1、PDF外文：http:/ 1 中文 13200 字 出处： Engineering Structures, 2011, 33(7): 2120-2133. 估计铁路轨道特性 的 概率方法 Rhayma N, Bressolette P, Breul P 摘要： 由于铁路网络的退化和昂贵的维护费用，当今铁路工程 面临着许多问题。再加上缺乏几何知识和轨道的力学参数，铁 路的优化维护管理变得很艰难。在这种背景下，本文提出一种新的方法 分析铁路轨道的特性 。 该方法 结合了新的 诊断设备 ，该设备 能够获得许多重要的数据 ， 从而得 到几何和力学参数以及 基于非入侵式方法 的
2、统计量 ， 并且该非入侵式方法能够加上任何力学模型 。 对于研究参数（参数之间的相关性的分布和影响），许多结果都显示了这种方法的可行性。在不久的将来，这种方法将会给铁路管理人员带来许多重要的信息，以便进行优化维护操作。 关键词： 随机有限元 方法 、随机 配置 、拉格朗日多项式、铁路轨道 1. 介绍 在 当代 计算力学领域中， 均认为力学和几何参数对数值模型有重要的影响。 为了满足这一要求，这有一种 可行 性：选择 一些特定情况下不定参数的特殊值（极值、均值）然后估计这些情况下相应的力学响应 ，最终就一个给定的破坏准则而言，其保留了最不利的情况 。 这种策
3、 略通常在试验中使用，但是 该策略 非常值得 商榷 ，因为最不利情况下的选择是由一连串情况组合的，其中不自然地包含了所有可能 的情况。最严谨 的解决方案实际上是使用一种基于概率的策略方法 （ 1-8） 。在本文中，这种类型的策略，提出了对铁路轨道特性的概率分析 。 铁路工程正遭受着因铁路网退化带来的诸多问题，而这些铁路网需要重要和昂贵的维修工作。 由排水问题，相对沉降、层退化带来的铁路 受损和必要的维修措施 造成了 路基不同 地 层 的非线性 力学和几何特征 ， 所以 提高 轨道水平变得更加艰难。由于缺乏对这些非线性 的了解 ， 以及 其对轨道行为可能带来的后 果，因此制定一个优化
4、的维护管理变得更加困 难。 因此，为了以逼真的方式描述 动力荷载作用下 铁路轨道的特性 ，有必要使用一种数值模型来分析 力学 和几何参数的不确定性 。在过去的几十年， 已经利用 了 几个基于有限元 （ FE） 方法来研究铁路轨道 的 整体与局部的特性 （ 9） 。为了考虑这个随机不确定性 ， 我们 很自然想到利用随机有限元法（ SFE） （ 10-20） 。 本文 选择的解决方案 是以分析不确定性传播为目的，通过数值模型来描述轨道段的力学特性 。通过此方案 ，铁路管理者就可以对不同的解决办法进行分析和比较。 2 本文的结构如下。第 3 节 将涉及铁路公司使 用的诊断方
5、法。特别是，对新 设备曾经记录 的 力学 和几何数据进行了描述。然后，提出了确定的有限元（ FE）轨道模型。第 4节的侧重于 不确定数据的概率模型 建立和选择概率方法中的控制变量 。第 5 节提出 SFE方法（基于随机配置法）。第 6 节主要详解一些针对铁路问题的数值应用程序（参数相关性的分布和影响、传播的不确定性），最后 在第 7 节 我们 可以从实际的角度通过铁路管理者优化维护 得出 的 一些结论 来诠释这个方法。 2.轨道不平顺 图 1.轨道结构 传统的铁路轨道 结构是一个分层 的 系统（图 .1）。其组成部分包括道渣，底渣和路基土，并且它 们 承受
6、轨道、 轨枕传递下来的荷载。道渣层（粉碎的岩石形成的粒状材料）通过抵抗和消散轨枕传递下来的竖向、横向和纵向力 ，来保持上层建筑在要求位置的结构的完整。 轨道结构承载着通过轮轨接触传递下来的移动荷载。我们提醒大家关注这样一个事实 :这个工作 ,我们不考虑轨道面的几何形状的不规则 ,这个参数我们进行常规的测量和校正（打磨的钢轨） 。为了估计轨道质量，需要定义传统的不规则性测量。当这些量超过允许的临界值时，必须进行维护操作。对于任何铁路基建经理，执行养路工作都是是一项最重要的任务。这个任务需要定期随访几何轨道质量和执行监测 干预。 2.1、 传统的诊断方法 &
7、nbsp; 铁路公司使用不同的设备监察养路。对于法国铁路管理器（ SNCF），主要是由 Mauzin汽车（图 2）根据交通密度一年一次或一年几次进行跟踪检查 。这辆车 ,它能够 获得 速度为 200 公里 /小时的跟踪测量数据。 利用这些 测量数据 , 几个代表轨道几何的轨道质量指标就可以 计算 出来 （ NL：纵向找平， NT：横向水平， D：提高等）。 纵向找平 (NL)是由变量构成的实验样本的标准差，它是在 Mauzin车侧轮中心垂直位移和所有相应侧轮 22平均垂直位移之间，通过 对一段 200 米的距离进行每 10 厘米 的测量方式得到的。 在这 3 个实验中，使用的 Mauzin 车
8、具有 8 车轴并且其速度为 160 公里 /小时。此标准偏差被认为是轨道和维护操作的一个劣化指标，并且轨道 和维护的 运行 是根据这个指标进化编程操作的。 一个 使用轨道几何测量和维护操作数据的计算机应用程序 称为 TIMON，目前在法国应用。这个应用程序演示了轨道的演变 ,提供了一个系统的随访和前瞻性分析。瑞典铁路管理器（ Banverket）使用滚动刚度测量车辆（ RSMV）。这种技术是基于 轨道刚度 的测量，它是用来标记沿线铁路需要进行维护的位置 。在英国，落锤弯弯沉仪（ FWD） 26：使用从测试中获得的偏转数据，对轨道下部的弹性模量的值进行估
9、计 。 2.2、 互补的诊断设备 对于铁路结构每个组件的或者可变性来说，之前提出的方法不能够评估和分离物理力学特征。 在过去的十几年里轨道诊断工具的进程已经完成： 几个技术应运而生，来测量连续或定位点 （ 26） 。考虑到变异量虽然是随机的，但过程还是可能的。 最近在工作中 设备的测试及使用被提出。 三种不同的设备在本研究中已被使用：地面穿透雷达（ GPR），光动针入度（ Panda）和 地缘内镜检查 。所述 GPR 是一种快速，非破坏性检查装置来估计铁路 轨道子结构的完整性 （ 27） 。 如图 3 所示 ,非接触式测量装置允
10、许数据收集操作的速度。探地雷达提供连续 top-ofrail 子结构层和厚度的测量（道砟，底砟 ，路基）。应该注意到 ,测量水分含量和敏感材料密度。 GPR 也可能能够从干净的道砟中 区别出结垢的道砟 （ 27） 。 光动力触探（ Panda） （ 28、 29） 可以测量土的垂直方向的抗力 。测试使用驱动锥 (2、 4或 10 平方厘米 )且在最后一组棒使用锤子。对于槌的每次打击，渗透和冲击能量的深度被记录来计算动态锥阻力（ QD）与 荷兰式相应的深度。与获得原位测试标准比较 ， 以 前的研究已经证明了结果的可靠性 30 。然后使用 Buisman
11、对土体模量进行近似估计 ：第一锥形阻力涉及体侧限压缩弹性模量（ Eoed ） （ 31、 32） 而体侧限压缩弹性模量是与上述弹性模量（ E）有关，具体如下： 1 1 2, 1o e dvvE o e d q d E Ev （ 1） 其中， 取决于土壤性质， 是泊 松比取等于 0.3。为了使用这些相关性，就必须有一个土壤表征。这可以通过使用 地缘内镜检查 来实现。 地缘内镜检查 （ 33） 由一个小相机（ 8.6毫米直径），用于从与渗透试验（图 4）执行的所述腔收集的图像。该设备所允许的土壤听诊多达 8 米深。图像处理后，就可以得到该结构的表征：厚度不同的层，土壤分类和材料氢气的状态。这些技术的优点包括在 很短的时间内能快速设置和执行大量的测试，而且不会干扰土体 。它们允许一个收集物理和铁路结构的不同层的机械特性和它们的变异性的评估。可以区分两种变异：第一个是被链接到实验测量和第二个是所考虑的参数的空间变化。 在这个初步研究，我们只专注于实验变异。
