無砟軌道板中由熱機械耦合引起的應變異常：來自嵌入式GFRP-OFBG傳感器的機理分析
《Mechanical Systems and Signal Processing》：Thermo-mechanical coupling-induced strain anomalies in ballastless track slabs: mechanistic insights from embedded GFRP-OFBG sensors
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時間：2026年02月27日
來源：Mechanical Systems and Signal Processing 8.9
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溫度梯度導致無砟軌道板變形的研究，采用GFRP-OFBG傳感器與CEEMDAN時頻分解分析應變信號，建立CRTSIII軌道有限元模型，揭示臨界溫度梯度閾值及應變反轉、疊加效應，為軌道健康監測提供新方法。
李培剛|楊杰|陳萃|蔡青樹|曾毅|王明宇|顧偉仕|胡萌|馮寧
上海工業大學鐵路運輸學院，中國上海201418
摘要
溫度梯度導致無砟軌道板發生翹曲變形是一種普遍現象。大多數研究集中在溫度引起的翹曲的長期影響上，但關于動態應變響應的系統研究仍然有限。這一空白阻礙了我們對熱機械耦合（TMC）行為的理解。本研究探討了應變響應中的非線性TMC機制，旨在更好地理解和實時監測軌道結構，以檢測結構異常、提高鐵路安全性并優化維護。我們使用GFRP-OFBG傳感器結合CEEMDAN時頻分解方法處理應變信號，然后建立了CRTSIII無砟軌道的有限元模型以確定臨界梯度閾值。主要發現包括：1. 應變反轉效應：當ΔT/Δx ≤ ?10°C/m時，上層軌道板表現出拉伸應變，而下層SCC層則表現出壓縮應變；當ΔT/Δx ≥ 30°C/m時，情況發生顯著變化。2. 應變疊加效應：當ΔT/Δx ≤ ?10°C/m時，翹曲變形改變了載荷傳遞路徑；復合板內不同位置和層的應變響應模式存在差異，在軌道板中心有五個峰值，在SCC的非中心區域有四個低谷。這些應變異�，F象豐富了我們對軌道結構行為的理解，并為結構健康監測（SHM）系統中的故障診斷提供了新的視角。通過分析異常應變模式，可以確定軌道結構的翹曲情況。此外，識別改變應變行為和載荷傳遞機制的梯度閾值有助于制定實用策略，以減輕極端氣候條件的影響。建立應變信號與算法之間的關系可以進一步提高SHM系統的智能性和診斷能力。
引言
無砟軌道由混凝土板、CA砂漿層和支持基座組成，廣泛應用于高速鐵路系統中，以提高穩定性、減少維護工作并延長使用壽命[1]、[2]、[3]。結構層之間的熱傳遞機制（輻射、對流和傳導）產生溫度梯度，導致軌道板發生翹曲變形[4]、[5]、[6]。正溫度梯度會導致中心拱起和角落抬起，而負溫度梯度則會導致角落翹曲和中心下沉[7]。列車載荷會在板底產生動態沖擊（圖1）[8]。長時間受到熱機械耦合（TMC）載荷的影響可能導致界面分離[9]、裂紋擴展[10]和界面損傷[11]，可能引發軌道斷裂，威脅鐵路運營安全[12]。因此，研究TMC載荷對軌道結構動態應變響應的影響對于識別結構損傷和評估結構完整性至關重要，這為維護決策提供了關鍵依據，從而確保鐵路系統的長期可靠性和安全性。
以往的研究主要集中在溫度梯度對軌道結構長期變形和結構失效機制的影響上。現有研究可分為三個主要領域：首先，許多研究探討了溫度梯度對結構變形特性的影響及其對結構長期性能的影響[4]、[5]、[6]、[7]、[13]、[14]；其次，一些研究分析了由翹曲變形引起的界面失效機制，如界面損傷、分離和裂紋及其長期演變[9]、[10]、[11]、[15]、[16]、[17]、[18]；最后，一些研究人員分析了溫度變化對板底動態接觸條件的影響及其在結構穩定性中的作用[8]、[19]。然而，關于高頻動態載荷下的應變響應的研究相對較少，尤其是這方面的研究尚未得到充分探索。
盡管傳統的結構健康監測方法在長期載荷的累積效應方面取得了顯著進展，但在檢測動態應變異常方面仍面臨技術瓶頸。一方面，基于模型的方法（例如使用有限元方法進行裂紋擴展[10]、剛度退化[20]和疲勞失效預測[21]）主要關注結構退化的定量評估，通過預定義的材料本構模型模擬失效特性。然而，這些方法通常依賴于離線計算，難以滿足實時監測的需求。另一方面，基于物理傳感器的方法受到傳感器限制，難以有效捕捉軌道結構在列車載荷下的瞬態應變波動。例如，電阻應變計原則上僅限于表面應變測量，無法檢測內部應變分布[22]；加速度計測量結構的整體振動響應，其信號缺乏有效捕捉軌道板局部變形特征所需的空間分辨率[23]；振動線應變計的空間分辨率較低，且容易受到電磁干擾[24]。因此，這些方法在復雜條件（如熱機械耦合變形）和多損傷耦合效應（如疲勞-腐蝕-蠕變）下缺乏有效的預警能力。
近年來，光纖傳感器（FOS）由于其高靈敏度、抗電磁干擾（EMI）和緊湊的設計成為結構健康監測（SHM）的重要工具[25]、[26]、[27]。特別是光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，憑借其光譜編碼特性，在抗噪性和信號穩定性方面優于傳統傳感器。與傳統應變計相比，光纖傳感器更適合惡劣環境，并能進行分布式應變測量[28]、[29]。此外，與纖維增強聚合物（FRP）集成的FBG傳感器不僅提高了耐腐蝕性和耐用性，還能在高頻動態載荷下提供更準確的應變數據[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。實驗結果表明，GFRP-OFBG傳感器的靈敏度系數為0.00121 nm/με，溫度系數為17.24 pm/°C，是裸光纖布拉格光柵（OFBG）傳感器的1.7倍（10 pm/°C）[35]。這些優勢使得GFRP-OFBG傳感器成為無砟軌道監測的理想選擇，克服了傳統傳感器的局限性，能夠實時捕捉瞬態小應變波動。
本研究旨在基于GFRP-OFBG傳感系統，實現無砟軌道在溫度梯度和列車載荷共同作用下的動態應變監測。通過CEEMDAN結合FFT分析應變信號，研究了軌道板的應變演變機制。此外，建立了CRTS III無砟軌道的熱機械耦合模型并進行了驗證，為精確分析軌道結構中的異常應變機制奠定了理論基礎。本研究的關鍵創新包括：首先，基于GFRP-OFBG傳感系統構建了實時監測系統，有效捕捉了軌道板在動態列車載荷下的瞬態和微小應變波動，克服了傳統傳感器在動態載荷下捕捉瞬態應變的局限性；其次，采用了兩步信號處理流程，包括CEEMDAN分解和FFT分析，有效分解了列車載荷引起的應變，提高了數據處理的準確性和可靠性。這些應變異�，F象豐富了我們對軌道結構行為的理解，為界面損傷和裂紋形成的早期診斷提供了有效手段。
實驗監測數據分析
本章描述了傳感器布局、數據采集程序和現場測試方法，分析了GFRP-OFBG棒在熱機械耦合（TMC）載荷下軌道板內的長期應變響應，以識別異常應變現象。
異常應變的頻域分析
從時域分析得到的應變曲線提供了應變的近似范圍，并捕捉了車輪作用的過程，但未能揭示出明確的信號成分。為了更深入地了解信號，需要進行系統的頻域分析。
應變異常的機理分析
本研究采用了順序耦合的熱應力分析框架[38]、[39]，開發了CRTSIII無砟軌道的熱機械耦合模型，并通過實驗現場數據進行了驗證。隨后，研究了復合板中心觀察到的應變異常的根本原因。
結論
本研究探討了無砟軌道結構在熱機械耦合（TMC）載荷下的動態應變特性。我們結合GFRP-OFBG棒傳感和CEEMDAN時頻分解方法分析了應變信號，并建立了CRTSIII無砟軌道的有限元模型以確定臨界梯度閾值。檢測到的異常應變模式加深了對軌道動態的理解，為結構健康監測提供了新的視角。
作者貢獻聲明
李培剛：撰寫 – 審稿與編輯、驗證、方法論、概念化。楊杰：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、驗證、軟件、方法論、調查、正式分析、數據整理。陳萃：撰寫 – 審稿與編輯、可視化、軟件。曾毅：撰寫 – 審稿與編輯。王明宇：撰寫 – 審稿與編輯、軟件、調查。顧偉仕：
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究工作。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（項目編號51608317）、中老鐵路工程國際聯合實驗室（項目編號21210750300）、中國國家鐵路集團（項目編號K2020G031）以及泰州市科技計劃項目（項目編號24gyb16）的支持。
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