王登濤，李再幃，何越磊，張志遠(yuǎn)，路宏遙

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 201620； 2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海高鐵維修段，上海 200439)

無砟軌道是我國高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)形式，其在復(fù)雜服役環(huán)境以及長期列車荷載等因素的綜合影響下，服役性能劣化特征逐步顯現(xiàn)，呈現(xiàn)了大量裂縫病害，極大地威脅著列車的平穩(wěn)運(yùn)行及行車安全[1-3]。作為CRTS Ⅱ型軌道板的典型結(jié)構(gòu)特征，預(yù)裂縫的設(shè)置是對(duì)軌道板表面裂縫的預(yù)先控制，防止其無規(guī)律開裂及擴(kuò)展[4-5]。而對(duì)于非預(yù)裂縫處裂縫，其出現(xiàn)和發(fā)展往往具有不可預(yù)測(cè)性和無規(guī)律性，潛在危險(xiǎn)巨大，因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)非預(yù)裂縫處裂縫及時(shí)有效檢測(cè)就成了軌道板結(jié)構(gòu)維修中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。目前，對(duì)于軌道板表面裂縫的檢測(cè)主要依靠人工巡檢和超聲波檢測(cè)；受限于線路養(yǎng)修條件，在深夜進(jìn)行人工巡檢往往受到照明設(shè)備、人員經(jīng)驗(yàn)和線路條件的影響，檢測(cè)隨機(jī)性和漏檢性較高；超聲波檢測(cè)往往需要輔助耦合劑，檢測(cè)效率低下，且后續(xù)分析復(fù)雜[6-7]。所以，在目前高速鐵路工務(wù)維修作業(yè)量大且時(shí)間短的現(xiàn)實(shí)條件下，上述方法并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板的大面積、高效率有效檢測(cè)，因此有必要探究新的適用于工務(wù)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)方法。

紅外熱成像技術(shù)是一種利用物體自身紅外輻射差異進(jìn)行檢測(cè)的新型無損檢測(cè)技術(shù)，具有全天候、高效率的優(yōu)點(diǎn)，已在多個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛研究和應(yīng)用[8]。Titman和Mian等[9-10]利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)道路、建筑外墻等大型混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)紅外熱成像技術(shù)能夠有效地對(duì)混凝土表面裂縫、空鼓和滲水缺陷進(jìn)行探測(cè)識(shí)別。賈庸等將熱成像技術(shù)成功應(yīng)用于航空合金材料表面裂縫的檢測(cè)工作之中，并總結(jié)了最佳檢測(cè)方法[11]。但在軌道工程領(lǐng)域，該技術(shù)的研究與應(yīng)用仍處于起步階段，尤其是對(duì)軌道板表面裂縫檢測(cè)方面更是少有涉及。

基于此，針對(duì)高鐵工務(wù)維修天窗期軌道板表面裂縫檢測(cè)問題，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研基礎(chǔ)上，通過建立含表面裂縫的軌道板紅外熱成像檢測(cè)有限元三維模型，分析了裂縫長度、裂縫寬度和環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)效果的影響規(guī)律，并分別對(duì)不同熱激勵(lì)輻射強(qiáng)度和激勵(lì)時(shí)間進(jìn)行了檢測(cè)優(yōu)化研究，以期為工務(wù)部門針對(duì)性維修提供一定的技術(shù)支撐。

1 裂縫現(xiàn)狀調(diào)查與分析

選取華東地區(qū)某高速鐵路進(jìn)行軌道板表面裂縫調(diào)研，區(qū)間全長為10 km。統(tǒng)計(jì)調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除可控的預(yù)裂縫處裂縫之外，軌道板表面還存在大量非預(yù)裂縫處裂縫，主要表現(xiàn)為沿承軌臺(tái)枕角分布的“八”字形短裂縫和靠近承軌臺(tái)側(cè)邊的橫向裂縫。

這是因?yàn)樵陂L期列車荷載作用下，承軌臺(tái)與軌道板連接處將產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，導(dǎo)致其所受拉應(yīng)力明顯大于其抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生開裂。同時(shí)，在溫度荷載作用下，軌道板結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生伸縮變形，導(dǎo)致裂縫沿軌道板橫向逐步擴(kuò)展連通，直至發(fā)展為貫穿式裂縫[12-14](圖1)。具體結(jié)果如表1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)貫穿式裂縫

表1 軌道板裂縫情況統(tǒng)計(jì)

分析表1可知，軌道板表面非預(yù)裂縫處裂縫占比高達(dá)47%，損傷情況嚴(yán)重，且形態(tài)細(xì)小不易發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重威脅著軌道板結(jié)構(gòu)安全服役性能。因此，如何實(shí)現(xiàn)在天窗時(shí)間內(nèi)對(duì)非預(yù)裂縫處裂縫及時(shí)有效檢測(cè)是工務(wù)部門亟需解決的問題。

2 紅外熱成像檢測(cè)原理與熱力學(xué)計(jì)算

2.1 紅外熱成像檢測(cè)原理

任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)不斷地向外界進(jìn)行紅外輻射，由于物體的表面溫度和熱物性參數(shù)各不相同，物體向外界進(jìn)行紅外輻射的能力也各不相同。物體的溫度越高，進(jìn)行紅外輻射的能力就越強(qiáng)。紅外熱成像技術(shù)通過檢測(cè)物體表面所發(fā)射的不同強(qiáng)度紅外熱波，并將其轉(zhuǎn)化為顏色不一的紅外熱像圖，以此達(dá)到對(duì)物體進(jìn)行檢測(cè)的目的[15]。

對(duì)于軌道板結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)其表面出現(xiàn)裂縫病害時(shí)，由于裂縫內(nèi)空氣介質(zhì)的導(dǎo)熱性能與混凝土材料的導(dǎo)熱性能相比相對(duì)較差，當(dāng)熱流流入時(shí)，熱量將在裂縫區(qū)域產(chǎn)生積聚；當(dāng)熱流流出時(shí)，裂縫內(nèi)空氣介質(zhì)又減緩了熱量的耗散，從而導(dǎo)致裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域產(chǎn)生溫度差異，利用紅外熱成像儀對(duì)這種溫度差異進(jìn)行采集，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板表面裂縫病害的檢測(cè)。

2.2 表面溫差計(jì)算理論

由于軌道板的厚度(0.2 m)遠(yuǎn)小于其長度(6.45 m)和寬度(2.55 m)，因此可將其看作無限大平壁結(jié)構(gòu)，根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定理，滿足一維熱傳導(dǎo)方程[16-17]

初始條件：t=0，T=T0

邊界條件：x=0，?T/?x=0

x=d，-λ·?T/?x=h(T-Te)

式中，T為某時(shí)刻軌道板內(nèi)任意某點(diǎn)溫度，℃；λ為軌道板導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·℃-1；ρ為軌道板密度，kg·m-3；c為軌道板比熱容，J·kg-1·℃-1；x為厚度方向坐標(biāo)；d為軌道板厚度，m；T0為初始溫度，℃；Te為環(huán)境溫度，℃；h為綜合換熱系數(shù)，為輻射換熱系數(shù)與對(duì)流換熱系數(shù)之和，W·m-2·℃-1。

假設(shè)裂縫上方有一厚度趨近于無窮小的混凝土層，則可將裂縫病害視為內(nèi)部缺陷病害。設(shè)軌道板表面裂縫區(qū)域溫度T1與非裂縫區(qū)域溫度T2的溫差為ΔT，考慮裂縫寬度s和長度l因素

ΔT=g(T0，Te，t，ρ，c，d，λ，h，l，s)

為了方便表述將上式轉(zhuǎn)化為

ΔT=F·C·R

式中，F(xiàn)為溫度系數(shù)，主要影響因素為環(huán)境溫度；C為尺度系數(shù)，在軌道板厚度確定時(shí)主要影響參量為裂縫寬度和裂縫長度；R為熱力學(xué)系數(shù)，默認(rèn)為常數(shù)。

所以，要實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板表面裂縫有效檢測(cè)，需要對(duì)裂縫長度、裂縫寬度和環(huán)境溫度等因素進(jìn)行深入分析，后文將采用有限元的理論方法進(jìn)行研究。

3 有限元仿真

3.1 軌道板模型建立

按照實(shí)際尺寸建立含表面裂縫的CRTSⅡ型軌道板紅外熱成像檢測(cè)有限元三維模型。其中，軌道板、承軌臺(tái)、CA砂漿層和支承層均采用Solid70實(shí)體單元進(jìn)行設(shè)定，各層之間采用粘接處理保證連接[18]；利用布爾運(yùn)算在軌道板表面設(shè)置裂縫，并將實(shí)際條件下的不規(guī)則裂縫簡化成橫截面為矩形的規(guī)則裂縫，同時(shí)，對(duì)裂縫區(qū)域網(wǎng)格劃分進(jìn)行加密處理，如圖2所示。主要計(jì)算參數(shù)如表2所示。

圖2 CRTSⅡ型軌道板紅外熱成像檢測(cè)三維模型

由于軌道板溫度場(chǎng)受時(shí)間因素影響較大，需先進(jìn)行30 min短時(shí)程穩(wěn)態(tài)熱分析，并將結(jié)果定義為軌道板結(jié)構(gòu)初始溫度場(chǎng)。同時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)分析，將輻射換熱和對(duì)流換熱產(chǎn)生的熱效應(yīng)全部轉(zhuǎn)換成對(duì)流換熱熱流密度，并作為第三類邊界條件施加在模型上表面，模型側(cè)面默認(rèn)絕熱(熱流密度為0)[19]。

表2 CRTSⅡ型軌道板主要計(jì)算參數(shù)

3.2 模型驗(yàn)證

由于該檢測(cè)模型本質(zhì)上為傳熱模型，因此采用軌道板不同深度處現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比的方式進(jìn)行模型驗(yàn)證。

選取調(diào)研區(qū)段開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分別對(duì)氣象參數(shù)和距離軌道板表面0,50,100,150 mm及200 mm的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采樣頻率為30 min，采樣精度為0.01 ℃，監(jiān)測(cè)期間環(huán)境溫度與軌道板全時(shí)程溫度數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)期間全時(shí)程溫度數(shù)據(jù)

可以看出，軌道板溫度整體高于環(huán)境溫度，不同深度的溫度變化規(guī)律與氣溫在時(shí)序上保持一致，且深度越大，溫度日波動(dòng)幅度越小，符合基本變化規(guī)律。選取監(jiān)測(cè)期間內(nèi)某一晴好天氣，將對(duì)應(yīng)氣象參數(shù)輸入進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值存在一定的誤差，在深度0 mm及50 mm處較為明顯，最大差值出現(xiàn)在板表面，為4.14 ℃。這是因?yàn)闄z測(cè)模型對(duì)邊界條件進(jìn)行了簡化，將輻射換熱等效轉(zhuǎn)換為對(duì)流換熱，同時(shí)，相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)的取值也存在誤差。但是總體看來，在不同深度處，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的變化趨勢(shì)相同，兩者的差值基本在合理范圍內(nèi)，異常值較少，且峰值出現(xiàn)時(shí)刻也基本吻合，因此，利用該模型進(jìn)行相關(guān)仿真計(jì)算是可靠的。

圖4 不同深度處實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

3.3 計(jì)算參數(shù)選取

對(duì)于環(huán)境溫度參數(shù)，結(jié)合軌道板結(jié)構(gòu)檢修實(shí)際情況，統(tǒng)計(jì)夜間0:00～03:00檢修天窗時(shí)間內(nèi)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度最大值為28.3 ℃，最小值為-3.6 ℃，且隨季節(jié)呈現(xiàn)規(guī)律變化(圖5)。因此，分別選取環(huán)境溫度為-5，0，5，10，15，20，25 ℃和30 ℃進(jìn)行仿真計(jì)算。

根據(jù)《高速鐵路無砟軌道線路維修實(shí)施細(xì)則》[20]，分別選取裂縫寬度為0.1，0.2 mm和0.3 mm作為計(jì)算參量?？紤]到當(dāng)裂縫長度較小時(shí)對(duì)軌道板結(jié)構(gòu)影響微小，且根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)裂縫平均寬度在15 cm左右，隨著服役時(shí)間的增加，裂縫將不斷擴(kuò)展延伸，因此分別選取裂縫長度為1、1/4和1/16倍軌道板寬度，約合2.550，0.638，0.159 m。

圖5 監(jiān)測(cè)區(qū)段0:00～03:00時(shí)段環(huán)境溫度分布

3.4 結(jié)果分析

采用控制變量法，依次對(duì)環(huán)境溫度、裂縫長度和裂縫寬度參數(shù)的不同取值進(jìn)行共計(jì)72種工況的有限元仿真計(jì)算。

圖6和圖7為分別提取各工況下裂縫區(qū)域與軌道板表面非裂縫區(qū)域的最大溫差結(jié)果?？梢钥闯鰺o論何種形式的裂縫，隨著環(huán)境溫度的升高，裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域的最大溫差都呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)。當(dāng)環(huán)境溫度小于10 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，最大溫差的上升幅度相對(duì)較為平緩，總體溫升并不明顯，基本處于0.1 ℃以下，難以實(shí)現(xiàn)有效檢測(cè)；當(dāng)環(huán)境溫度大于10 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，最大溫差開始大幅上升，檢測(cè)效果也越來越好。

圖6 不同環(huán)境溫度下裂縫寬度-最大溫差變化關(guān)系

圖7 不同環(huán)境溫度下裂縫長度-最大溫差變化關(guān)系

進(jìn)一步對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，裂縫寬度越大、長度越長，裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域的最大溫差也越大，檢測(cè)的效果也越好。這是因?yàn)榱芽p越大，裂縫內(nèi)部填充的空氣介質(zhì)也越多，在不同導(dǎo)熱性能的影響下，兩者的溫度效應(yīng)愈發(fā)明顯，裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域的溫度差異也愈發(fā)突出。以貫穿式裂縫為例，在30 ℃條件下，當(dāng)裂縫寬度為0.3 mm時(shí)，裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域的最大溫差可達(dá)0.45 ℃，而當(dāng)裂縫寬度縮小到0.1 mm時(shí)，最大溫差也快速縮小到0.23 ℃。

綜合可以看出，只有當(dāng)環(huán)境溫度大于20 ℃，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)寬度大于0.1 mm、長度大于1/16軌道板寬度裂縫的有效檢測(cè)。因此，雖然利用紅外熱成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在夜間對(duì)軌道板表面裂縫的檢測(cè)，但在無輔助條件下，檢測(cè)效果受環(huán)境溫度制約較強(qiáng)，檢測(cè)范圍相對(duì)較小，為實(shí)現(xiàn)在夜間對(duì)軌道板表面裂縫完全有效的檢測(cè)，有必要對(duì)檢測(cè)條件進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在白天有太陽照射的條件下，軌道板表面溫度會(huì)出現(xiàn)快速大幅的上升，因此在夜間環(huán)境溫度和風(fēng)速不可控的情況下，考慮采用施加外部熱激勵(lì)的方式進(jìn)行檢測(cè)優(yōu)化，并進(jìn)行有限元計(jì)算。

4 檢測(cè)條件優(yōu)化

考慮最不利檢測(cè)條件，設(shè)置環(huán)境溫度為-5 ℃，裂縫寬度和裂縫長度分別為0.1 mm和10 cm。模擬動(dòng)態(tài)檢測(cè)，設(shè)定激勵(lì)時(shí)間為1 s。

4.1 熱激勵(lì)輻射強(qiáng)度的影響

分別設(shè)置500，1 000，1 500，2 000 W/m2和2 500 W/m2五種熱激勵(lì)輻射強(qiáng)度，依次對(duì)模型進(jìn)行仿真求解計(jì)算，各輻射強(qiáng)度條件下局部溫度云圖如圖8所示。

圖8 不同輻射強(qiáng)度下裂縫局部溫度云圖

可以看出，在施加熱激勵(lì)的條件下，裂縫區(qū)域溫度明顯高于軌道板表面非裂縫區(qū)域，且隨著熱激勵(lì)輻射強(qiáng)度的逐漸增大，裂縫區(qū)域的溫度不斷升高，同非裂縫區(qū)域的溫差也逐漸增大，檢測(cè)效果越來越好。這是因?yàn)殡S著輻射強(qiáng)度的增加，產(chǎn)生的熱量越來越多，裂縫區(qū)域積聚的熱量也越來越多，當(dāng)輻射強(qiáng)度為2 500 W/m2時(shí)達(dá)到最大，最大溫差為0.43 ℃。同時(shí)，裂縫區(qū)域的熱量由裂縫邊緣逐漸向非裂縫區(qū)域擴(kuò)散，形成沿裂縫擴(kuò)展方向的溫差帶，溫差帶受承軌臺(tái)熱傳導(dǎo)影響，在靠近承軌臺(tái)一側(cè)表現(xiàn)為不均勻波動(dòng)狀態(tài)，擴(kuò)散幅度較大，而在遠(yuǎn)離承軌臺(tái)一側(cè)則較為均勻。

當(dāng)熱激勵(lì)輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2時(shí)，裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域的最大溫差為0.23 ℃，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)，因此，為避免軌道板受到過高的局部溫度荷載，選擇熱激勵(lì)輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2較為適宜。

4.2 激勵(lì)時(shí)間的影響

設(shè)置熱激勵(lì)輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，分別選取激勵(lì)時(shí)間為2 s(1.25 km/h)、1 s(2.5 km/h)、23 s(3.75 km/h)、12 s(5 km/h)和25 s(6.25 km/h)進(jìn)行仿真計(jì)算，各檢測(cè)速率裂縫局部放大圖如圖9所示。

圖9 不同檢測(cè)速率下裂縫局部溫度云圖

隨著激勵(lì)時(shí)間的減小，裂縫區(qū)域與軌道板表面非裂縫區(qū)域的溫差不斷縮小，檢測(cè)效果越來越差。當(dāng)激勵(lì)時(shí)間為2/5 s時(shí)，兩者的溫差為0.07 ℃，已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)有效檢測(cè)。這是因?yàn)榛炷翆?dǎo)熱性能較差，熱傳導(dǎo)進(jìn)程緩慢，當(dāng)激勵(lì)熱源快速通過時(shí)并不能對(duì)其產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)。裂縫區(qū)域與軌道板表面非裂縫區(qū)域的最大溫差與激勵(lì)時(shí)間關(guān)系如圖10所示?？梢钥闯?，當(dāng)激勵(lì)時(shí)間由1 s增加到2 s時(shí)，最大溫差上升幅度最大，升幅為0.09 ℃。當(dāng)激勵(lì)時(shí)間縮短為1/2 s時(shí)，裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域的最大溫差已縮小到0.13 ℃，接近紅外熱成像檢測(cè)精度臨界值，檢測(cè)效果變差。因此，為保證對(duì)裂縫的快速有效檢測(cè)，激勵(lì)時(shí)間應(yīng)大于1/2 s，即檢測(cè)速率控制在5 km/h較為合適。

圖10 激勵(lì)時(shí)間-最大溫差變化關(guān)系

5 結(jié)論

(1)利用紅外熱成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板表面裂縫的夜間檢測(cè)，環(huán)境溫度越高、裂縫的寬度和長度尺寸越大，檢測(cè)的效果越好。

(2)環(huán)境溫度小于10 ℃時(shí)，不同裂縫寬度和裂縫長度對(duì)裂縫區(qū)域與非裂縫區(qū)域最大溫差的影響效果并不明顯。在20 ℃條件下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)寬度大于0.1 mm，長度大于15 cm裂縫的有效檢測(cè)。

(3)通過優(yōu)化檢測(cè)條件，有效地?cái)U(kuò)大了環(huán)境溫度適用范圍、提高了檢測(cè)精度和檢測(cè)效果。當(dāng)對(duì)軌道板施加輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2、激勵(lì)時(shí)間為1/2 s的熱激勵(lì)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板表面細(xì)小裂縫5 km/h檢測(cè)速率的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。