有轨电车轨道结构性能监测系统及结构性能评价方法与流程

1.本发明涉及有轨电车轨道监测技术领域，特别涉及有轨电车轨道结构性能监测系统及结构性能评价方法。


背景技术：

2.现代有轨电车是在传统有轨电车的基础上全面升级改造的一种先进公共交通方式，具有工程造价相对较低、运行安全可靠性较好、乘客舒适度良好、运输能力相对较大等方面的优势。
3.但随着有轨电车的长期运营，轨道结构将不可避免的出现各类病害，如：承轨槽填充材料剥落开裂，道床板性能劣化，路面与轨面差异沉降，轨道两侧沥青路面开裂、脱落等，会给有轨电车的行车安全带来较大的安全隐患。
4.在现有技术中，对于轨道结构病害检测主要依靠人工检查，需要在非运营时段才能进行，不仅占用列车的调度时间，而且检测速度慢、费时费力，无法有效反映结构内部的病害情况。近几年随着传感技术的发展，土木工程领域出现了利用传感元件监测结构性能的应用案例，但在有轨电车轨道结构性能监测方面，主要集中在钢轨性能状态的监测，而忽视了轨道下部结构以及与之搭接的道路结构的性能监测，存在监测片面、单一的问题。
5.因此，如何实现对有轨电车轨道结构全面、实时、高效的长期性能监测以及为有轨电车轨道结构养护提供依据成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供有轨电车轨道结构性能监测系统及结构性能评价方法，实现的目的是实现对有轨电车轨道结构全面、实时、高效的长期性能监测以及为有轨电车轨道结构养护提供依据。
7.为实现上述目的，本发明公开了有轨电车轨道结构性能监测系统，有轨电车的两条钢轨的两个承轨槽的两侧地面的面层内均沿所述轨道延伸方向设有多个面层开裂传感器；
8.每一所述承轨槽内与相应的所述钢轨之间的填充材料内均沿所述轨道延伸方向设有填充材料开裂传感器；
9.所述承轨槽下方的道床板内设有多个振动传感器；
10.所述道床板及其下方的支承层与两侧相应高度的基层之间的搭接部位均沿轨道延伸方向设有多个位移传感器；
11.所述有轨电车的地基内，在对应所述有轨电车的基床底层的中心、两侧边缘，以及对应所述基床底层外侧的路床层的位置均沿轨道延伸方向设有多个沉降传感器；
12.每一所述面层开裂传感器、每一所述填充材料开裂传感器、每一所述振动传感器、每一所述位移传感器和每一所述沉降传感器均通过光纤与相应的解调仪连接，将采集到的数据以光信号形式发送给相应的所述解调仪；
13.每一所述解调仪均用于将收到的光信号形式的所述数据通过无线或有线方式传输给数据中心；
14.所述数据中心根据获得的所述数据对所述有轨电车的结构性能进行评价。
15.优选的，每一所述位移传感器和每一所述沉降传感器的所述解调仪均为光纤光栅位移解调仪，波长范围40nm，动态范围45db。
16.优选的，每一所述振动传感器的所述解调仪均为φ-otdr分布式光纤振动解调仪，空间分辨率2m～10m，频响范围0～1250hz。
17.优选的，每一所述面层开裂传感器和每一所述填充材料开裂传感器的所述解调仪均为bofda分布式光纤应变解调仪，空间分辨率0.2m～5m，动态范围10db。
18.优选的，每一所述位移传感器均为光纤光栅位移传感器，监测量程为5cm，精度为1
‰
，采集频率为1次/天；
19.每一所述沉降传感器均为光纤光栅沉降传感器，监测量程为100cm，精度为1
‰
，采集频率为1次/天。
20.优选的，每一所述振动传感器均为采用铠装松套分布式光纤通过光纤环绕方式形成的多个光纤环；
21.所述道床板沿所述钢轨延伸方向被分割成多个矩形结构；
22.每一所述矩形结构均沿相应平面的对角线布置多个所述光纤环；
23.每两个相邻的所述光纤环的中心距均不大于50cm；
24.每一所述光纤环的光纤总长度均为4m，环绕半径均不小于6cm。
25.优选的，每一所述面层开裂传感器均为采用聚氨酯基粘合剂将紧套分布式光纤粘贴在所述面层的柔性土工格栅表面；
26.每一所述面层开裂传感器的布设深度为所述面层的中间位置，且靠近相应的承轨槽的的面，采集频率为1次/天。
27.更优选的，任一用于监测所述面层横向开裂的所述面层开裂传感器均沿着相应的所述土工格栅的横向网格呈s型粘贴；
28.任一用于监测所述面层纵向开裂的所述面层开裂传感器均沿着相应的所述土工格栅的纵向网格粘贴。
29.优选的，每一所述填充材料开裂传感器均为埋设在所述填充材料内，沿相应的所述钢轨的延伸方向延伸的紧套分布式光纤；
30.每一所述填充材料开裂传感器的布设深度均为相应的所述填充材料的中间位置，采集频率为1次/天。
31.本发明还提供应用有轨电车轨道结构性能监测系统的结构性能评价方法，所述数据中心包括数据分析模块和数据存储模块；
32.所述数据存储模块用于将接收到的所述数据按照时间、类型和相应的每一所述面层开裂传感器、每一所述填充材料开裂传感器、每一所述振动传感器、每一所述位移传感器和每一所述沉降传感器所在路段进行分类存储；
33.所述数据分析模块用于对接收到的所述数据和存储在所述数据存储模块中的所述数据进行分析，分析过程包括如下步骤：
34.步骤1、对收到的所述数据进行分类存储；
35.步骤2、根据每一所述位移传感器获得的所述数据，获得相应的所述床板与相应的所述基层搭接处，以及相应的所述支承层与相应的所述基层搭接处的位移变形情况；
36.步骤3、根据每一所述沉降传感器获得的所述数据，获得相应的所述地基的沉降变形情况；
37.步骤4、根据每一所述振动传感器获得的所述数据，获取所述道床板的模量情况，具体如下：
38.步骤4.1、根据每一所述振动传感器获得的所述数据，通过功率谱缝隙获取所述道床板的一阶固有频率；
39.步骤4.2、根据所述道床板的一阶固有频率，计算所述道床板的模量，公式如下：
[0040][0041][0042]
其中，e为所述道床板的模量；v为所述道床板的泊松比；ρ为所述道床板的密度；h为所述道床板的厚度；ω为所述道床板的固有频率；k为所述地基的反应模量；a为所述道床板的板长；b为所述道床板的板宽；λ为频率系数；m和n均为阶次，取值为1；
[0043]
步骤5、根据每一所述面层开裂传感器获得的所述数据，获取所述面层的裂缝宽度，具体计算公式如下：
[0044][0045]
其中，δs为裂缝宽度；ε(l)为相应的紧套分布式光纤的沿线应变函数关系式；l1为紧套分布式光纤的沿线应变的突变起始位置；l2为紧套分布式光纤的沿线应变的突变终止位置；
[0046]
步骤6、根据每一所述填充材料开裂传感器获得的数据，获取所述填充材料的裂缝宽度；
[0047]
步骤7、实时将所述床板与相应的所述基层搭接处，以及所述支承层与相应的所述基层搭接处的位移变形情况，所述地基的沉降变形情况，所述道床板的模量情况，所述面层的裂缝宽度，以及所述填充材料的裂缝宽度汇总后得出所述有轨电车的实时结构性能数据，作为所述有轨电车的养护依据。
[0048]
本发明的有益效果：
[0049]
本发明能够实现对有轨电车轨道结构全面、实时、高效的长期性能监测以及为有轨电车轨道结构养护提供依据。
[0050]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0051]
图1示出本发明一实施例中钢轨横截面的结构示意图。
[0052]
图2示出本发明一实施例中光纤环的结构示意图。
[0053]
图3示出本发明一实施例中矩形结构的每一平面的对角线方向排列多个光纤环的
结构示意图。
[0054]
图4示出本发明一实施例中面层开裂传感器的结构图。
[0055]
图5示出本发明一实施例中面层开裂传感器和填充材料开裂传感器的布设平面图。
具体实施方式
[0056]
实施例
[0057]
如图1所示，有轨电车轨道结构性能监测系统，有轨电车的两条钢轨1的两个承轨槽2的两侧地面的面层4内均沿轨道1延伸方向设有多个面层开裂传感器16；
[0058]
每一承轨槽2内与相应的钢轨1之间的填充材料3内均沿轨道1延伸方向设有填充材料开裂传感器17；
[0059]
承轨槽2下方的道床板5内设有多个振动传感器15；
[0060]
道床板5及其下方的支承层6与两侧相应高度的基层9之间的搭接部位均沿轨道延伸方向设有多个位移传感器13；
[0061]
有轨电车的地基12内，在对应有轨电车的基床底层8的中心、两侧边缘，以及对应基床底层8外侧的路床层11的位置均沿轨道延伸方向设有多个沉降传感器14；
[0062]
每一面层开裂传感器16、每一填充材料开裂传感器17、每一振动传感器15、每一位移传感器13和每一沉降传感器14均通过光纤与相应的解调仪连接，将采集到的数据以光信号形式发送给相应的解调仪；
[0063]
每一解调仪均用于将收到的光信号形式的数据通过无线或有线方式传输给数据中心；
[0064]
数据中心根据获得的数据对有轨电车的结构性能进行评价。
[0065]
如图1所示，地面从上向下依次包括面层4、基层9、垫层10、路床层11和地基12。
[0066]
两个承轨槽2向下依次包括填充材料3、道床板5、支承层6、基床表层7、基床底层8和地基12。
[0067]
在钢轨1横截面上，位移传感器13布设位置有两处：
[0068]
第一处位移传感器13水平向布设于道床板5与基层9的搭接处，布设深度为道床板5的中间位置，位移传感器13的一半位于道床板5，另一半位于基层9；
[0069]
第二处位移传感器13水平向布设于支承层6与基层9的搭接处，布设深度为支承层6的中间位置，位移传感器13的一半位于支承层6，另一半位于基层9。
[0070]
在钢轨1横截面上，沉降传感器14分别布设于地基12内基床底层8的中心、两侧边缘，以及对应基床底层8外侧的路床层11的位置。
[0071]
沉降传感器14竖向布设在地基12内的顶面，平面位置分别对应基床底层8中心位置、基床底层8两侧边缘的坡脚位置，以及基床底层8外侧的路床层11距相应一侧基床底层8坡脚2m的位置。
[0072]
振动传感器15布设深度为距道床板5顶面1/3的厚度处，当有列车经过时进行数据采集。
[0073]
在某些实施例中，每一位移传感器13和每一沉降传感器14的解调仪均为光纤光栅位移解调仪，波长范围40nm，动态范围45db。
[0074]
在某些实施例中，每一振动传感器15的解调仪均为φ-otdr分布式光纤振动解调仪，空间分辨率2m～10m，频响范围0～1250hz。
[0075]
在某些实施例中，每一面层开裂传感器16和每一填充材料开裂传感器17的解调仪均为bofda分布式光纤应变解调仪，空间分辨率0.2m～5m，动态范围10db。
[0076]
在某些实施例中，每一位移传感器13均为光纤光栅位移传感器，监测量程为5cm，精度为1
‰
，采集频率为1次/天；
[0077]
每一沉降传感器14均为光纤光栅沉降传感器，监测量程为100cm，精度为1
‰
，采集频率为1次/天。
[0078]
在某些实施例中，每一振动传感器15均为采用铠装松套分布式光纤20通过光纤环绕方式形成的多个光纤环；
[0079]
道床板5沿钢轨1延伸方向被分割成多个矩形结构；
[0080]
每一矩形结构均沿相应平面的对角线布置多个光纤环；
[0081]
每两个相邻的光纤环的中心距均不大于50cm；
[0082]
每一光纤环的光纤总长度均为4m，环绕半径均不小于6cm。
[0083]
如图2所示，为提高振动传感器15内光纤空间分辨率，通过光纤环绕方式以增大单位面积内的光纤长度，光纤环绕后形成光纤环。
[0084]
如图3所示，沿道床板5被分割成矩形结构的每一平面的对角线方向排列多个光纤环，光纤环中心距不大于50cm，光纤环逐一串联、依序排列，最终组成振动传感元件15。
[0085]
如图4和图5所示，在某些实施例中，一面层开裂传感器16均为采用聚氨酯基粘合剂将紧套分布式光纤19粘贴在面层4的柔性土工格栅18表面；
[0086]
每一面层开裂传感器16的布设深度为面层4的中间位置，且靠近相应的承轨槽2的的面，采集频率为1次/天。
[0087]
在实际应用中，土工格栅18、紧套分布式光纤19共同组成了面层开裂传感元件16。
[0088]
在某些实施例中，任一用于监测面层4横向开裂的面层开裂传感器16均沿着相应的土工格栅18的横向网格呈s型粘贴；
[0089]
任一用于监测面层4纵向开裂的面层开裂传感器16均沿着相应的土工格栅18的纵向网格粘贴。
[0090]
在某些实施例中，每一填充材料开裂传感器17均为埋设在填充材料3内，沿相应的钢轨1的延伸方向延伸的紧套分布式光纤19；
[0091]
每一填充材料开裂传感器17的布设深度均为相应的填充材料3的中间位置，采集频率为1次/天。
[0092]
本发明还提供应用有轨电车轨道结构性能监测系统的结构性能评价方法，数据中心包括数据分析模块和数据存储模块；
[0093]
数据存储模块用于将接收到的数据按照时间、类型和相应的每一面层开裂传感器16、每一填充材料开裂传感器17、每一振动传感器15、每一位移传感器13和每一沉降传感器14所在路段进行分类存储；
[0094]
数据分析模块用于对接收到的数据和存储在数据存储模块中的数据进行分析，分析过程包括如下步骤：
[0095]
步骤1、对收到的数据进行分类存储；
[0096]
步骤2、根据每一位移传感器13获得的数据，获得相应的床板5与相应的基层9搭接处，以及相应的支承层6与相应的基层9搭接处的位移变形情况；
[0097]
步骤3、根据每一沉降传感器14获得的数据，获得相应的地基12的沉降变形情况；
[0098]
步骤4、根据每一振动传感器15获得的数据，获取道床板5的模量情况，具体如下：
[0099]
步骤4.1、根据每一振动传感器15获得的数据，通过功率谱缝隙获取道床板5的一阶固有频率；
[0100]
步骤4.2、根据道床板5的一阶固有频率，计算道床板5的模量，公式如下：
[0101][0102][0103]
其中，e为道床板5的模量；v为道床板5的泊松比；ρ为道床板5的密度；h为道床板5的厚度；ω为道床板5的固有频率；k为地基12的反应模量；a为道床板5的板长；b为道床板5的板宽；λ为频率系数；m和n均为阶次，取值为1；
[0104]
步骤5、根据每一面层开裂传感器16获得的数据，获取面层4的裂缝宽度，具体计算公式如下：
[0105][0106]
其中，δs为裂缝宽度；ε(l)为相应的紧套分布式光纤19的沿线应变函数关系式；l1为紧套分布式光纤19的沿线应变的突变起始位置；l2为紧套分布式光纤19的沿线应变的突变终止位置；
[0107]
步骤6、根据每一填充材料开裂传感器17获得的数据，获取填充材料3的裂缝宽度；
[0108]
在实际应用中，填充材料3的裂缝宽度的计算分方法与面层4的裂缝宽度的计算方法相同。
[0109]
步骤7、实时将床板5与相应的基层9搭接处，以及支承层6与相应的基层9搭接处的位移变形情况，地基12的沉降变形情况，道床板5的模量情况，面层4的裂缝宽度，以及填充材料3的裂缝宽度汇总后得出有轨电车的实时结构性能数据，作为有轨电车的养护依据。
[0110]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.有轨电车轨道结构性能监测系统；其特征在于，有轨电车的两条钢轨(1)的两个承轨槽(2)的两侧地面的面层(4)内均沿所述轨道(1)延伸方向设有多个面层开裂传感器(16)；每一所述承轨槽(2)内与相应的所述钢轨(1)之间的填充材料(3)内均沿所述轨道(1)延伸方向设有填充材料开裂传感器(17)；所述承轨槽(2)下方的道床板(5)内设有多个振动传感器(15)；所述道床板(5)及其下方的支承层(6)与两侧相应高度的基层(9)之间的搭接部位均沿轨道延伸方向设有多个位移传感器(13)；所述有轨电车的地基(12)内，在对应所述有轨电车的基床底层(8)的中心、两侧边缘，以及对应所述基床底层(8)外侧的路床层(11)的位置均沿轨道延伸方向设有多个沉降传感器(14)；每一所述面层开裂传感器(16)、每一所述填充材料开裂传感器(17)、每一所述振动传感器(15)、每一所述位移传感器(13)和每一所述沉降传感器(14)均通过光纤与相应的解调仪连接，将采集到的数据以光信号形式发送给相应的所述解调仪；每一所述解调仪均用于将收到的光信号形式的所述数据通过无线或有线方式传输给数据中心；所述数据中心根据获得的所述数据对所述有轨电车的结构性能进行评价。2.如权利要求1所述的有轨电车轨道结构性能监测系统，其特征在于，每一所述位移传感器(13)和每一所述沉降传感器(14)的所述解调仪均为光纤光栅位移解调仪，波长范围40nm，动态范围45db。3.如权利要求1所述的有轨电车轨道结构性能监测系统，其特征在于，每一所述振动传感器(15)的所述解调仪均为φ-otdr分布式光纤振动解调仪，空间分辨率2m～10m，频响范围0～1250hz。4.如权利要求1所述的有轨电车轨道结构性能监测系统，其特征在于，每一所述面层开裂传感器(16)和每一所述填充材料开裂传感器(17)的所述解调仪均为bofda分布式光纤应变解调仪，空间分辨率0.2m～5m，动态范围10db。5.如权利要求1所述的有轨电车轨道结构性能监测系统，其特征在于，每一所述位移传感器(13)均为光纤光栅位移传感器，监测量程为5cm，精度为1
‰
，采集频率为1次/天；每一所述沉降传感器(14)均为光纤光栅沉降传感器，监测量程为100cm，精度为1
‰
，采集频率为1次/天。6.如权利要求1所述的有轨电车轨道结构性能监测系统，其特征在于，每一所述振动传感器(15)均为采用铠装松套分布式光纤(20)通过光纤环绕方式形成的多个光纤环；所述道床板(5)沿所述钢轨(1)延伸方向被分割成多个矩形结构；每一所述矩形结构均沿相应平面的对角线布置多个所述光纤环；每两个相邻的所述光纤环的中心距均不大于50cm；每一所述光纤环的光纤总长度均为4m，环绕半径均不小于6cm。7.如权利要求1所述的有轨电车轨道结构性能监测系统，其特征在于，每一所述面层开裂传感器(16)均为采用聚氨酯基粘合剂将紧套分布式光纤(19)粘贴在所述面层(4)的柔性土工格栅(18)表面；每一所述面层开裂传感器(16)的布设深度为所述面层(4)的中间位置，且靠近相应的
承轨槽(2)的的面，采集频率为1次/天。8.如权利要求7所述的有轨电车轨道结构性能监测系统，其特征在于，任一用于监测所述面层(4)横向开裂的所述面层开裂传感器(16)均沿着相应的所述土工格栅(18)的横向网格呈s型粘贴；任一用于监测所述面层(4)纵向开裂的所述面层开裂传感器(16)均沿着相应的所述土工格栅(18)的纵向网格粘贴。9.如权利要求1所述的有轨电车轨道结构性能监测系统，其特征在于，每一所述填充材料开裂传感器(17)均为埋设在所述填充材料(3)内，沿相应的所述钢轨(1)的延伸方向延伸的紧套分布式光纤(19)；每一所述填充材料开裂传感器(17)的布设深度均为相应的所述填充材料(3)的中间位置，采集频率为1次/天。10.应用如权利要求1所述的有轨电车轨道结构性能监测系统的结构性能评价方法，其特征在于，所述数据中心包括数据分析模块和数据存储模块；所述数据存储模块用于将接收到的所述数据按照时间、类型和相应的每一所述面层开裂传感器(16)、每一所述填充材料开裂传感器(17)、每一所述振动传感器(15)、每一所述位移传感器(13)和每一所述沉降传感器(14)所在路段进行分类存储；所述数据分析模块用于对接收到的所述数据和存储在所述数据存储模块中的所述数据进行分析，分析过程包括如下步骤：步骤1、对收到的所述数据进行分类存储；步骤2、根据每一所述位移传感器(13)获得的所述数据，获得相应的所述床板(5)与相应的所述基层(9)搭接处，以及相应的所述支承层(6)与相应的所述基层(9)搭接处的位移变形情况；步骤3、根据每一所述沉降传感器(14)获得的所述数据，获得相应的所述地基(12)的沉降变形情况；步骤4、根据每一所述振动传感器(15)获得的所述数据，获取所述道床板(5)的模量情况，具体如下：步骤4.1、根据每一所述振动传感器(15)获得的所述数据，通过功率谱缝隙获取所述道床板(5)的一阶固有频率；步骤4.2、根据所述道床板(5)的一阶固有频率，计算所述道床板(5)的模量，公式如下：步骤4.2、根据所述道床板(5)的一阶固有频率，计算所述道床板(5)的模量，公式如下：其中，e为所述道床板(5)的模量；v为所述道床板(5)的泊松比；ρ为所述道床板(5)的密度；h为所述道床板(5)的厚度；ω为所述道床板(5)的固有频率；k为所述地基(12)的反应模量；a为所述道床板(5)的板长；b为所述道床板(5)的板宽；λ为频率系数；m和n均为阶次，取值为1；步骤5、根据每一所述面层开裂传感器(16)获得的所述数据，获取所述面层(4)的裂缝宽度，具体计算公式如下：
其中，δs为裂缝宽度；ε(l)为相应的紧套分布式光纤(19)的沿线应变函数关系式；l1为紧套分布式光纤(19)的沿线应变的突变起始位置；l2为紧套分布式光纤(19)的沿线应变的突变终止位置；步骤6、根据每一所述填充材料开裂传感器(17)获得的数据，获取所述填充材料(3)的裂缝宽度；步骤7、实时将所述床板(5)与相应的所述基层(9)搭接处，以及所述支承层(6)与相应的所述基层(9)搭接处的位移变形情况，所述地基(12)的沉降变形情况，所述道床板(5)的模量情况，所述面层(4)的裂缝宽度，以及所述填充材料(3)的裂缝宽度汇总后得出所述有轨电车的实时结构性能数据，作为所述有轨电车的养护依据。

技术总结
本发明公开了有轨电车轨道结构性能监测系统及结构性能评价方法，两个承轨槽的两侧地面的面层内均设有面层开裂传感器；承轨槽内与钢轨之间的填充材料内设有填充材料开裂传感器；承轨槽下方的道床板内设有多个振动传感器；道床板及其下方的支承层与两侧相应高度的基层之间的搭接部位均设有多个位移传感器；有轨电车的地基内，在对应有轨电车的基床底层的中心、两侧边缘，以及对应基床底层外侧的路床层的位置均设有多个沉降传感器；面层开裂传感器、填充材料开裂传感器、振动传感器、位移传感器和沉降传感器均通过光纤与相应的解调仪连接，将光信号形式的数据紧固解调仪传输给数据中心。本发明能够对有轨电车轨道结构进行全面、实时、高效的监测。高效的监测。高效的监测。


技术研发人员：蔡氧 金辰 高建华 张嘉明
受保护的技术使用者：上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/5/26