技术领域
[0001] 本
发明属于无砟轨道技术领域，更具体地，涉及基于监测数据的高速铁路无砟轨道结构承载能力评估方法。
背景技术
[0002] 高速铁路无砟轨道结构，有着良好的平顺性以及少维修特点，在我国得到了广泛的应用。然而无砟轨道结构长期暴露在复杂的大气环境，受列车荷载、环境条件等各方面因素的影响，轨道结构不可避免地产生损伤积累、承载能力退化，一旦发生破坏，严重时甚至影响到列车的安全、平稳运行。因此，对于高速铁路无砟轨道服役状态的实时、有效评估显得尤为重要。
[0003] 目前对轨道结构的状态评估均为基于确定性的方法，而考虑到实际上无砟轨道结构的建造及运营过程均面临诸多不确定性，采用可靠度方法评估更为科学合理。可靠度评估方法的基本思路是将结构体系的广义抗力和多因素共同作用下结构体系的响应视为随机变量，对某一极限状态的功能函数进行破坏概率的计算分析，目前虽然国内外学者对
桥梁等结构的可靠度评估方法研究较多，但涉及高铁无砟轨道结构体系服役性能状态评估方法较少，运用长期监测数据对高铁无砟轨道结构进行可靠度评估更是研究资料缺乏。因此，建立一种基于现场监测数据的高速铁路无砟轨道服役状态可靠度评估方法，实现在概率意义上精确定量化的无砟轨道服役状态评估，对于制定高铁无砟轨道结构体系养护维修策略，确保我国高速铁路安全运营，具有重要的工程应用价值。
发明内容
[0004] 针对
现有技术的以上
缺陷或改进需求，本发明提供基于监测数据的高速铁路无砟轨道结构承载能力评估方法，通过在无砟轨道结构上布置若干个带有
传感器的监测点，实时监测获取无砟轨道结构上各处在荷载下的
应力大小，通过筛选剔除异常的监测数据后，在所有
数据中心计算导致失效的数据的比例概率，从而得出失效概率，然后根据失效概率定量计算出可靠指标，依据监测数据的分析更加科学真实准确，从而实现在概率意义上精确定量化无砟轨道承载能力，对于制定高铁无砟轨道结构体系养护维修策略的制定，确保我国高速铁路安全运营，具有重要的价值。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供基于监测数据的高速铁路无砟轨道结构承载能力评估方法，其特征在于，无砟轨道结构上间隔设置若干个监测点，每个监测点上均设有用于监测荷载作用下纵向受力
钢筋应力的传感器，筛选出有效的检测数据，对监测的数据进行处理得出无砟轨道结构的失效概率Pf，
[0006] 其中，Pf＝Nf/NN为所有的检测数据的数量，Nf为监测数据得到的纵向受力
钢筋应力大于无砟轨道结构抗力的数量；
[0007] 计算可靠指标β，β＝Φ-1(1-Pf)，Φ-1(·)为标准正态分布的反函数，将计算得到的可靠指标与
铁路轨道设计规范中承载能力极限状态的设计可靠指标进行比对，获取无砟轨道结构承载能力情况。
[0008] 进一步地，计算失效概率Pf前构建无砟轨道结构承载能力可靠度评估的功能函数G(X)＝fy-σs(Ft,FC,Ftt,Fbb,Fb,......)，
[0009] 其中，fy为无砟轨道结构抗力，σs(Ft,FC,Ftt,Fbb,Fb,......)为荷载效应，为荷载作用下纵向受力钢筋应力。
[0010] 进一步地，对无砟轨道的结构抗力的进行分析确定，无砟轨道的结构抗力为板内受力钢筋强度的
抗拉强度，其概率类型和统计参数通过对钢筋的强度试验值统计分析确定：
[0011]
[0012]
[0013]
[0014] 式中， 为样本均值，n为样本容量，xi为第i个样本值，σ1为样本标准差，Cv为样本变异系数。
[0015] 进一步地，利用卡方检验、K-S检验的假设检验方法，分析实际钢筋应力是否服从的概率分布，从而筛选出有效的监测数据。
[0016] 进一步地，利用公式Pf＝P[G(X)＝fy-σs≤0]计算可靠指标Pf。
[0017] 进一步地，具体的计算步骤包括：
[0018] S1根据功能函数中随机变量的概率模型，产生N组独立样本点(X1,X2,X3,···,Xn)(i＝0,1,2,···,n)；
[0019] S2将
抽取的N组样本点代入到结构功能函数Z中，并计算Z的函数值；
[0020] S3对Z＝g(X1,X2,X3,···,Xn)＜0的数组进行统计，记为Nf；
[0021] S4利用公式Pf＝Nf/N求得结构的失效概率。
[0022] 进一步地，所述传感器的轴向均沿线路纵向布置。
[0023] 进一步地，无砟轨道的大端刺、摩擦板、
桥台的台前和台尾均设置有传感器，简支梁的梁端和跨中均设有传感器。
[0024] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0025] (1)本发明的基于监测数据的高速铁路无砟轨道结构承载能力评估方法，通过在无砟轨道结构上布置若干个带有传感器的监测点，实时监测获取无砟轨道结构上各处在荷载下的应力大小，通过筛选剔除异常的监测数据后，在所有数据中心计算导致失效的数据的比例概率，从而得出失效概率，然后根据失效概率定量计算出可靠指标，依据监测数据的分析更加科学真实准确，从而精确定量化无砟轨道承载能力，对于制定高铁无砟轨道结构体系养护维修策略的制定，确保我国高速铁路安全运营，具有重要的价值。
[0026] (2)本发明的基于监测数据的高速铁路无砟轨道结构承载能力评估方法，建立可靠度评估的功能函数来计算失效概率，使得计算更加明确和科学，并对功能函数中的无砟轨道结构抗力值进行统计分析确定，保证数据的可靠性，通过卡方检验、K-S检验的假设检验方法，分析实际钢筋应力是否服从的概率分布，从而筛选出有效的监测数据。
[0027] (3)本发明的基于监测数据的高速铁路无砟轨道结构承载能力评估方法，传感器的轴向均沿线路纵向布置，无砟轨道的大端刺、摩擦板、桥台的台前和台尾均设置有传感器，简支梁的梁端和跨中均设有传感器，从而保证监测的完整科学性，确保评估数据的真实准确性。
附图说明
[0028] 图1是本发明
实施例中的无砟轨道检测点的分布示意图；
[0029] 图2是本发明实施例中可靠度指标计算的
流程图；
[0030] 图3是本发明实施例中监测计算的2015-2017年各检测点承载能力可靠性变化的示意图。
[0031] 在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：101-第一传感器、102-第二传感器、103-第三传感器、104-第四传感器、105-第五传感器、106-第六传感器、
107-第七传感器、108-第八传感器、109-第九传感器、110-第十传感器、111-第十一传感器、
112-第十二传感器、113-第十三传感器、114-第十四传感器、115-第十五传感器、116-第十六传感器；2-大端刺、3-摩擦板、4-桥台、5-第一简支梁、6-第二简支梁、7-第三简支梁、8-第四简支梁、9-第五简支梁、10-第六简支梁。
具体实施方式
[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033] 高速铁路无砟轨道结构上布置若干个监测点，监测点设置传感器，用于实时监测无砟轨道结构各处的应力值，从而根据监测获得的应力值计算评价目前该高速铁路无砟轨道结构的承载能力。图1是本发明实施例中的无砟轨道检测点的分布示意图。如图1所示，检测点间隔布置在待监测的结构上，且间隔布置若干个；优选地，传感器轴向均沿线路纵向布置。例如，监测板式无砟轨道底座板承载能力中，监测点均布置在底座板的外轨侧，在大端刺2、摩擦板3、桥台4的台前和台尾依次设置第十六传感器116、第十五传感器115、第十四传感器114和第十三传感器113，第一简支梁5、第二简支梁6、第三简支梁7、第四简支梁8、第五简支梁9和第六简支梁10的梁端和跨中依次设有第一传感器101、第二传感器102、第三传感器103、第四传感器104、第五传感器105、第六传感器106、第七传感器107、第八传感器108、第九传感器109、第十传感器110、第十一传感器111和第十二传感器112，通过传感器的设置合理实时地监测底座板的承载能力。
[0034] 基于监测得到的数据对高速铁路无砟轨道结构承载能力进行评估，具体的评估步骤包括：
[0035] S1建立无砟轨道结构承载能力评估功能函数，
[0036] 无砟轨道结构承载能力极限状态的设计考虑的作用效应形式为钢筋和
混凝土的弯矩或应力，并保证其满足承载力要求。对于安装有若干监测点的既有无砟轨道结构，能直接得到构件相应截面某点的应变历程，可转
化成某截面处钢筋应力。由于实际无砟轨道底座板承受的外部荷载作用非简单
叠加，通过监测数据得到的钢筋应力为构件实际承受多种外部荷载(整体
温度作用、混凝土收缩徐变作用、温度梯度作用、
基础不均匀沉降作用等)的耦合作用下的应力，相对更符合实际情况。
[0037] 因此，建立无砟轨道结构承载能力可靠度评估的功能函数如下：
[0038] G(X)＝fy-σs(Ft,FC,Ftt,Fbb,Fb,......) 式(1)
[0039] 式中，fy为无砟轨道结构抗力，表示普通钢筋抗拉强度的基本随机变量；σs(Ft,FC,Ftt,Fbb,Fb,......)为荷载效应，括号内的参数为不同
位置的监测到的荷载作用下的应力，σs(Ft,FC,Ftt,Fbb,Fb,......)表示荷载作用下纵向受力钢筋应力的综合随机变量，其中。
[0040] S2基于监测数据深入分析功能函数中随机变量的概率模型和统计参数[0041] S21结构抗力参数
[0042] 对于无砟轨道结构承载能力可靠度评估的功能函数式(1)，结构抗力为板内受力钢筋的抗拉强度，钢筋的材料强度值变异性主要来自
制造过程的误差，变异性不大，一般服从正态分布。钢筋强度的概率类型和统计参数通过对钢筋的强度试验值统计分析确定。
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 式中， 为样本均值，n为样本容量，xi为第i个样本值，σ1为样本标准差，Cv为样本变异系数。
[0047] S22作用效应参数
[0048] 无砟轨道服役状态中的实际钢筋
应力分布可由监测点的监测数据分析确定，在进行可靠度评估时，将实际钢筋应力作为综合作用效应参数，并对有效监测数据进行筛选，筛选出合适有效的检测数据，例如选出未出现异常的测点监测数据进行统计分析；优选地，利用卡方检验、K-S检验(K-S检验是统计学中在对一组数据进行统计分析是所用到的一种方法。它是将需要做统计分析的数据和另一组标准数据进行对比，求得它和标准数据之间的偏差的方法。一般在K-S检验中，先计算需要做比较的两组观察数据的
累积分布函数，然后求这两个累积分布函数的差的绝对值中的最大值D。最后通过查表以确定D值是否落在所要求对应的置信区间内)等假设检验方法，分析实际钢筋应力是否服从的某种概率分布类型：如正态分布、对数正态分布、威布尔分布、χ分布、指数分布、均匀分布，从而确定该监测数据是否有效合适。
[0049] S3计算无砟轨道结构承载能力可靠指标
[0050] 图2是本发明实施例中可靠度指标计算的流程图。如图2所示，计算无砟轨道结构承载能力可靠指标，根据建立的功能函数以及参数分析，可将服役无砟轨道结构的承载能力可靠性
水平量化为一个概率数学表达式，并计算可靠指标。
[0051] β＝Φ-1(1-Pf) 式(5)
[0052] Pf＝P[G(X)＝fy-σs≤0] 式(6)
[0053] 式中，β为无砟轨道结构可靠指标，Φ-1(·)为标准正态分布的反函数，Pf为无砟轨道结构失效概率。G(X)为功能函数，fy为无砟轨道结构抗力，表示普通钢筋抗拉强度的基本随机变量；σs(Ft,FC,Ftt,Fbb,Fb,......)为荷载效应，表示荷载作用下纵向受力钢筋应力的综合随机变量，Pf求的是无砟轨道的荷载大于结构抗力的概率，即失效的概率。具体求解步骤为：
[0054] S31根据功能函数中随机变量的概率模型，产生N组独立样本点(X1,X2,X3,···,Xn)(i＝0,1,2,···,n)；
[0055] S32将抽取的N组样本点代入到结构功能函数Z中，并计算Z的函数值；
[0056] S33对Z＝g(X1,X2,X3,···,Xn)＜0的数组进行统计，记为Nf；
[0057] S34利用公式Pf＝Nf/N求得结构的失效概率；
[0058] S35利用公式β＝-Φ-1(Pf)求得可靠度指标，对轨道结构服役状态进行评估。
[0059] S4评估无砟轨道结构的服役状态
[0060] 对既有无砟轨道结构的服役状态进行可靠度评估时，可参照《铁路轨道设计规范(极限状态法)》(Q/CR 9130-2018)中对铁路轨道构件承载能力极限状态的可靠指标的规定，如表1所示。
[0061] 表1铁路轨道构件承载能力极限状态的可靠指标
[0062]
[0063] 以CRTSII型板式无砟轨道底座板承载能力为具体的计算实例。具体的方法如下：
[0064] 首先，在CRTSII型板式无砟轨道小半径曲线段的无砟轨道上设置监测点，对16个测点位置的底座板钢筋应力进行长期监测分别布置于桥台台前6孔简支梁梁端、跨中、桥台台前、台尾、摩擦板、大端刺。在同一截面，测点均布置在底座板的外轨侧，传感器轴向均沿线路纵向布置。
[0065] 建立功能函数。建立底座板承载能力可靠度评估的功能函数如式(7)所示：
[0066] g1(X)＝fy-σs(Ft,FC,Ftt,Fbb,Fb,......) 式(7)
[0067] 式中，fy为表示普通钢筋抗拉强度的基本随机变量；σs(Ft,FC,Ftt,Fbb,Fb,......)为表示纵向受力钢筋应力的综合随机变量。
[0068] 然后，确定随机变量参数
[0069] (1)结构抗力参数
[0070] 对于底座板承载能力可靠度评估，结构抗力为HRB335钢筋的抗拉强度。其抗拉强度均值为567.5MPa，标准差为25.3MPa，其变异系数为0.157。
[0071] (2)作用效应参数
[0072] 无砟轨道服役状态中的实际钢筋应力分布可由监测数据分析确定，在进行可靠度评估时，将实际钢筋应力作为综合作用效应参数。对京福高铁金寨路特大桥小半径曲线地段监测工点数据进行筛选，选取未出现异常的测点监测数据进行统计分析。采用K-S检验法对监测数据进行假设检验，服役无砟轨道结构底座板的钢筋应力服从Gamma分布，其统计参数见表2。
[0073] 表2 2015-2017年底座板钢筋应力监测数据统计参数
[0074]
[0075] 根据检测数据计算底座板承载能力的可靠指标
[0076] 根据2015-2017年监测数据，选取五个测点进行可靠度分析，采用蒙特卡罗模拟法得出可靠指标及相应的结构失效概率计算结果，如表3和图3所示。
[0077] 表3 2015-2017年各测点承载能力可靠度β及相应的结构失效概率Pf[0078]
[0079]
[0080] 根据表3绘制的2015-2017年各测点承载能力可靠度变化趋势图，如图3所示。
[0081] 评估无砟轨道结构服役状态
[0082] (1)2015年6月线路开通运营时，监测工点的各个测点位置处无砟轨道底座板承载能力可靠度均明显大于《铁路轨道设计规范》(极限状态法)(Q/CR 9130-2018)中规定的设计目标可靠指标3.7(对应的失效概率Pf＝1.08×10-4)，运营初期轨道结构状态良好。
[0083] (2)底座板各测点处承载能力可靠度从2015年到2017年均呈现小幅度减小：2016年相对2015年平均降幅6.01％，2017年相对2016年平均降幅2.63％，具体发展趋势不明显。2015年6月线路开通运营2年以来底座板服役状态良好，满足运营需求。
[0084] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
