本发明涉及铁路行业安全检测技术领域，特别是涉及一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法及设备，具体是一种利用微小的诱导振动，检测无砟轨道板边缘离缝深度的无损检测方法和设备。
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，并且在轨道板与混凝土基础版之间填充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。
我国目前采用的板式无砟轨道有三种结构形式，即CRTS I型、CRTS Ⅱ型和CRTSⅢ型。其中，CRTS Ⅱ型和CRTSⅢ型均存在边缘离缝的问题：
CRTS Ⅱ型从德国引进，其标准板长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，用于轨道板的纵向连接；
CRTSⅢ型由我国自主研发，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(自流平混凝土调整层)、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。
这两种板式无砟轨道板在轨道板(也称顶板)与底座(也称底板)之间设置调整层(也称板下填充层)。该调整层主要起到如下的作用：
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；
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。
调整层材料一般需要具备较好的流动性和一定的强度和弹性模量。调整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，在轨道板与调整层之间会出现相互脱离(亦即脱空的现象，如图2右图所示)，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(图1)，进而危害列车的行车安全。
根据实践经验，轨道板与调整层间的脱空有很大一部分发生在轨道周边，亦即所谓的“离缝”。该离缝的深度反映了脱空的程度，是判断轨道板健全性的重要指标。
另一方面，对于运营中的高速铁路，其能够用于轨道检测、检修的时间极其有限(仅有部分夜晚的2、3个小时)。因此，能够快速、准确地测试离缝的深度，对高铁轨道的养护、管理有着非常重要的意义。
现有的离缝深度检测技术：
目前，针对轨道板离缝深度的检测，大致可以分为以下几类：
塞尺法：即用薄直尺从离缝处插入，插入深度即被认为是离缝深度；
基于超声波的无损检测技术：在离缝两侧设置超声波探头，通过测试超声波通过离缝的时间来推算离缝深度；
基于弹性波的无损检测技术：在离缝两侧分别激发和接收冲击弹性波，通过测试冲击弹性波通过离缝的时间以及衰减来推算离缝深度。
现有检测技术的局限和问题点：
上述方法在检测轨道板离缝深度时，由于轨道板的特性，使得每种方法的适用性受到很大局限：
塞尺法：由于调整层并非完全平整，而且上面的轨道板也可能与调整层部分接触，加之塞尺本身也有一定的厚度，因此，塞尺法测得的离缝深度仅为离缝的最小深度，而实际深度可能远大于测试深度；
基于超声波的无损检测方法：由于调整层与轨道板之间常会有局部的接触，加之超声波的能量衰减较快，因此，超声波测得的离缝深度往往较实际深度也有明显的偏浅倾向；
基于冲击弹性波的无损检测方法：该方法中，采用传播时间的方法与超声波法类似，测得的结果往往偏浅。而采用能量衰减的方法(也被称为“面波法”)，则需要一定的测试距离。也就是说，激振点、接收点与离缝需要隔开一定的距离，该距离与激振波长、离缝深度有关，一般应该在0.25m以上。但是，轨道板的厚度仅有0.20m左右，无法保证测试所需的距离。
由此可见，上述各种方法均具有较大的局限性，难以满足实际检测的需要。
技术实现要素：
针对上述现有技术中针对轨道板离缝深度检测，采用到的塞尺法、基于超声波的无损检测方法、基于冲击弹性波的无损检测方法均具有较大的局限性，难以满足实际检测的需要的问题，本发明提供了一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法及设备。
为解决上述问题，本发明提供的一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法及设备通过以下技术要点来解决问题：一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法，该检测方法采用振动传感器或加速度传感器作为激振信号采集元件、采用频谱分析仪作为激振信号处理元件，对无砟轨道板进行离缝深度检测，该检测方法包括顺序进行的以下步骤：
S1、将激振记录元件固定于待检测的轨道板上；
S2、采用激振装置激振轨道板，使得轨道板产生振动信号；
S3、在激振信号处理元件得到的频谱图上，获得振动信号中的一阶固有频率f1或二阶固有频率f2，并通过下式获得轨道板离缝的深度：其中L为轨道板离缝深度，ρ为轨道板密度，h为轨道板厚度，E为轨道板的动弹性模量，A为轨道板振动截面的面积，I为轨道板截面惯性矩。
具体的，在轨道板边缘有离缝时，离缝以上的轨道板部分可看作悬臂梁，对轨道板采用激振装置激振时，只需要连续调节激振力的频率，轨道板便可出现某阶纯振型振动且振幅值达到最大，即得到某阶对应的固有频率。针对轨道板最低的几阶固有频率，一阶固有频率值最小，如针对同样的轨道板，二阶固有频率通常为一阶固有频率的十倍。故本案中，采用现有技术便于测量的一阶固有频率或二阶固有频率，优选选择一阶固有频率f1，旨在通过振动最为明显的振动方式，轻易的测得准确的固有频率，这样本方法中，利用激振装置，使轨道板边缘产生微小振动，通过分析该振动的频谱特性，直观、方便、高效、准确的测得轨道板离缝的深度。
以上公式得到的轨道板离缝深度相较于现有其他测量方法，由于现有技术的激振记录元件、激振信号处理元件均能够准确的测量所需要的值，故采用本方法对比于现有技术，虽然能够得到更接近真实值的轨道板离缝深度，但计算值与真实值仍然具有一定的偏差，优选在获得L值后，引入修正系数η，即在离缝深度测量过程中，以L·η得到的值作为最终确定的离缝深度数值。通过获得多个测量值与真实值，采用数学拟合的方式，取η＝1.2。
同时，上式中，b为轨道板的宽；A＝bh。
作为以上基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法进一步的技术方案：
为便于简化上式的运算，所述E的取值或E/ρ的取值通过如下方式获取：
E＝Ec/0.83，其中，Ec为轨道板混凝土的弹性模量，0.83为通过数据拟合得到的修正值；
其中，fd为频谱图上固有频率f1对应周期内的纵波共振对应的反射频率。
由于不同的轨道板具有不同的E值及ρ值，fd亦是频谱图上MEM卓越周期对应的频率值，故本案优选通过频谱图上可直观获得数据，采用fd值用于离缝深度的计算。
由于在同样的激振频率下，轨道板的边缘可获得更大的振动振幅，故为利于提高对轨道板振动检测的精度或减少本方法对测量仪器能力的要求，所述激振记录元件在轨道板上的固定点位于轨道板的边缘上。
作为一种便于调节激振力频率的轨道板激振加载方式，所述激振装置激振轨道板产生振动信号采用锤头锤击轨道板的方式。
作为得到频谱图的具体实现方式，所述激振信号处理元件采用FFT或MEM频谱分析方法得到频谱图。
作为一种便于提高本方法检测效率的技术方案，激振记录元件固定于待检测的轨道板上的方式采用人工压持或机械压持的方式；具体的，在采用人工行走沿着轨道进行巡检时，可采用人工压持的方式，在采用轨道车进行轨道巡检时，可在轨道车上设置伸缩杆，伸缩杆的端部安装激振记录元件，通过液压、油压、杠杆、螺纹转动等接触方式，实现激振记录元件与轨道板的接触。进一步的，为避免伸缩杆对轨道板的振动产生过度约束而影响激振记录，可在伸缩杆上设置弹簧段等弹性件。
同时，本发明还提供了一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测设备，本检测设备为以上方法提供了一种硬件载体，该检测设备包括激振信号采集元件及激振信号处理元件，所述激振信号采集元件为振动传感器或加速度传感器，所述激振信号处理元件为频谱分析仪，所述激振信号采集元件的信号输出端与激振信号处理元件的信号输入端数据连接。
作为上述的基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测设备进一步的技术方案为，所述数据连接为导线电连接、无线信号数据连接中的任意一种。以上数据连接形式，可根据检测条件或成本，自由选择。
本发明具有以下有益效果：
本方法中，利用激振装置，使轨道板边缘产生微小振动，通过分析该振动的频谱特性，直观、方便、高效、准确的测得轨道板离缝的深度。这样，在因为施工、材料、列车荷载作用以及温度作用等多方因素的影响下，轨道板的顶板、垫层和底板之间会产生离缝时，通过检出离缝以进行及时修复，可避免轨道板翘起、抗剪能力下降等情况产生，保证铁路的安全运营。
附图说明
图1为轨道板离缝的概念图；
图2不同轨道板状态的约束图，其中，左图为健全轨道板状态，右图为离缝轨道板状态；
图3为轨道板边缘离缝振动模型；
图4为具体一种轨道板不同离缝深度对应的1、2阶固有频率图；
图5为本发明所述的一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测设备一个具体实施例的运用图；
图6为本发明所述的一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法一个具体运用测得的振动信号图；
图7为图8所示频谱图的局部放大图；
图8为本发明所述的一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法一个具体运用得到的频谱图；
图9为本发明所述的一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法一个具体实施例的实施步骤图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法及设备，用于针对：现有技术中针对轨道板离缝深度检测，采用到的塞尺法、基于超声波的无损检测方法、基于冲击弹性波的无损检测方法均具有较大的局限性，难以满足实际检测的需要的问题，本案提供的方法及设备，旨在利用激振装置，使轨道板边缘产生微小振动，通过分析该振动的频谱特性，直观、方便、高效、准确的测得轨道板离缝的深度。
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：
实施例1：
如图9，一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法，该检测方法采用振动传感器或加速度传感器作为激振信号采集元件、采用频谱分析仪作为激振信号处理元件，对无砟轨道板进行离缝深度检测，该检测方法包括顺序进行的以下步骤：
S1、将激振记录元件固定于待检测的轨道板上；
S2、采用激振装置激振轨道板，使得轨道板产生振动信号；
S3、在激振信号处理元件得到的频谱图上，获得振动信号中的一阶固有频率f1或二阶固有频率f2，并通过下式获得轨道板离缝的深度：其中L为轨道板离缝深度，ρ为轨道板密度，h为轨道板厚度，E为轨道板的动弹性模量，A为轨道板振动截面的面积，I为轨道板截面惯性矩。
具体的，在轨道板边缘有离缝时，离缝以上的轨道板部分可看作悬臂梁，对轨道板采用激振装置激振时，只需要连续调节激振力的频率，轨道板便可出现某阶纯振型振动且振幅值达到最大，如图3所示，即得到某阶对应的固有频率。如图4所示，针对轨道板最低的几阶固有频率，一阶固有频率值最小，如针对同样的轨道板，二阶固有频率通常为一阶固有频率的十倍。故本案中，采用现有技术便于测量的一阶固有频率或二阶固有频率，优选选择一阶固有频率f1，旨在通过振动最为明显的振动方式，轻易的测得准确的固有频率，这样本方法中，利用激振装置，使轨道板边缘产生微小振动，通过分析该振动的频谱特性，如图6、图7和图8所示，可直观、方便、高效、准确的测得轨道板离缝的深度。
以上公式得到的轨道板离缝深度相较于现有其他测量方法，由于现有技术的激振记录元件、激振信号处理元件均能够准确的测量所需要的值，故采用本方法对比于现有技术，虽然能够得到更接近真实值的轨道板离缝深度，但计算值与真实值仍然具有一定的偏差，本实施例中，优选在获得L值后，引入修正系数η，即在离缝深度测量过程中，以L·η得到的值作为最终确定的离缝深度数值。通过获得多个测量值与真实值，采用数学拟合的方式，取η＝1.2。
同时，上式中，b为轨道板的宽；A＝bh。
同时，本发明还提供了一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测设备，本检测设备为以上方法提供了一种硬件载体，如图5，该检测设备包括激振信号采集元件及激振信号处理元件，所述激振信号采集元件为振动传感器或加速度传感器，所述激振信号处理元件为频谱分析仪，所述激振信号采集元件的信号输出端与激振信号处理元件的信号输入端数据连接。
本实施例中，针对某一性质如下的轨道板：E取43.5GPa，h取0.2m，ρ取2400kg/m3，一阶、二阶振动如图4所示，可见，对于最容易诱发的1阶振动而言，5cm深的离缝引起的悬臂梁固有频率f1在55KHz以下，而达到铁轨基座的离缝引起的固有频率约在0.6～0.9KHz，该频率远低于激振锤激振的卓越频率和冲击回波的纵波共振频率。因此，通过测试分析当该频率段的频谱，可以推算离缝的深度L：
其中，η为考虑悬臂梁模型与实际状况差异的修正系数，其值应大于1，一般可取1.2。
由此可见，在计算离缝深度时，f1为测试值。轨道板厚h为设计值或直接量测，E、ρ为轨道板的动力学参数。
本实施例中，频谱分析仪采用A/D卡，进一步的，A/D卡上还连接有放大器。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，作为以上基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法进一步的技术方案：
为便于简化上式的运算和提高离缝检测精度，所述E的取值或E/ρ的取值通过如下方式获取：
E＝Ec/0.83，其中，Ec为轨道板混凝土的弹性模量，0.83为通过数据拟合得到的修正值，对于C55混凝土，可取35.5GPa；对于C60混凝土，可取36.0GPa；
作为一种可现场直接测试的技术方案：
其中，fd为频谱图上固有频率f1对应周期内的纵波共振对应的反射频率，也称之为卓越频率。
由于在同样的激振频率下，轨道板的边缘可获得更大的振动振幅，故为利于提高对轨道板振动检测的精度或减少本方法对测量仪器能力的要求，所述激振记录元件在轨道板上的固定点位于轨道板的边缘上。
作为一种便于调节激振力频率的轨道板激振加载方式，所述激振装置激振轨道板产生振动信号采用锤头锤击轨道板的方式。
作为得到频谱图的具体实现方式，所述激振信号处理元件采用FFT或MEM频谱分析方法得到频谱图。
作为一种便于提高本方法检测效率的技术方案，激振记录元件固定于待检测的轨道板上的方式采用人工压持或机械压持的方式；具体的，在采用人工行走沿着轨道进行巡检时，可采用人工压持的方式，在采用轨道车进行轨道巡检时，可在轨道车上设置伸缩杆，伸缩杆的端部安装激振记录元件，通过液压、油压、杠杆、螺纹转动等接触方式，实现激振记录元件与轨道板的接触。进一步的，为避免伸缩杆对轨道板的振动产生过度约束而影响激振记录，可在伸缩杆上设置弹簧段等弹性件。
实施例3：
本实施例在实施例1的基础上对所述设备做进一步限定：作为上述的基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测设备进一步的技术方案为，所述数据连接为导线电连接、无线信号数据连接中的任意一种。以上数据连接形式，可根据检测条件或成本，自由选择。
实施例4：
本实施例提供了一种基于振动的无砟轨道板离缝深度无损检测方法具体的实施方案，该方案针对实施例1提供的具体轨道板，包括顺序进行的以下步骤：
1)按图5测试实施图方式将测试设备接线；
2)把传感器安装在有离缝的轨道板边缘附近，本实施例中采用加速度传感器；
3)用激振装置在传感器附近激振，并记录相应的振动信号，本实施例中采用直径为17或30mm的圆球形锤体作为激振装置，敲击的距离距轨道板10cm左右；
4)激振完毕后，将传感器移动到下一测点；
5)重复上述4)和5)，得到多个测试数据；
6)根据测试的数据，利用FFT或MEM等频谱分析方法得到频谱图形；
7)在频谱图上，找到与纵波共振对应的反射频率fd，以及与第一阶梁振动模态对应的固有频率f1；
8)根据公式即可计算出离缝深度L。
实施例5：
本实施例对实施例4作进一步细化:在本实施例中，对某Ⅱ型板的脱空进行了测试和验证，其中，h＝0.2m。
1)测试采用30mm直径的圆球形激振锤人工激振；
2)测试得到的信号如图6；
3)用FFT/MEM分析得到的频谱图如图7；
4)从图7中得到的fd及f1；分别为9.52KHz和0.85KHz；
5)取η＝1.2，根据公式得到的离缝深度为0.458m。
该离缝深度表明，离缝达到了轨道的位置，与实际情况一致。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。