基于彈性波的無砟軌道板脫空無損檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及安全檢測技術領域，具體涉及無砟軌道板脫空檢測方法。
【背景技術】
[0002] 無砟軌道取消了傳統有砟軌道的軌枕和道床，采用預制的鋼筋混凝土板直接支承 鋼軌，并且在頂板與底座之間填充CA砂漿或自密實混凝土墊層，是一種全新的全面支撐的 板式軌道結構。它具有以下優點：穩定性、平順性良好；建筑高度低、自重輕，可減小橋梁二 期荷載和降低隧道凈空；軌道變形緩慢，耐久性好；不需要維修或者少維修且維修費用低 等優點。無砟軌道對工程材料和基礎土建工程的要求都非常高，因此初期建設費用高于有 砟軌道，但是它的穩定性好、使用壽命長。因此，在鐵路客運專線中采用板式無砟軌道結構 已成為現在高速鐵路建設的主流模式和必然趨勢。
[0003]目前采用的板式無砟軌道有三種結構形式：
[0004]CRTSI型：由混凝土底座、CA砂漿層、軌道板、凸形擋臺等部分組成，凸形擋臺的 作用是防止單元軌道板發生橫向和縱向移動；
[0005]CRTSII型：與I型相比，其軌道板的結構是連續的，沒有凸形擋臺。CRTSII型無 砟軌道板的標準板長6450mm、寬2550mm、厚度200mm，混凝土的設計強度為C55。軌道板橫向 配置60根預應力鋼筋，縱向配置6根由20精軋螺紋鋼筋.用于軌道板的縱向聯接，在縱、 橫向鋼筋的上、下層分別配置一層鋼筋網片，所有鋼筋交叉點均做絕緣處理；
[0006]CRTSIII型：總體結構方案為帶擋肩的新型單元板式無砟軌道結構，主要由鋼軌、 扣件、預制軌道板、配筋的自密實混凝土（自流平混凝土填充層）、限位擋臺、中間隔離層 (土工布）和鋼筋混凝土底座等部分組成。標準板長5350mm、寬2500mm、厚度190~210mm， 混凝土的設計強度一般為C60。
[0007] 這三種板式無砟軌道板都有一個共同的特點，即如圖1所示，在頂板2(也稱軌道 板）與底板3 (也稱底座）之間設置填充層1 (也稱調整層）。該填充層主要起到如下的作 用：
[0008] (1)填充調整：全面、均勻地支撐軌道板，并便于調整軌道的高低，提高施工效率 和下部基礎變形時的可維護性；
[0009] (2)承力傳力：承受由軌道板傳來的豎向力和縱橫水平力，并將其分散傳遞給底 座和限位裝置。
[0010] 填充層的狀態直接影響軌道板的壽命和列車的行駛安全。由于施工質量、列車荷 載及溫度的作用等諸方面的原因，在頂板與填充層之間會出現相互脫離（亦即脫空的現 象），使得結構的受力狀態惡化。嚴重時，軌道板還可能出現翹曲現象，進一步危害列車的行 車安全。如圖1即填充層1與頂板2脫空的結構示意圖。如圖2即填充層1破損造成脫空 的結構示意圖。
[0011] 目前，關于脫空的檢測技術大致可以分為以下幾類：
[0012] (1)基于遠紅外線成像：主要檢測材料導熱性能的不連續性，通常利用日射產生 的溫度變化，通過對結構表面的溫度成像來推斷脫空的有無。
[0013] (2)基于電磁波（混凝土雷達）：主要檢測材料誘電性能（導電率）的不連續性， 利用發射的電磁波在不同介質面上的反射來推斷脫空的有無。
[0014] (3)基于振動、超聲波、彈性波等機械波或機械振動：這三種方法都是利用材料力 學特性的不連續性，分別通過振動模態的變化、反射信號的有無等來推斷脫空的有無。具體 又包括：
[0015] 基于振動等方法：該方法利用錘擊等方式誘發軌道板的自由振動，利用層間粘結 條件（邊界條件）的變化造成的自振模態的變化來推斷脫空的有無。當出現脫空時，軌道 板與填充層的粘結面積下降造成約束減少，進而軌道板的自振頻率出現降低；
[0016] 基于超聲波和彈性波的方法：脫空面的聲阻抗要遠遠低于健全的部位，因此，激發 的超聲波或者彈性波在脫空面上即會產生反射。
[0017] 上述方法在檢測軌道板脫空時，由于軌道板的特性，使得每種方法的適用性受到 很大局限。其中，基于遠紅外線、電磁微波和誘導振動的方法，由于測試媒質本質的關系，使 得其難以在軌道板脫空檢測中得到應用。
[0018] 基于遠紅外線成像的方法能檢測的脫空深度一般在IOcm之內，而且需要在上午 和傍晚檢測（此時的氣溫變化最快），因此無法適用于軌道板的檢測（由于通車的關系，線 上板的檢測只能在夜間1點到4點）。
[0019] 基于電磁雷達的檢測方法受金屬介質的影響很大，而在軌道板中密布大量的鋼筋 和預應力筋，并有鐵軌的影響。因此，電磁雷達難以適用于軌道板的檢測。
[0020] 基于振動的方法需要誘導板的自由振動。由于板的質量較大，因此，誘發板的自由 振動需要較大的能量。特別是在線上的軌道板，由于鋼軌的約束，使得軌道板的誘發更加困 難。
[0021] 相對而言，以超聲波、沖擊彈性波為代表的基于聲阻抗變化的測試方法，在理論上 具有可行性。
[0022] 但超聲波法也存在以下問題：
[0023] ⑴測試時需要將探頭與被測面用黃油等耦合劑耦合，測試效率低。
[0024] (2)激發信號能量低、信號頻率高（一般在數百KHz以上），在軌道板中衰減快，檢 測深度較淺。同時，受混凝土中骨料、鋼筋影響較大。
[0025] (3)超聲波在軌道板中傳播的波速變化較大，一般在4. 5~5. 5km/s。
[0026] (4)探頭的頻譜響應曲線的直線性差，難以進行頻域分析。
[0027] 綜上，利用彈性波檢測無砟軌道板脫空是比較理想的方法。但是由于填充層（CA 砂漿或者自密實混凝土）的聲阻抗要低于軌道板的聲阻抗，因此，激發的沖擊彈性波在遇 到填充層時，也會產生反射。填充層的反射信號和脫空面的反射信號混在一起，為脫空面反 射的識別帶來很大的困難。另外，如何通過反射信號對無砟軌道板是否脫空進行合理判斷， 也是亟待解決的問題。
【發明內容】
[0028] 本發明的目的即在于克服現有技術的不足，提供一種基于彈性波的無砟軌道板脫 空無損檢測方法。該方法通過優化激振頻率，提高脫空面反射信號的識別能力，同時本方法 還能通過脫空判定闕值實現對無昨軌道板是否脫空進行合理判定。
[0029] 本發明的另一個目的在于提供一種基于彈性波的無砟軌道板脫空率檢測方法。
[0030] 本發明的目的通過以下技術方案實現：
[0031] 基于彈性波的無砟軌道板脫空無損檢測方法，包括如下步驟：
[0032]A.確定激振彈性波頻率與脫空面彈性波反射率之間的函數關系；
[0033] B.確定激振彈性波頻率與填充層彈性波反射率之間的函數關系；
[0034]C.根據步驟A和步驟B得到的函數關系，繪制基于激振彈性波頻率和
【主權項】
1. 基于彈性波的無砟軌道板脫空無損檢測方法，其特征在于，包括如下步驟： A. 確定激振彈性波頻率與脫空面彈性波反射率之間的函數關系； B. 確定激振彈性波頻率與填充層彈性波反射率之間的函數關系； C. 根據步驟A和步驟B得到的函數關系，繪制基于激振彈性波頻率和
的X-Y軸坐標圖，找出各波峰對應的激振彈性波頻率； D. 折減各波峰對應的·
值，得到在各波峰對應的激振彈性波頻率 下的脫空判定闕值； E. 利用激振裝置對頂板上的測點進行激振，產生具備步驟C、D中所述頻率中的一種的 激振彈性波； F. 根據激振彈性波和反射彈性波得到測點彈性波反射率，如健測全點處彈彈性性波波 反反射射率率大于激振彈性波的頻率對應的脫空判定闕值，則該測點處脫空。
2. 根據權利要求1所述的基于彈性波的無砟軌道板脫空無損檢測方法，其特征在于， 所述步驟A中，確定激振彈性波頻率與脫空面彈性波反射率之間的函數關系的方法如下：
Φ = 4 JifsHAp= 2 JifsT 得到：Rv= 2 |cos (Φ/2) I ; 當Φ為2N π時，脫空面反射信號最強，脫空面彈性波反射率最高，為200% ; 當Φ為（2Ν+1) π時，脫空面反射信號最弱，脫空面彈性波反射率最低，為〇 ; 其中：RV為脫空面彈性波反射率，Φ為頂板反射信號與激振信號的相位差，1為激振彈 性波頻率，N為整數，T為彈性波在頂板中的往復時間，T = 2H/VP，H為頂板的厚度，Vp為頂 板中彈性波的波速。
3. 根據權利要求1所述的基于彈性波的無砟軌道板脫空無損檢測方法，其特征在于， 所述步驟B中，確定激振彈性波頻率與填充層彈性波反射率之間的函數關系的方法如下：
Zi= P 1 · Vpl Z2= P 2 · Vp2 其中，Rf為填充層彈性波反射率，f s為激振彈性波頻率，k 2= 2 π f s/Vp2，P 頂板的 密度，P2S填充層密度，Vpl為頂板中彈性波的波速，Vp2為填充層中彈性波的波速，L為填 充層的厚度，Z 1為在頂板內彈性波的機械阻抗，z 2為在填充層內彈性波的機械阻抗。
4. 根據權利要求1所述的基于彈性波的無砟軌道板脫空無損檢測方法，其特征在于， 所述步驟D中，脫空判定闕值的確定方法如下： κ = ι+(η-1) Φ; 其中，κ為脫空判定闕值，φ為波峰對應的激振彈性波頻率下的折減系數，η為波峰 對應的
·值。
5. 根據權利要求1~4中任意一項所述的基于彈性波的無砟軌道板脫空無損檢測方 法，其特征在于，所述步驟E中，激振裝置按如下方法進行配置：
其中，fs激振彈性波頻率，T。為激振裝置與頂板的接觸時間；
其中，E1為激振裝置打擊球體的彈性模量，E2為混凝土的彈性模量，μ i為構成激振裝 置打擊球體的材料的泊松比，μ 2為混凝土的泊松比，Hi1為激振裝置的質量，R1為激振裝置 打擊球體的曲率半徑，V tl為激振裝置與頂板碰撞時的速度。
6. 基于彈性波的無砟軌道板脫空率檢測方法，其特征在于，包括如下步驟： Α.在頂板上劃分網格，每個網格即為一個測點； Β.采用權利要求1~5中任意一項所述的方法，分別對每個測點進行檢測； C.計算脫空的測點占所有測點的比例，該比例即為無砟軌道板脫空率。
【專利摘要】本發明公開了一種基于彈性波的無砟軌道板脫空無損檢測方法。本發明通過確定激振彈性波頻率與脫空面彈性波反射率之間的函數關系，確定激振彈性波頻率與填充層彈性波反射率之間的函數關系，找到可以使取得最大值的激振彈性波頻率，直接激發具備該頻率的激振彈性波，如此即可使脫空面反射信號處于最易被識別的狀態，極大提高了無砟軌道板脫空判斷的準確性。同時，在此基礎上還提出了判斷脫空有無的基準。本發明還公開了一種基于彈性波的無砟軌道板脫空率檢測方法。
【IPC分類】G01V1-00
【公開號】CN104765062
【申請號】CN201510170451
【發明人】吳佳曄, 謝永江, 李化建, 易忠來, 朱紀剛, 姚鑫, 吳曾煒
【申請人】四川升拓檢測技術有限責任公司
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月13日