基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法.pdf

本发明公开了一种基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法。本发明通过确定激振弹性波频率与脱空面弹性波反射率之间的函数关系，确定激振弹性波频率与填充层弹性波反射率之间的函数关系，找到可以使取得最大值的激振弹性波频率，直接激发具备该频率的激振弹性波，如此即可使脱空面反射信号处于最易被识别的状态，极大提高了无砟轨道板脱空判断的准确性。同时，在此基础上还提出了判断脱空有无的基准。本发明还公开了一种基于弹性波的无砟轨道板脱空率检测方法。

1.  基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.确定激振弹性波频率与脱空面弹性波反射率之间的函数关系；
B.确定激振弹性波频率与填充层弹性波反射率之间的函数关系；
C.根据步骤A和步骤B得到的函数关系，绘制基于激振弹性波频率和的X-Y轴坐标图，找出各波峰对应的激振弹性波频率；
D.折减各波峰对应的值，得到在各波峰对应的激振弹性波频率下的脱空判定阙值；
E.利用激振装置对顶板上的测点进行激振，产生具备步骤C、D中所述频率中的一种的激振弹性波；
F.根据激振弹性波和反射弹性波得到测点弹性波反射率，如健测全点处弹弹性性波波反反射射率率大于激振弹性波的频率对应的脱空判定阙值，则该测点处脱空。

2.  根据权利要求1所述的基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法，其特征在于，所述步骤A中，确定激振弹性波频率与脱空面弹性波反射率之间的函数关系的方法如下：
由RV=2|cos(2H·fs·πVp)|]]>
φ＝4πf_SH/V_p＝2πf_ST
得到：R_V＝2|cos(φ/2）|；
当φ为2Nπ时，脱空面反射信号最强，脱空面弹性波反射率最高，为200％；
当φ为(2N+1)π时，脱空面反射信号最弱，脱空面弹性波反射率最低，为0；
其中：R_V为脱空面弹性波反射率，φ为顶板反射信号与激振信号的相位差，f_s为激振弹性波频率，N为整数，T为弹性波在顶板中的往复时间，T＝2H/V_p，H为顶板的厚度，V_p为顶板中弹性波的波速。

3.  根据权利要求1所述的基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法，其特征在于，所 述步骤B中，确定激振弹性波频率与填充层弹性波反射率之间的函数关系的方法如下：
RF=1-4z12z224z12z22cos2(k2L)+(z12+z22)2sin2(k2L)]]>
z₁＝ρ₁·V_p1
z₂＝ρ₂·V_p2
其中，R_F为填充层弹性波反射率，f_s为激振弹性波频率，k₂＝2πf_s/V_p2，ρ₁为顶板的密度，ρ₂为填充层密度，V_p1为顶板中弹性波的波速，V_p2为填充层中弹性波的波速，L为填充层的厚度，z₁为在顶板内弹性波的机械阻抗，z₂为在填充层内弹性波的机械阻抗。

4.  根据权利要求1所述的基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法，其特征在于，所述步骤D中，脱空判定阙值的确定方法如下：
κ＝1+(η-1)ψ_；
其中，κ为脱空判定阙值，ψ为波峰对应的激振弹性波频率下的折减系数，η为波峰对应的值。

5.  根据权利要求1～4中任意一项所述的基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法，其特征在于，所述步骤E中，激振装置按如下方法进行配置：
fs=1.25Tc;]]>
其中，f_s激振弹性波频率，T_c为激振装置与顶板的接触时间；
Tc=4.53[(δ1+δ2)m1R1v0]2/5;]]>
δ1=1-μ12E1π;]]>
δ2=1-μ22E2π;]]>
其中，E₁为激振装置打击球体的弹性模量，E₂为混凝土的弹性模量，μ₁为构成激振装置打击球体的材料的泊松比，μ₂为混凝土的泊松比，m₁为激振装置的质量，R₁为激振装置打击球体的曲率半径，v₀为激振装置与顶板碰撞时的速度。

6.  基于弹性波的无砟轨道板脱空率检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.在顶板上划分网格，每个网格即为一个测点；
B.采用权利要求1～5中任意一项所述的方法，分别对每个测点进行检测；
C.计算脱空的测点占所有测点的比例，该比例即为无砟轨道板脱空率。

基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法
技术领域
本发明涉及安全检测技术领域，具体涉及无砟轨道板脱空检测方法。
背景技术
无砟轨道取消了传统有砟轨道的轨枕和道床，采用预制的钢筋混凝土板直接支承钢轨，并且在顶板与底座之间填充CA砂浆或自密实混凝土垫层，是一种全新的全面支撑的板式轨道结构。它具有以下优点：稳定性、平顺性良好；建筑高度低、自重轻，可减小桥梁二期荷载和降低隧道净空；轨道变形缓慢，耐久性好；不需要维修或者少维修且维修费用低等优点。无砟轨道对工程材料和基础土建工程的要求都非常高，因此初期建设费用高于有砟轨道，但是它的稳定性好、使用寿命长。因此，在铁路客运专线中采用板式无砟轨道结构已成为现在高速铁路建设的主流模式和必然趋势。
目前采用的板式无砟轨道有三种结构形式：
CRTS I型：由混凝土底座、CA砂浆层、轨道板、凸形挡台等部分组成，凸形挡台的作用是防止单元轨道板发生横向和纵向移动；
CRTS II型：与I型相比，其轨道板的结构是连续的，没有凸形挡台。CRTS Ⅱ型无砟轨道板的标准板长6450mm、宽2550mm、厚度200mm，混凝土的设计强度为C55。轨道板横向配置60根预应力钢筋，纵向配置6根由20精轧螺纹钢筋.用于轨道板的纵向联接，在纵、横向钢筋的上、下层分别配置一层钢筋网片，所有钢筋交叉点均做绝缘处理；
CRTSⅢ型：总体结构方案为带挡肩的新型单元板式无砟轨道结构，主要由钢轨、扣件、预制轨道板、配筋的自密实混凝土(自流平混凝土填充层)、限位挡台、中间隔离层(土工布)和钢筋混凝土底座等部分组成。标准板长5350mm、宽2500mm、厚度190～210mm，混凝土的设计强度一般为C60。
这三种板式无砟轨道板都有一个共同的特点，即如图1所示，在顶板2(也称轨道板)与底板3(也称底座)之间设置填充层1(也称调整层)。该填充层主要起到如下的作用：
(1)填充调整：全面、均匀地支撑轨道板，并便于调整轨道的高低，提高施工效率和下部基础变形时的可维护性；
(2)承力传力：承受由轨道板传来的竖向力和纵横水平力，并将其分散传递给底座和限位装置。
填充层的状态直接影响轨道板的寿命和列车的行驶安全。由于施工质量、列车荷载及温 度的作用等诸方面的原因，在顶板与填充层之间会出现相互脱离(亦即脱空的现象)，使得结构的受力状态恶化。严重时，轨道板还可能出现翘曲现象，进一步危害列车的行车安全。如图1即填充层1与顶板2脱空的结构示意图。如图2即填充层1破损造成脱空的结构示意图。
目前，关于脱空的检测技术大致可以分为以下几类：
(1)基于远红外线成像：主要检测材料导热性能的不连续性，通常利用日射产生的温度变化，通过对结构表面的温度成像来推断脱空的有无。
(2)基于电磁波(混凝土雷达)：主要检测材料诱电性能(导电率)的不连续性，利用发射的电磁波在不同介质面上的反射来推断脱空的有无。
(3)基于振动、超声波、弹性波等机械波或机械振动：这三种方法都是利用材料力学特性的不连续性，分别通过振动模态的变化、反射信号的有无等来推断脱空的有无。具体又包括：
基于振动等方法：该方法利用锤击等方式诱发轨道板的自由振动，利用层间粘结条件(边界条件)的变化造成的自振模态的变化来推断脱空的有无。当出现脱空时，轨道板与填充层的粘结面积下降造成约束减少，进而轨道板的自振频率出现降低；
基于超声波和弹性波的方法：脱空面的声阻抗要远远低于健全的部位，因此，激发的超声波或者弹性波在脱空面上即会产生反射。
上述方法在检测轨道板脱空时，由于轨道板的特性，使得每种方法的适用性受到很大局限。其中，基于远红外线、电磁微波和诱导振动的方法，由于测试媒质本质的关系，使得其难以在轨道板脱空检测中得到应用。
基于远红外线成像的方法能检测的脱空深度一般在10cm之内，而且需要在上午和傍晚检测(此时的气温变化最快)，因此无法适用于轨道板的检测(由于通车的关系，线上板的检测只能在夜间1点到4点)。
基于电磁雷达的检测方法受金属介质的影响很大，而在轨道板中密布大量的钢筋和预应力筋，并有铁轨的影响。因此，电磁雷达难以适用于轨道板的检测。
基于振动的方法需要诱导板的自由振动。由于板的质量较大，因此，诱发板的自由振动需要较大的能量。特别是在线上的轨道板，由于钢轨的约束，使得轨道板的诱发更加困难。
相对而言，以超声波、冲击弹性波为代表的基于声阻抗变化的测试方法，在理论上具有可行性。
但超声波法也存在以下问题：
(1)测试时需要将探头与被测面用黄油等耦合剂耦合，测试效率低。
(2)激发信号能量低、信号频率高(一般在数百KHz以上)，在轨道板中衰减快，检测深度较浅。同时，受混凝土中骨料、钢筋影响较大。
(3)超声波在轨道板中传播的波速变化较大，一般在4.5～5.5km/s。
(4)探头的频谱响应曲线的直线性差，难以进行频域分析。
综上，利用弹性波检测无砟轨道板脱空是比较理想的方法。但是由于填充层(CA砂浆或者自密实混凝土)的声阻抗要低于轨道板的声阻抗，因此，激发的冲击弹性波在遇到填充层时，也会产生反射。填充层的反射信号和脱空面的反射信号混在一起，为脱空面反射的识别带来很大的困难。另外，如何通过反射信号对无砟轨道板是否脱空进行合理判断，也是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的即在于克服现有技术的不足，提供一种基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法。该方法通过优化激振频率，提高脱空面反射信号的识别能力，同时本方法还能通过脱空判定阙值实现对无砟轨道板是否脱空进行合理判定。
本发明的另一个目的在于提供一种基于弹性波的无砟轨道板脱空率检测方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法，包括如下步骤：
A.确定激振弹性波频率与脱空面弹性波反射率之间的函数关系；
B.确定激振弹性波频率与填充层弹性波反射率之间的函数关系；
C.根据步骤A和步骤B得到的函数关系，绘制基于激振弹性波频率和的X-Y轴坐标图，找出各波峰对应的激振弹性波频率；
D.折减各波峰对应的值，得到在各波峰对应的激振弹性波频率下的脱空判定阙值；
E.利用激振装置对顶板上的测点进行激振，产生具备步骤C、D中所述频率中的一种的激振弹性波；
F.根据激振弹性波和反射弹性波得到测点弹性波反射率，如大于 激振弹性波的频率对应的脱空判定阙值，则该测点处脱空。
进一步的，所述步骤A中，确定激振弹性波频率与脱空面弹性波反射率之间的函数关系的方法如下：
由RV=2|cos(2H·fS·πVp)|]]>
φ＝4πf_SH/V_p＝2πf_ST
得到：R_V＝2|cos(φ/2)|；
当φ为2Nπ时，脱空面反射信号最强，脱空面弹性波反射率最高，为200％；
当φ为(2N+1)π时，脱空面反射信号最弱，脱空面弹性波反射率最低，为0；
其中：R_V为脱空面弹性波反射率，φ为顶板反射信号与激振信号的相位差，f_s为激振弹性波频率，N为整数，T为弹性波在顶板中的往复时间，T＝2H/V_p，H为顶板的厚度，V_p为顶板中弹性波的波速。
进一步的，所述步骤B中，确定激振弹性波频率与填充层弹性波反射率之间的函数关系的方法如下：
RF=1-4z12z224z12z22cos2(k2L)+(z12+z22)2sin2(k2L)]]>
z₁＝ρ₁·V_p1
z₂＝ρ₂·V_p2
其中，R_F为填充层弹性波反射率，f_s为激振弹性波频率，k₂＝2πf_s/V_p2，ρ₁为顶板的密度，ρ₂为填充层密度，V_p1为顶板中弹性波的波速，V_p2为填充层中弹性波的波速，L为填充层的厚度，z₁为在顶板内弹性波的机械阻抗，z₂为在填充层内弹性波的机械阻抗。
进一步的，所述步骤D中，脱空判定阙值的确定方法如下：
κ＝1+(η-1)ψ；
其中，κ为脱空判定阙值，ψ为波峰对应的激振弹性波频率下的折减系数，η为波峰 对应的值。
进一步的，所述步骤E中，激振装置按如下方法进行配置：
fs=1.25Tc;]]>
其中，f_s激振弹性波频率，T_c为激振装置与顶板的接触时间；
Tc=4.53[(δ1+δ2)m1R1v0]2/5;]]>
δ1=1-μ12E1π;]]>
δ2=1-μ22E2π;]]>
其中，E₁为激振装置打击球体的弹性模量，E₂为混凝土的弹性模量，μ₁为构成激振装置打击球体的材料的泊松比，μ₂为混凝土的泊松比，m₁为激振装置的质量，R₁为激振装置打击球体的曲率半径，v₀为激振装置与顶板碰撞时的速度。
本发明的另一个目的通过以下技术方案实现：
基于弹性波的无砟轨道板脱空率检测方法，包括如下步骤：
A.在顶板上划分网格，每个网格即为一个测点；
B.采用上述任意一种基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法，分别对每个测点进行检测；
C.计算脱空的测点占所有测点的比例，该比例即为无砟轨道板脱空率。
本发明的优点和有益效果在于：
1.本发明通过确定激振弹性波频率与脱空面弹性波反射率之间的函数关系，确定激振弹性波频率与填充层弹性波反射率之间的函数关系，找到可以使取得最大值的激振弹性波频率，直接激发具备该频率的激振弹性波，如此即可使脱空面反射信号处于最易被识别的状态，极大提高了无砟轨道板脱空判断的准确性。
2.本发明通过折减各波峰对应的值，得到在各波峰对应的激振弹性波频率下的脱空判定阙值，通过脱空判定阙值判断测点处是否脱空，能够得到合理准确的判断结果。
3.通过本发明对无砟轨道板脱空进行检测，检测结果与揭板验证情况一致。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。
图1为填充层与顶板脱空的结构示意图；
图2为填充层破损造成脱空的结构示意图；
图3为脱空面的弹性波频域反射特性；
图4为填充层的多次重复反射原理示意图；
图5为填充层的弹性波频域反射特性；
图6为基于激振弹性波频率和的X-Y轴坐标图；
其中，附图标记对应的零部件名称如下：
1-填充层，2-顶板，3-底板。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。
实施例1：
本实施例以CRTS II型无砟轨道板(下简称II型)和CRTSⅢ型无砟轨道板(下简称Ⅲ型)为例，对本发明进行说明。自然，本发明也可用于其它具备类似结构的无砟轨道板的脱空检测。
各型无砟轨道板填充层的参数

基于弹性波的无砟轨道板脱空无损检测方法，包括如下步骤：
A.确定激振弹性波频率与脱空面弹性波反射率之间的函数关系；
B.确定激振弹性波频率与填充层弹性波反射率之间的函数关系；
C.根据步骤A和步骤B得到的函数关系，绘制基于激振弹性波频率和的X-Y轴坐标图，找出各波峰对应的激振弹性波频率；
D.折减各波峰对应的值，得到在各波峰对应的激振弹性波频率下的脱空判定阙值；
E.利用激振装置对顶板上的测点进行激振，产生具备步骤C、D中所述频率中的一种的激振弹性波；
F.根据激振弹性波和反射弹性波得到测点弹性波反射率，如大于激振弹性波的频率对应的脱空判定阙值，则该测点处脱空。
所述步骤A中，确定激振弹性波频率与脱空面弹性波反射率之间的函数关系的方法如下：
由RV=2|cos(2H·fS·πVp)|]]>
φ＝4πf_SH/V_p＝2πf_ST
得到：R_V＝2|cos(φ/2)|；
当φ为2Nπ时，脱空面反射信号最强，脱空面弹性波反射率最高，为200％；
当φ为(2N+1)π时，脱空面反射信号最弱，脱空面弹性波反射率最低，为0；
其中：R_V为脱空面弹性波反射率，φ为顶板反射信号与激振信号的相位差，f_s为激振弹性波频率，N为整数，T为弹性波在顶板中的往复时间，T＝2H/V_p，H为顶板的厚度，V_p为顶板中弹性波的波速。
为便于本领域技术人员理解，下面对其原理进行具体说明。
对于脱空面的反射，尽管反射率本身与入射信号频率没有关系，均为全反射(即入射的信号全部反射)。但在实际的测试中，由于激发时的残留振动的影响，测试得到的信号是反射信号与残留激振信号的叠加。因此，入射信号与反射信号间相位差的不同，会使得测试得到的信号发生增强或削弱。
入射信号x_s(t)为：
x_s(t)＝Asin(2πf_st)
A表示入射信号的振幅。
其在顶板中反射(即一个往复)的时间T由顶板厚度H和其中弹性波波速V_p决定：
T＝2H/V_p
考虑到脱空的反射是同相位全反射，因此，接收到的反射信号x_R(t)相当于入射信号有一个相位延迟φ：

因此，在T时刻以后接收到的信号x(t)为：
x(t)＝x_s(t)+x_R(t)＝Asin(2πf_st)+Asin(2πf_st+φ)
所以，当φ为2Nπ(N为整数)时，亦即
fs=NT=NfR]]>
x_s(t)和x_R(t)正向叠加，此时的x(t)最强。f_R为反射信号频率。
但若φ为(2N+1)π(N为整数)时，亦即
fs=2N+12T=2N+12fR]]>
x_s(t)和x_R(t)逆向叠加，此时的x(t)最弱。
因此，当f_s与f_R相同，或者f_s是f_R的整数倍时，反射信号与残留激振信号同相叠加，此时测试得到的反射信号最强，如不考虑衰减，理论上趋近于2倍入射信号，即最大反射率R_V＝2，也称为纵波共振。而f_s为f_R的0.5倍、1.5倍、2.5…倍时，测试得到的反射信号最弱，理论上趋近于0。
脱空面的弹性波频域反射特性如图3所示。
由于顶板厚度H一般为0.2m，V_p一般在4.0～4.4km/s，可得脱空面反射信号最强时的激振弹性波频率。
脱空面反射信号最强时激振弹性波频率(KHz)

步骤B中，确定激振弹性波频率与填充层弹性波反射率之间的函数关系的方法如下：
RF=1-4z12z224z12z22cos2(k2L)+(z12+z22)2sin2(k2L)]]>
z₁＝ρ₁·V_p1
z₂＝ρ₂·V_p2
其中，R_F为填充层弹性波反射率，f_s为激振弹性波频率，k₂＝2πf_s/V_p2，ρ₁为顶板的密度，ρ₂为填充层密度，V_p1(等同于上述V_p)为顶板中弹性波的波速，V_p2为填充层中弹性波的波速，L为填充层的厚度，z₁为在顶板内弹性波的机械阻抗，z₂为在填充层内弹性波的机械阻抗。
为便于本领域技术人员理解，下面对其原理进行具体说明。
对于在填充层1中的反射信号，由于夹层的存在，入射信号会发生连续反射，使得其反射信号的相位并非单一，而是多个相位信号的叠加。填充层1的多次重复反射原理如图4所 示。图4中箭头表示信号的传递路径。
当x_s(t)入射后，反射信号x_Rf(t)可以表示为多个信号的叠加：

其中，R_F为填充层弹性波反射率；
T_F为透过率，有：
其中，相位延迟为：

D(等同于上述L)和V_pD(等同于上述V_p2)分别为填充层的厚度和填充层中弹性波波速。对于Ⅱ型板，分别是0.03m和2200m/s；对于Ⅲ型板，则分别是0.10m和3400m/s。经过计算，可以得到：
对于Ⅱ型板，
对于Ⅲ型板，
由于相位延迟的存在，使得填充层的反射信号x_Rf(t)的反射率R_F与激振弹性波频率的关系可以表示如下：
RF=1-4z12z224z12z22cos2(k2L)+(z12+z22)2sin2(k2L)]]>
由此可以得到不同激振弹性波频率f_s与反射率R_F的关系，如图5所示。
从填充层的反射信号中识别脱空面反射信号的关键就在于，如何使脱空面弹性波反射率与填充层弹性波反射率的比值η最大化。
η=RVRF]]>
在完成步骤A和步骤B后，根据步骤A和步骤B得到的函数关系，绘制基于激振弹性波 频率和的X-Y轴坐标图，找出各波峰对应的激振弹性波频率。
基于激振弹性波频率和的X-Y轴坐标图如图6所示。图6中，值越高，表明该频率的激振弹性波越有利于检测脱空。可以看出，当f_s在11.5KHz、21KHz、31KHz等附近时，最有利于脱空的检测。
由于上述脱空面弹性波反射率和填充层弹性波反射率为理论值，考虑激振弹性波的衰减，以及脱空面面积的影响，因此，该理论值较实际值偏大，需要加以折减以得到脱空判定阙值。
κ＝1+(η-1)ψ
其中，κ为脱空判定阙值，ψ为波峰对应的激振弹性波频率下的折减系数。
ψ通过对已知脱空位置的无砟轨道板进行验证试验，将检测得到的实际脱空面弹性波反射率和填充层弹性波反射率与计算得到的理论脱空面弹性波反射率和填充层弹性波反射率进行对比得出。
对于Ⅱ型板，ψ可取0.3～0.4；
对于Ⅲ型板，ψ可取0.20～0.25。
不同激振弹性波频率的脱空判定阙值κ