太阳辐射与荷载耦合作用下宽窄接缝伤损试验模拟系统与方法

本发明属于轨道交通领域，具体为一种太阳辐射与荷载耦合作用下宽窄接缝伤损试验模拟系统与方法。

背景技术：

1、crtsⅱ型板式无砟轨道是我国高速铁路无砟轨道的一种重要轨道结构形式，轨道板单元为预制板，而宽窄接缝为现浇结构，相邻crtsⅱ型板式无砟轨道之间通过六根预应力筋和宽窄接缝连接形成纵向连续结构，因此相邻轨道板单元之间的宽窄接缝结构性能是影响crtsⅱ型板式无砟轨道纵向连接性能的关键。在高速高频列车荷载、太阳辐射等作用下容易引起宽窄接缝的伤损，导致宽窄接缝出现偏心受力而影响板间传力，再加上宽窄接缝与轨道板板间离缝，从而引起轨道几何线型变化，不利于高速铁路行车安全运营。

2、现有的宽窄接缝试验研究仅针对单独列车荷载下的动力响应或温度作用下的热力学响应研究，尚无对太阳辐射和列车荷载耦合作用下宽窄接缝伤损的试验模拟。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种太阳辐射与荷载耦合作用下宽窄接缝伤损试验模拟系统与方法，以解决现有的宽窄接缝试验研究仅针对单独列车荷载下的动力响应或温度作用下的热力学响应研究，尚无对太阳辐射和列车荷载耦合作用下宽窄接缝伤损的试验模拟的技术问题。

2、为此，本发明一方面提供一种太阳辐射与荷载耦合作用下宽窄接缝伤损试验模拟系统，其包括：

3、列车荷载模拟装置，设置在轨道板单元的顶部，相邻的轨道板单元之间设有接缝，所述列车荷载模拟装置用于对轨道板单元施加静力和动力荷载；所述接缝均匀分割为若干接缝单元，每个接缝单元用不同颜色进行标记；

4、太阳辐射模拟装置，设置在所述轨道板单元的顶部，所述太阳辐射模拟装置为轨道板单元提供预设的太阳辐射带来的温度荷载。

5、上述的太阳辐射与荷载耦合作用下轨道宽窄接缝伤损试验模拟系统，对宽窄接缝进行试验模拟时，将列车荷载模拟装置放置在轨道板单元的顶部，利用列车荷载模拟装置对轨道板单元施加静力和动力荷载，通过将接缝均匀分割为若干接缝单元，来模拟宽窄接缝的不同位置破损状态；并用不同颜色标记每个接缝单元，根据不同颜色标记接缝单元的的伤损状态量化出具体宽窄接缝的损伤发展路径，同时将太阳辐射模拟装置设置在轨道板单元的顶部，利用太阳辐射模拟装置为轨道板单元提供预设的太阳辐射带来的温度荷载，从而能够研究太阳辐射-荷载耦合作用下宽窄接缝与轨道板之间粘结失效的产生、发展的演化过程，和/或宽窄接缝由挤压开始破损、部分破损到完全破损的演化过程，通过模拟试验更加真实，能实现接缝不同损伤状态对在多因素耦合作用下无砟轨道结构病害演化机理和结构长期性能评估等进行试验研究。

6、在一个更加优选的实施方式中，所述列车荷载模拟装置设置在位于中间位置的轨道板单元的顶部，位于两端位置的轨道板单元为中间位置的轨道板单元提供边界条件。

7、本发明将列车荷载模拟装置设置在中间位置的轨道板单元的顶部，从而可以关注中间位置的轨道板单元两侧的接缝的损伤情况。

8、在一个更加优选的实施方式中，所述列车荷载模拟装置为激振器，所述激振器垂直轨道延伸方向设置，激振器通过横梁将荷载分配到轨枕上。

9、采用激振器模拟列车荷载作用，通过设置激振器的频率、幅值来模拟列车荷载的速度与轮重，实现不同列车重量、不同列车速度的加载。

10、在一个更加优选的实施方式中，所述太阳辐射模拟装置为若干个可调节灯管，所述可调节灯管沿轨道延伸方向通长设置在所有轨道板单元的顶部，所述太阳辐射模拟装置沿垂直轨道延伸方向间隔布置。

11、采用可调节灯管模拟太阳辐射，通过改变可调节灯管的加热幅度、位置和变化速率等，分别模拟不同地区和时间的太阳辐射对轨道的作用。

12、在一个更加优选的实施方式中，所述轨道板单元的两端与接缝之间沿竖向设有弹性垫层。

13、通过在轨道板单元的两端与接缝之间沿竖向设置弹性垫层，例如可以是橡胶、聚氨酯等，可以将轨道板单元与接缝断开，便于模拟轨道板单元与接缝之间的弱纵连状态时，实现温度应力的释放，研究太阳辐射-荷载耦合作用对轨道结构病害演化机理和结构长期性能评估的影响。

14、在一个更加优选的实施方式中，还包括：温度传感器、应力传感器和解调仪，以及位移传感器，所述温度传感器和应力传感器设置在接缝内部，所述位移传感器设置在接缝外部，所述解调仪分别与温度传感器、应力传感器电连接。

15、通过设置在接缝内部的温度传感器可以获取接缝内部的温度数据，通过设置在接缝内部的应力传感器可以获取接缝内部的应变数据，通过解调仪解析出不同太阳辐射-荷载耦合作用接缝的应力分布以及温度分布。位移通过设置在接缝外部的位移传感器可以获取接缝的竖向位移和纵向位移变化。

16、另一方面，本发明还提供一种太阳辐射与荷载耦合作用下宽窄接缝伤损试验模拟方法，采用了如上所述的太阳辐射与荷载耦合作用下宽窄接缝伤损试验模拟系统，包括如下步骤：

17、对宽窄接缝进行试验时，将列车荷载模拟装置设置在轨道板单元的顶部，由列车荷载模拟装置对轨道板单元施加静力和动力荷载(静力荷载模拟列车重量，动力荷载模拟列车的移动效应)，并且由太阳辐射模拟装置为轨道板单元提供预设的太阳辐射的温度荷载(温度荷载包括两部分：太阳辐射通过大气，一部分到达地面，称为直接太阳辐射；另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射)。

18、上述的太阳辐射与荷载耦合作用下轨道宽窄接缝伤损试验模拟方法，在对宽窄接缝进行试验模拟时，将列车荷载模拟装置放置在轨道板单元的顶部，利用列车荷载模拟装置对轨道板单元施加静力和动力荷载，同时将太阳辐射模拟装置设置在轨道板单元的顶部，利用太阳辐射模拟装置为轨道板单元提供预设的太阳辐射的温度荷载，从而能够同时考虑太阳辐射-荷载耦合作用对轨道结构病害演化机理和结构长期性能评估的影响，通过模拟试验更加真实，能实现接缝不同损伤状态对多因素耦合作用下无砟轨道结构病害演化机理和结构长期性能评估等进行试验研究。

19、在一个更加优选的实施方式中，还包括如下步骤：

20、将接缝分割成若干块接缝单元，用不同颜色标记每个接缝单元，在每个接缝单元内部埋入温度传感器和应力传感器；

21、改变太阳辐射和/或荷载，利用解调仪解析不同太阳辐射-荷载耦合作用下接缝单元的应力分布和温度分布，并用外部位移传感器解析接缝单元的竖向与纵向位移；

22、在每个接缝单元外面布置竖向和纵向位移传感器；分析接缝单元的多个方向位移变化，判定在太阳辐射-荷载耦合作用下接缝损伤产生的位置、发展路径和最终破损状态，并在接缝损伤产生后继续试验，直至轨道结构损伤；

23、分析太阳辐射-荷载耦合作用下接缝损伤与轨道结构损伤的关联关系，确定接缝不同损伤状态对多因素耦合作用下无砟轨道结构病害演化机理，以及评估轨道结构的长期性能。

24、通过将接缝分割成若干块接缝单元，来模拟宽窄接缝的不同位置破损状态；并用不同颜色标记每个接缝单元，根据不同颜色标记接缝单元的伤损状态量化出具体宽窄接缝的损伤发展路径。在每个接缝单元内部埋入温度传感器和应力传感器，利用温度传感器可以获取每个接缝单元内部的温度数据，通过不同颜色标记的接缝单元的温度变化来模拟太阳辐射对轨道的作用。利用应力传感器可以获取每个接缝单元内部的应变数据，通过不用颜色标记的接缝单元的应力变化来识别出不同程度的接缝破损状态。利用位移传感器可以获取每个接缝单元外部的位移数据，通过不用颜色标记的接缝单元的位移变化来识别出不同程度的接缝破损状态。改变太阳辐射和/或荷载，通过接缝单元的温度场变化、不同层应力变化、位移变化识别出宽窄接缝的偏心受力状态，从而识别出宽窄接缝的伤损从孕育、发展到失效的演化过程。

25、与现有技术相比，本发明的特点和有益效果为：本发明提供了一种太阳辐射与荷载耦合作用下轨道宽窄接缝伤损试验模拟系统，对宽窄接缝进行试验模拟时，将列车荷载模拟装置放置在轨道板单元的顶部，利用列车荷载模拟装置对轨道板单元施加静力和动力荷载，同时将太阳辐射模拟装置设置在轨道板单元的顶部，利用太阳辐射模拟装置为轨道板单元提供预设的太阳辐射的温度荷载，从而能够研究太阳辐射-荷载耦合作用下宽窄接缝与轨道板之间粘结失效的产生、发展的演化过程，和/或宽窄接缝由挤压开始破损、部分破损到完全破损的演化过程，通过模拟试验更加真实，能实现接缝不同损伤状态对在多因素耦合作用下无砟轨道结构病害演化机理和结构长期性能评估等进行试验研究。