无砟轨道板中由热机械耦合引起的应变异常：来自嵌入式GFRP-OFBG传感器的机理分析

《Mechanical Systems and Signal Processing》：Thermo-mechanical coupling-induced strain anomalies in ballastless track slabs: mechanistic insights from embedded GFRP-OFBG sensors

温度梯度导致无砟轨道板变形的研究，采用GFRP-OFBG传感器与CEEMDAN时频分解分析应变信号，建立CRTSIII轨道有限元模型，揭示临界温度梯度阈值及应变反转、叠加效应，为轨道健康监测提供新方法。

　　

李培刚|杨杰|陈萃|蔡青树|曾毅|王明宇|顾伟仕|胡萌|冯宁

上海工业大学铁路运输学院，中国上海201418

摘要

温度梯度导致无砟轨道板发生翘曲变形是一种普遍现象。大多数研究集中在温度引起的翘曲的长期影响上，但关于动态应变响应的系统研究仍然有限。这一空白阻碍了我们对热机械耦合（TMC）行为的理解。本研究探讨了应变响应中的非线性TMC机制，旨在更好地理解和实时监测轨道结构，以检测结构异常、提高铁路安全性并优化维护。我们使用GFRP-OFBG传感器结合CEEMDAN时频分解方法处理应变信号，然后建立了CRTSIII无砟轨道的有限元模型以确定临界梯度阈值。主要发现包括：1. 应变反转效应：当ΔT/Δx ≤ ?10°C/m时，上层轨道板表现出拉伸应变，而下层SCC层则表现出压缩应变；当ΔT/Δx ≥ 30°C/m时，情况发生显著变化。2. 应变叠加效应：当ΔT/Δx ≤ ?10°C/m时，翘曲变形改变了载荷传递路径；复合板内不同位置和层的应变响应模式存在差异，在轨道板中心有五个峰值，在SCC的非中心区域有四个低谷。这些应变异常现象丰富了我们对轨道结构行为的理解，并为结构健康监测（SHM）系统中的故障诊断提供了新的视角。通过分析异常应变模式，可以确定轨道结构的翘曲情况。此外，识别改变应变行为和载荷传递机制的梯度阈值有助于制定实用策略，以减轻极端气候条件的影响。建立应变信号与算法之间的关系可以进一步提高SHM系统的智能性和诊断能力。

引言

无砟轨道由混凝土板、CA砂浆层和支持基座组成，广泛应用于高速铁路系统中，以提高稳定性、减少维护工作并延长使用寿命[1]、[2]、[3]。结构层之间的热传递机制（辐射、对流和传导）产生温度梯度，导致轨道板发生翘曲变形[4]、[5]、[6]。正温度梯度会导致中心拱起和角落抬起，而负温度梯度则会导致角落翘曲和中心下沉[7]。列车载荷会在板底产生动态冲击（图1）[8]。长时间受到热机械耦合（TMC）载荷的影响可能导致界面分离[9]、裂纹扩展[10]和界面损伤[11]，可能引发轨道断裂，威胁铁路运营安全[12]。因此，研究TMC载荷对轨道结构动态应变响应的影响对于识别结构损伤和评估结构完整性至关重要，这为维护决策提供了关键依据，从而确保铁路系统的长期可靠性和安全性。

以往的研究主要集中在温度梯度对轨道结构长期变形和结构失效机制的影响上。现有研究可分为三个主要领域：首先，许多研究探讨了温度梯度对结构变形特性的影响及其对结构长期性能的影响[4]、[5]、[6]、[7]、[13]、[14]；其次，一些研究分析了由翘曲变形引起的界面失效机制，如界面损伤、分离和裂纹及其长期演变[9]、[10]、[11]、[15]、[16]、[17]、[18]；最后，一些研究人员分析了温度变化对板底动态接触条件的影响及其在结构稳定性中的作用[8]、[19]。然而，关于高频动态载荷下的应变响应的研究相对较少，尤其是这方面的研究尚未得到充分探索。

尽管传统的结构健康监测方法在长期载荷的累积效应方面取得了显著进展，但在检测动态应变异常方面仍面临技术瓶颈。一方面，基于模型的方法（例如使用有限元方法进行裂纹扩展[10]、刚度退化[20]和疲劳失效预测[21]）主要关注结构退化的定量评估，通过预定义的材料本构模型模拟失效特性。然而，这些方法通常依赖于离线计算，难以满足实时监测的需求。另一方面，基于物理传感器的方法受到传感器限制，难以有效捕捉轨道结构在列车载荷下的瞬态应变波动。例如，电阻应变计原则上仅限于表面应变测量，无法检测内部应变分布[22]；加速度计测量结构的整体振动响应，其信号缺乏有效捕捉轨道板局部变形特征所需的空间分辨率[23]；振动线应变计的空间分辨率较低，且容易受到电磁干扰[24]。因此，这些方法在复杂条件（如热机械耦合变形）和多损伤耦合效应（如疲劳-腐蚀-蠕变）下缺乏有效的预警能力。

近年来，光纤传感器（FOS）由于其高灵敏度、抗电磁干扰（EMI）和紧凑的设计成为结构健康监测（SHM）的重要工具[25]、[26]、[27]。特别是光纤布拉格光栅（FBG）传感器，凭借其光谱编码特性，在抗噪性和信号稳定性方面优于传统传感器。与传统应变计相比，光纤传感器更适合恶劣环境，并能进行分布式应变测量[28]、[29]。此外，与纤维增强聚合物（FRP）集成的FBG传感器不仅提高了耐腐蚀性和耐用性，还能在高频动态载荷下提供更准确的应变数据[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。实验结果表明，GFRP-OFBG传感器的灵敏度系数为0.00121 nm/με，温度系数为17.24 pm/°C，是裸光纤布拉格光栅（OFBG）传感器的1.7倍（10 pm/°C）[35]。这些优势使得GFRP-OFBG传感器成为无砟轨道监测的理想选择，克服了传统传感器的局限性，能够实时捕捉瞬态小应变波动。

本研究旨在基于GFRP-OFBG传感系统，实现无砟轨道在温度梯度和列车载荷共同作用下的动态应变监测。通过CEEMDAN结合FFT分析应变信号，研究了轨道板的应变演变机制。此外，建立了CRTS III无砟轨道的热机械耦合模型并进行了验证，为精确分析轨道结构中的异常应变机制奠定了理论基础。本研究的关键创新包括：首先，基于GFRP-OFBG传感系统构建了实时监测系统，有效捕捉了轨道板在动态列车载荷下的瞬态和微小应变波动，克服了传统传感器在动态载荷下捕捉瞬态应变的局限性；其次，采用了两步信号处理流程，包括CEEMDAN分解和FFT分析，有效分解了列车载荷引起的应变，提高了数据处理的准确性和可靠性。这些应变异常现象丰富了我们对轨道结构行为的理解，为界面损伤和裂纹形成的早期诊断提供了有效手段。

实验监测数据分析

本章描述了传感器布局、数据采集程序和现场测试方法，分析了GFRP-OFBG棒在热机械耦合（TMC）载荷下轨道板内的长期应变响应，以识别异常应变现象。

异常应变的频域分析

从时域分析得到的应变曲线提供了应变的近似范围，并捕捉了车轮作用的过程，但未能揭示出明确的信号成分。为了更深入地了解信号，需要进行系统的频域分析。

应变异常的机理分析

本研究采用了顺序耦合的热应力分析框架[38]、[39]，开发了CRTSIII无砟轨道的热机械耦合模型，并通过实验现场数据进行了验证。随后，研究了复合板中心观察到的应变异常的根本原因。

结论

本研究探讨了无砟轨道结构在热机械耦合（TMC）载荷下的动态应变特性。我们结合GFRP-OFBG棒传感和CEEMDAN时频分解方法分析了应变信号，并建立了CRTSIII无砟轨道的有限元模型以确定临界梯度阈值。检测到的异常应变模式加深了对轨道动态的理解，为结构健康监测提供了新的视角。

作者贡献声明

李培刚：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、概念化。杨杰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理。陈萃：撰写 – 审稿与编辑、可视化、软件。曾毅：撰写 – 审稿与编辑。王明宇：撰写 – 审稿与编辑、软件、调查。顾伟仕：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51608317）、中老铁路工程国际联合实验室（项目编号21210750300）、中国国家铁路集团（项目编号K2020G031）以及泰州市科技计划项目（项目编号24gyb16）的支持。