial parameters

圖1軌道-橋梁結(jié)構(gòu)模型 Fig.1Model of track-bridge structure

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

加速度導(dǎo)納是傅里葉變換后的加速度響應(yīng)和輸入激勵(lì)信號(hào)的比值，反映了結(jié)構(gòu)自身的固有振動(dòng)特性，和輸入的激勵(lì)無關(guān)。在激振荷載作用下，將結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)和激振力的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換并求商，可得加速度導(dǎo)納值，其表達(dá)式為：

式中， 為實(shí)測加速度信號(hào)的傅里葉變換； F（b）

為激振器力信號(hào)的傅里葉變換。

試驗(yàn)中，由振動(dòng)測試系統(tǒng)輸出隨機(jī)猝發(fā)信號(hào)，再經(jīng)過功率放大器放大，輸出至激振器，激振器將信號(hào)以力的形式作用于軌道-箱梁結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由力傳感器和加速度傳感器實(shí)時(shí)采集激振力信號(hào)和軌道-箱梁結(jié)構(gòu)各斷面的加速度信號(hào)，再返回至測試軟件處，并利用模態(tài)參數(shù)估計(jì)法進(jìn)行分析，得到加速度導(dǎo)納值。詳細(xì)的試驗(yàn)流程如圖2所示。

以軌道-箱梁結(jié)構(gòu)跨中截面作為觀測截面，布置8個(gè)振動(dòng)信號(hào)采集點(diǎn)，分別為鋼軌（C1）、軌道板頂面（C2）混凝土底座板頂（C3）、梁體（C4）梁體頂板（C5）翼緣板（C6）、腹板（C7）和底板（C8），每個(gè)測點(diǎn)至少采集10組有效數(shù)據(jù)，取其平均值進(jìn)行分析，信號(hào)采樣頻率設(shè)為 4096Hz 。詳細(xì)的振動(dòng)響應(yīng)采集點(diǎn)位置如圖4所示。將縮尺模型鋼軌兩側(cè)扣件拆除來模擬單組扣件失效，實(shí)驗(yàn)室測試圖如圖5所示。

2.2扣件失效工況及測點(diǎn)布置

在軌道-箱梁縮尺模型中，沿列車前進(jìn)方向共有51組扣件，其中第26組扣件處為箱梁跨中截面。為研究不同扣件失效情況對于軌道-箱梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)影響，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了7種工況，工況設(shè)置如表2所示，扣件失效示意圖如圖3所示。其中，工況一至工況五設(shè)置對比試驗(yàn)時(shí)，旨在研究不同扣件失效間距下各測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)變化；工況一、工況五、工況六及工況七設(shè)置對比試驗(yàn)時(shí)，旨在研究不同失效扣件數(shù)量下各測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)變化。

表2扣件失效工況

Tab.2 Failureconditions offasteners

2.3 測試儀器

測試儀器主要如下，數(shù)據(jù)采集使用HEAD數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，包括HEADRecorder（HEADacoustics）和HEADArtemis（HEAD acoustics）。激勵(lì)信號(hào)控制使用LMS公司的310系統(tǒng)（24通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，A/D24位）；HEA-200C型功率放大器和HEV-200型激振器；振動(dòng)傳感器采用PCB333B2型加速度傳感器。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1不同扣件失效間距下的豎向傳遞特性

基于上述縮尺模型進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，對工況一至工況五進(jìn)行動(dòng)力加載，以加速度導(dǎo)納為評價(jià)指標(biāo)，處理分析軌道-箱梁結(jié)構(gòu)8個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，得到軌道-箱梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度導(dǎo)納頻域曲線如圖6和7所示。

由圖6可知，鋼軌與軌道板處加速度導(dǎo)納在出現(xiàn)扣件失效后變化明顯。扣件失效會(huì)導(dǎo)致鋼軌處導(dǎo)納峰值主頻前移并伴隨導(dǎo)納峰值的增大，且扣件失效位置越靠近觀測截面，峰值頻率前移量越大。無扣件失效的情況下，鋼軌在 3068Hz 附近出現(xiàn)了明顯的加速度導(dǎo)納峰值，大小為 57.897m?s²/N ；工況二～五時(shí)，導(dǎo)納峰值頻率分別為3049、2970、2940和 2914Hz ，導(dǎo)納大小分別為64.684、62.372、64.684和 64.783m?s²/N 。無扣件失效的情況下，軌道板加速度導(dǎo)納峰值大小為 2.602m?s²/N ;工況二～五時(shí)，導(dǎo)納峰值大小分別為 3.495、4.151、5.960 和6.464m?s²/N ，導(dǎo)納峰值最大增加了1.48倍。在底座板處，扣件損傷后，也出現(xiàn)了相應(yīng)的加速度峰值響應(yīng)增大以及加速度峰值主頻前移，但由于激勵(lì)在豎向振動(dòng)傳遞過程中從軌道板傳遞至底座板時(shí)橡膠層消耗了一部分能量，所以損傷前后響應(yīng)變化幅度略有衰減，導(dǎo)納峰值最大增幅達(dá) 50% 左右。

由圖7可知，當(dāng)失效扣件距離觀測截面在1個(gè)扣件間距內(nèi)時(shí)，頂板與翼板處加速度導(dǎo)納在出現(xiàn)扣件失效后加速度響應(yīng)變化明顯。無扣件失效的情況下，頂板在 2889Hz 附近出現(xiàn)了明顯的加速度導(dǎo)納峰值，大小為 0.254m?s²/N ；工況二～五時(shí)，導(dǎo)納峰值頻率分別為2886、2883、2901和 2913Hz ，導(dǎo)納大小分別為 0.286，0.280，0.425 和 導(dǎo)納值與無損傷相比最大增幅為 75% 。無扣件失效的情況下，翼板在 3000Hz 附近出現(xiàn)了明顯的加速度導(dǎo)納峰值，大小為 ;工況二～五時(shí)，導(dǎo)納峰值頻率分別為2997、2988、2946和2936Hz ，導(dǎo)納峰值前移量最多達(dá)到了約 80Hz 。導(dǎo)納大小分別為 0.643，0.611，0.775 和 0.812m?s²/N 導(dǎo)納值增幅最大為 38% 。腹板及底板在扣件損傷與無損傷時(shí)，板件整體振動(dòng)響應(yīng)趨勢十分相近，損傷后加速度峰值響應(yīng)與無損傷相比增幅均在 15% 以內(nèi)。當(dāng)失效扣件距離觀測截面超過3個(gè)扣件間距時(shí)，箱梁各板件加速度響應(yīng)增幅不大，最大約為 5% 。

3.2不同扣件失效數(shù)量下的豎向傳遞特性

基于上述縮尺模型，對工況五～七進(jìn)行動(dòng)力加載，分析處理軌道結(jié)構(gòu)的4個(gè)測點(diǎn)加速度導(dǎo)納數(shù)據(jù)，繪制軌道結(jié)構(gòu)加速度導(dǎo)納頻域曲線如圖8所示。

由圖8可知，扣件失效會(huì)導(dǎo)致鋼軌處導(dǎo)納峰值主頻前移，其中鋼軌在無扣件失效的情況下，在3100Hz 附近出現(xiàn)了峰值；當(dāng)存在扣件失效時(shí)，鋼軌加速度導(dǎo)納在 2900Hz 附近出現(xiàn)峰值，導(dǎo)納峰值頻率前移近 300Hz ，且鋼軌處加速度導(dǎo)納峰值隨著扣件失效數(shù)目的增加而相應(yīng)增大。鋼軌在無損傷情況時(shí)加速度導(dǎo)納峰值為 57.897m?s²/N ，而連續(xù)3個(gè)扣件失效時(shí)加速度導(dǎo)納峰值為 76.726m?s²/N ，增幅約為 33% 。軌道板在無扣件失效的情況下，加速度導(dǎo)納最大值為 2.382m?s²/N ，在連續(xù)3個(gè)扣件失效時(shí)加速度導(dǎo)納最大值為 6.914m?s²/N ，加速度導(dǎo)納峰值與無損傷時(shí)相比增大了1.9倍。這是由于扣件作為連接鋼軌及軌道板的重要部件，失效后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)支撐連續(xù)性遭到破壞，引起結(jié)構(gòu)剛度變化，加劇了軌道板處的振動(dòng)響應(yīng)。

對工況五～七進(jìn)行動(dòng)力加載，對箱梁處4個(gè)測點(diǎn)加速度導(dǎo)納峰值及峰值頻率進(jìn)行繪制，如圖9所示。

圖9梁體結(jié)構(gòu)各部件加速度導(dǎo)納峰值及峰值頻率曲線 Fig.9Acceleration admittance peak and peak frequency curves of each component of thebeam structure

由圖9可知，頂板無損傷處加速度導(dǎo)納峰值為0.254m?s²/N ，而單個(gè)扣件失效，連續(xù)2個(gè)扣件失效以及連續(xù)3個(gè)扣件失效加速度導(dǎo)納峰值分別為0.445，0.535 和 0.585m?s²/N ，加速度導(dǎo)納峰值與無損傷時(shí)相比最多增加了1.31倍。翼板處無損傷時(shí)導(dǎo)納峰值頻率為 3000Hz ，加速度導(dǎo)納最大值為0.588m?s²/N ;連續(xù)3個(gè)扣件失效時(shí)其導(dǎo)納峰值頻率為 2916Hz ，加速度導(dǎo)納最大值為 1.068m?s²/N ，加速度導(dǎo)納峰值與無損傷時(shí)相比最多增加了 82% ○腹板以及底板在扣件損傷時(shí)較無損傷時(shí)相比也出現(xiàn)了相應(yīng)的加速度峰值響應(yīng)增大以及加速度峰值主頻前移，但是主頻前移量以及峰值響應(yīng)變化極小。

4結(jié)論

基于設(shè)計(jì)制作的無砟軌道箱梁結(jié)構(gòu)縮尺模型，開展了不同扣件失效工況下軌道-箱梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的模型試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）在出現(xiàn)扣件失效損傷后，結(jié)構(gòu)支撐連續(xù)性遭到破壞，軌道-箱梁結(jié)構(gòu)跨中截面各部件均出現(xiàn)了加速度導(dǎo)納峰值增大以及峰值頻率前移的現(xiàn)象，其中鋼軌處導(dǎo)納峰值頻率最多前移近 300Hz 。

（2）當(dāng)失效扣件距離觀測截面在1個(gè)扣件間距內(nèi)時(shí)，軌道-箱梁各部件加速度導(dǎo)納增加顯著，其中軌道板處導(dǎo)納峰值增加了1.48倍，頂板處導(dǎo)納峰值增加了 75% ；當(dāng)失效扣件距離觀測截面超過3個(gè)扣件間距時(shí)，箱梁各板件加速度響應(yīng)增幅均在 5% 以內(nèi)。

（3）軌道-箱梁結(jié)構(gòu)各部件動(dòng)力響應(yīng)增大幅度與扣件失效數(shù)量成正比，其中以軌道板處響應(yīng)最為明顯，連續(xù)3個(gè)扣件失效加速度導(dǎo)納峰值與無損傷時(shí)相比增大了1.9倍；箱梁頂板及翼板處加速度導(dǎo)納峰值在扣件失效后最大增幅分別為 131% 和 82% 5而箱梁腹板及底板處變化較小，峰值響應(yīng)增幅約在25% 以內(nèi)。

（4扣件失效會(huì)導(dǎo)致鋼軌、軌道板、頂板及翼板處動(dòng)力響應(yīng)變化顯著，在工程實(shí)際中，可以密切關(guān)注上述部件振動(dòng)響應(yīng)變化，并以此作為辨識(shí)扣件失效的依據(jù)之一。

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