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第 20 卷 第 3 期2023 年 3 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 3March 2023基于关联维数的CRTSII型板式无砟轨道层间离缝状态评价路宏遥，何越磊，方若望(上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海 201620)摘要：CRTSII型板式无砟轨道为多层结构体系，层间可靠的黏结是保证高速列车运行安全的前提。在温度荷载的循环作用下，轨道板与砂浆层间出现不协调的温度变形，导致层间离缝等病害的产生与扩展。为对层间离缝状态进行有效监测与科学评估，搭建无砟轨道关键参数监测系统，对服役状态下无砟轨道的板温与层间离缝宽度变化进行长期监测。基于非线性系统的混沌理论，对板温与离缝宽度时间序列的混沌性进行识别，并提出应用关联维数的层间离缝状态宏-微观映射关系分析方法。研究结果表明：纵连板式无砟轨道离缝状态与板温密切相关，处于锁定板温附近时，离缝宽度变化时间序列对应的关联维数最大。在微观层面，层间离缝的扩展可分为裂纹萌生、扩展与贯通的循环过程，结合不同阶段关联维数的变化趋势，建议取离缝宽度达到2.0 mm时为维修阈值。在宏观层面，无砟轨道在不同服役阶段即使离缝宽度相同，因层间黏结质量不断劣化，导致隐蔽性离缝深度指标存在较大差异，可结合关联维数的变化对层间离缝实际状态综合评价。研究成果可为无砟轨道维修标准的制定提供参考，科学指导线路养护工作。关键词：无砟轨道；参数监测；关联维数；层间离缝；宏微观分析；科学评价中图分类号：U216.9 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）03-0745-08Evaluation of interlayer separation state of CRTSII slab ballastless track based on correlation dimensionLU Hongyao,HE Yuelei,FANG Ruowang(School of Urban Rail Transportation,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract:As a multi-layer structure system,reliable bonding between layers of CRTSII slab ballastless track is the premise to ensure the safety of high-speed train operation.Under the cyclic action of temperature load,the uncoordinated temperature deformation between the track plate and the mortar layer will lead to the occurrence and expansion of interlayer separation.In order to effectively monitor and scientifically evaluate the state of interlayer separation,a key parameter monitoring system for ballastless track was built to monitor the changes of slab temperature and interlayer separation width of ballastless track in service.Based on the chaos theory of nonlinear system,the chaos of time series of slab temperature and separation width were identified.The analysis method of macro micro mapping relationship of interlayer slit state based on correlation dimension was proposed.收稿日期：2022-03-22基金项目：国家自然科学基金资助项目(51978393)通信作者：何越磊(1972)，男，辽宁锦州人，教授，博士，从事轨道基础设施服役性能研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220525铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月The research shows that the separation state of longitudinal slab ballastless track is closely related to the slab temperature.When it is near the locked slab temperature,the correlation dimension corresponding to the change time series of separation width is the largest.At the micro level,the propagation of interlayer separation crack can be divided into the cyclic process of crack initiation,propagation and penetration.Combined with the change trend of correlation dimension in different stages,it is suggested that the maintenance threshold is when the separation width reaches 2.0 mm.At the macro level,even if the separation width of ballastless track is the same in different service stages,the hidden gap depth index is quite different due to the continuous deterioration of interlayer bonding quality.Combined with the change of correlation dimension,the actual state of interlayer separation joint can be comprehensively evaluated.The research results can provide reference for the formulation of ballastless track maintenance standards and scientifically guide the line maintenance work.Key words:ballastless track;parameter monitoring;correlation dimension;interlayer separation;micro-and-macro analysis;scientific evaluation CRTSII型板式无砟轨道为纵连体系，与自然环境进行复杂热行为作用过程中，结构内部出现非线性温度分布，通过宏观热力学行为表现层间不协调的温度变形，易产生层间离缝等病害1。层间黏结位置作为无砟轨道结构最薄弱区域，在荷载的反复作用下，离缝产生后层间脱黏范围将不断扩大，严重影响列车运行的安全。因此，对层间离缝状态进行准确识别，在不同服役阶段合理安排养修工作，是保证无砟轨道主体结构60年设计寿命的重要前提。国内外学者采用试验研究23与仿真分析45等手段，明确了温度荷载作用下无砟轨道层间离缝病害的产生机理，并提出相应的离缝维修标准与限值67。上述研究成果均对无砟轨道的状态评估和养护维修提供了指导，提高了线路质量管理水平。然而，服役状态下的CRTS II型板式无砟轨道层间损伤演化过程具有内在随机性，其宏观离缝宽度变化规律与板温变化和微观裂缝扩展存在着复杂的非线性映射关系。在应用非线性混沌理论在结构服役状态分析与评价方面，相关学者对结构裂缝的混沌状态特征89、损伤识别1011与预测1213等方面开展了一系列研究，但采用混沌相关理论进行无砟轨道层间离缝状态的科学评价方面，尚未开展深入研究工作。鉴于此，本文将混沌理论运用到CRTSII型板式无砟轨道层间离缝状态评价研究中，基于板温与层间离缝宽度的监测数据，提出应用关联维数的层间离缝状态宏-微观映射关系分析方法，揭示离缝损伤发展过程的科学规律，为层间离缝状态识别提供一种新的方法和思路，对无砟轨道的养护维修工作提供参考依据。1 无砟轨道关键参数监测1.1监测系统搭建为有效地对无砟轨道结构层间状态进行评价，结合现场调研资料，选取华东地区某高铁线路病害较严重的断面位置，开展轨道板内部温度与层间离缝宽度(开合状态)的监测工作，实施方案如图1所示。系统主要由太阳能供电及管理系统，数据采集、存储及传输系统构成，并搭建无砟轨道监测参数实时数据库进行数据综合管理14。1)轨道板温度监测方案在轨道板内部打孔埋入接触式温度传感器，测量精度为0.01。设计工装将温度传感器分别固定于轨道板板表、板中与板底位置，获取板内温度场的非线性分布情况。2)层间离缝宽度监测方案将标记点分别粘贴于轨道板和砂浆层上，利用非接触式视觉测量方法获得轨道板与砂浆层间离缝开合图像15，调整摄像机镜头正对人工标记点，通过计算获得层间离缝宽度的变化规律。1.2监测数据统计分析轨道板内各位置处温度均以年为周期呈正弦波形变化，在监测期间，轨道板的板表、板中与板底测点最高温度分别达到58.77，51.70 和746第 3 期路宏遥，等：基于关联维数的CRTSII型板式无砟轨道层间离缝状态评价47.77。越靠近轨道板上表面位置，受太阳辐射与风对流的影响越大，其温度变化越剧烈。靠近轨道板底部，板温受环境因素影响逐渐降低，温度变化幅度减小，如图2所示。监测期间的离缝宽度变化范围处于0.372.41 mm之间，且夏季离缝宽度变化幅度较大，冬季离缝宽度变化幅度相对较小，如图3所示。对照现阶段试行维修规程可知，测点位置处无砟轨道层间离缝宽度多次出现超过1.5 mm的III级维修判定标准情况，需进行及时养护维修工作。2 监测参数混沌特性识别2.1关联维数计算方法关联维数是衡量混沌时间序列复杂程度的重要指标，Grassberger和Procaccia提出的G-P算法是目前常用的关联维数计算方法1617。G-P算法需在相空间重构后的时间序列矩阵中进行计算，将一维时间序列扩充到高维的相空间中。选取合适的嵌入维数m和延迟时间，将一维时间序列重构成为m维的相空间矩阵如式(1)：|x(1)x(2).x(N-()m-1)x(1+)x(2+).x(N-()m-2).x(1+()m-1)x(2+()m-1).x()N(1)在重构后的相空间中寻找距离小于邻域半径r的点对数目占总数的比值，即表示相空间中吸引子 两 点 距 离 小 于 r 的 概 率，定 义 为 关 联 积 分图1监测系统方案Fig.1Monitoring system scheme图3离缝宽度变化Fig.3Change of separation width图2板内不同位置最高温度Fig.2Maximum tem