本書針對影響高速鐵路軌道平順性的檢測與評價的若干關鍵問題，在總結現(xiàn)有軌道幾何狀態(tài)檢測與監(jiān)測技術、軌道剛度檢測方法、無縫線路狀態(tài)監(jiān)測理論、無砟軌道病害檢測方法和高速道岔狀態(tài)監(jiān)測技術的基礎上，分析了我國高速鐵路軌道平順性檢測與監(jiān)測方面面臨的主要挑戰(zhàn)；系統(tǒng)研究了軌道靜態(tài)不平順的高效檢測理論與方法、軌道不平順的動力學控制理論及評估技術、軌道寬頻動剛度的檢測理論與方法、基于模態(tài)的無砟道床傷損檢測理論與方法、影響高速鐵路高平順性的無縫線路斷軌與溫度力監(jiān)測技術，及高速道岔鋼軌裂紋監(jiān)測技術等；提出了加強我國高速鐵路軌道平順性檢測、監(jiān)測與評估的若干建議。

京滬高鐵線已運營十年，復興號使得單程時間縮到至4小時18分，高鐵時代的雙城記改變著我們對地域的理解。在高速、大運量、運營時間累計，我們對高鐵的要求也在不斷改變，穩(wěn)靜舒適度一直是高鐵在便捷以外給乘客的另一大體驗。既有的高鐵線下部基礎沉降等變形直接影響軌道平順性，另一方面受軌道使用過程手多因素耦合效應影響狀態(tài)劣化；另一方面隨著運營規(guī)模的不斷擴大，高品質(zhì)的高鐵建設仍然需求量較大�？茖W評估是高鐵運營安全的重要保障，加強我國高速鐵路軌道平順性監(jiān)測、監(jiān)測與評估的建議。

高速鐵路技術是現(xiàn)代中國一張靚麗的國家名片，承載著中華民族偉大復興的夢想。高速鐵路正以高速度、高安全性和高平穩(wěn)性的高品質(zhì)出行，高智能化的建設與運維管理，成為中國高端制造、高端運輸?shù)闹е�。為實現(xiàn)高速鐵路的建設、運營和維護目標，具有高平順性、高穩(wěn)定性和高可靠性的高速鐵路軌道工程成為高速鐵路基礎設施子系統(tǒng)中最為關鍵的組成部分。不斷發(fā)展和探索利用現(xiàn)代測試技術和信息處理技術，對影響高速鐵路高平順性、高安全性和高可靠性的軌道工程關鍵結構狀態(tài)、典型病害分布、主要敏感參數(shù)等開展系統(tǒng)的檢測、監(jiān)測與分析，構建高速鐵路軌道工程高平順性的系統(tǒng)診斷與評估方法，是確保高速鐵路安全、高效運行的重要保證。近年來，作者及其團隊在國家自然科學基金委員會高鐵聯(lián)合基金項目高速鐵路軌道結構檢測關鍵理論與方法(編號：U1234201)、高速鐵路道岔輪軌接觸行為、性能演化與損傷機理研究(編號：U1734207)及國家自然科學基金委員會國家杰出青年科學基金項目高速鐵路軌道結構服役安全關鍵科學問題研究(編號：51425804)的支持下，針對影響高速鐵路線路高平順性的若干重點難點問題，進行了大量探索。本書即為相關成果系統(tǒng)性、階段性的總結，希望為中國高速鐵路快速、健康、穩(wěn)定的發(fā)展提供助力。
全書共分7章，重點圍繞影響我國高速鐵路高平順性的軌道幾何狀態(tài)、軌道剛度參數(shù)、無縫線路安全、無砟軌道病害和高速道岔安全，介紹了相關研究成果。具體內(nèi)容如下：
第1章主要針對我國高速鐵路軌道維護檢修體系、現(xiàn)代軌道幾何狀態(tài)檢測與監(jiān)測技術進行了綜述，并提出了我國高速鐵路軌道平順性檢測方面目前面臨的主要挑戰(zhàn)。
第2章深入推導了軌道靜態(tài)幾何不平順的弦測法基本公式，建立了一弦N點弦測法的優(yōu)化方法及反演理論，并提出了控制誤差放大系數(shù)和提高檢測波長、精度的相關途徑，分析了慣性導航系統(tǒng)技術的工作原理，最后提出了相對與絕對結合的高效檢測技術。
第3章主要介紹了高速鐵路軌道不平順動力學控制理論及評估技術，在全面總結國內(nèi)外軌道不平順評價方法的基礎上，通過分析軌道不平順與輪軌系統(tǒng)的頻率響應關系，梳理了高低、水平、軌向和軌距不平順的敏感波長分布，提出基于動力學的軌道不平順加權評價方法。
第4章重點介紹了軌道動剛度檢測理論的研究進展，在概述軌道靜、動剛度檢測技術的基礎上，從軌道結構動力特性的角度分析了軌道剛度的內(nèi)涵，提出了軌道結構寬頻動剛度的計算理論及測試、分析方法。
第5章主要介紹了無砟軌道傷損檢測的若干研究進展，重點介紹了模態(tài)法檢測理論中的固有頻率檢測法、曲率模態(tài)檢測法和高斯曲率檢測法，就應用沖擊回波檢測無砟軌道若干典型傷損進行了理論仿真和試驗驗證，提出了無砟軌道傷損檢測的系統(tǒng)設計方案。
第6章重點針對高速鐵路無縫線路運營安全監(jiān)測中的溫度力及斷軌監(jiān)測技術做了介紹，總結了無縫線路監(jiān)測、檢測的主要技術，分析了廣泛使用的雙向應變法及衍生方法的組橋方案、誤差組成，提出了基于異包層的光纖光柵傳感監(jiān)測方法，并提出了針對高速鐵路軌道結構中至關重要的橋上無縫道岔的系統(tǒng)監(jiān)測方案。
第7章主要介紹了高速道岔裂紋監(jiān)測系統(tǒng)，在總結道岔鋼軌傷損及道岔監(jiān)測系統(tǒng)應用現(xiàn)狀的基礎上，重點介紹了針對嚴重威脅高速道岔運營安全的鋼軌裂紋開展監(jiān)測研究的相關成果，深入研究了基于聲發(fā)射技術的道岔裂紋傷損識別算法，并形成了符合我國國情、路情的高速道岔監(jiān)測系統(tǒng)解決方案。
本書參考引用了西南交通大學軌道工程團隊多年來的部分研究成果，也參考和引用了大量國內(nèi)外其他研究者的研究成果，并盡可能地在參考文獻部分列出，但也難免有所遺漏，在此向廣大研究者和同仁謹致崇高的感謝！
在本書寫作過程中，得到課題組李成輝、劉學毅、陳嶸、趙才有、徐井芒、韋凱、何慶、楊榮山、趙坪銳、任娟娟、郭利康和劉鈺等老師的全力協(xié)助，得到了國家自然科學基金會、中國鐵路總公司、中國鐵路南昌局集團有限公司、中國鐵路上海局集團有限公司和中國鐵路成都局集團有限公司、成都地鐵、深圳地鐵等單位的大力支持，得到四川西南交大鐵路發(fā)展股份有限公司、薩伏威（西安）導航技術有限公司等單位提供的寶貴素材，并得到歷屆研究生王源、徐金輝、謝鎧澤、劉浩、胡志鵬、韋安祺、劉冬婭、溫靜、楊翠平、楊敏婕、劉鑒興、李敏一、戴佳程等同學的鼎力幫助，在此表示衷心的感謝！
本書力求拋磚引玉，為鐵道工程相關專業(yè)的研究人員、工務管理人員、大專院校老師及研究生提供參考。受作者水平所限，書中謬誤和疏漏在所難免，懇請廣大讀者批評指正，作者將萬分感激，并努力在今后的研究中不斷改進與完善。

作者2019年于成都

王平，工學博士，西南交通大學教授,博士生導師�，F(xiàn)為高速鐵路線路工程教育部重點實驗室主任、西南交通大學道路與鐵道工程系主任、高速鐵路軌道結構理論與安全服役技術四川省科技創(chuàng)新團隊帶頭人。曾獲享受國務院政府特殊津貼專家、教育部新世紀人才、四川省學術及技術帶頭人等稱號，并于2014年獲得國家杰出青年科學基金。長期從事鐵路軌道方面的教學與科研工作，是西南交通大學道路與鐵道工程國家級重點學科帶頭人；獲得國家級教學成果獎1項，四川省教學成果獎4項。
王平教授重點研究高速重載軌道結構及軌道動力學、鐵路軌道不平順及動力學、跨區(qū)間無縫線路設計理論與方法以及城市軌道交通減振降噪等方向。主持建立了我國高速鐵路道岔設計理論體系，領導了我國時速250公里、350公里系列高速鐵路道岔的研制；探明了無縫道岔與橋梁等基礎間的約束機制與作用規(guī)律，解決了高速道岔應用于不同基礎結構上的適應性難題；形成了高速鐵路軌道平順性保持技術體系，解決了高鐵建設與運營過程中軌道平順狀態(tài)診斷與高平順性長期保持的技術難題。承擔國家863計劃、國家高速鐵路基礎研究聯(lián)合基金重點支持項目、國家自然科學基金及鐵道部科技開發(fā)項目20余項。2016年，作為第一完成人以高速鐵路軌道平順性保持技術項目獲國家技術發(fā)明獎二等獎；曾主持獲得四川省、教育部及中國鐵道學會科技進步獎一等獎3項。出版專著5本，獨著的《高速鐵路道岔設計理論與實踐》獲得了中國圖書三個一百原創(chuàng)出版工程獎；獲國家發(fā)明和實用新型專利44項，軟件著作權8項；近5年，SCI收錄論文共46篇，EI收錄論文共167篇。
肖杰靈，博士，副教授。西南交通大學土木工程學院道路與鐵道工程系任教。長期從事高速、重載及城市軌道交通軌道動力學、軌道結構領域的研究與工程應用，主要研究方向包括鐵路無縫線路技術、新型軌道結構研究與應用、工務檢測與監(jiān)測技術等。作為主研人員參與了我國高速道岔理論創(chuàng)新與應用、無砟軌道理論研究與結構再創(chuàng)新等工作。先后主持國家自然科學基金青年基金１項，中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃重點項目３項，四川省科技支撐計劃項目１項，中鐵二院、成都局和太原局等單位科技攻關項目多項；參與包括國家科技重大專項、國家自然科學基金高鐵聯(lián)合基金、中國鐵路總公司、中國鐵路工程總公司等單位的科學研究與技術攻關項目數(shù)10項，為高速、重載、快速及城市軌道交通軌道工程的研究及技術創(chuàng)新提供了大量的咨詢與技術支持。合著《高速鐵路橋上無縫線路技術》等專著1部，參編《軌道工程》《鐵道工程施工及檢測技術》等系列教材。發(fā)表高水平論文20余篇，獲得發(fā)明專利５項。曾獲教育部科技進步一等獎１項、鐵道學會特等獎１項，中國鐵路工程總公司獎項若干項。

第1章 緒論1
1.1中國高速鐵路軌道維護檢修體系2
1.2現(xiàn)代軌道幾何狀態(tài)檢測與監(jiān)測技術4
1.2.1軌道幾何狀態(tài)檢測技術的主要分類4
1.2.2軌道動態(tài)不平順檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀4
1.2.3軌道靜態(tài)不平順檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀7
1.2.4其他相關檢測技術的發(fā)展與應用9
1.2.5軌道狀態(tài)監(jiān)測技術的發(fā)展與應用12
1.3高速鐵路軌道平順性檢測面臨的主要挑戰(zhàn)14
參考文獻16
第2章 高速鐵路軌道靜態(tài)平順性檢測19
2.1高速鐵路軌道平順性的精密工程測量與控制19
2.1.1高速鐵路軌道精密工程測量19
2.1.2軌道空間幾何線形控制方法20
2.2基于中點弦測法反演的軌道不平順檢測21
2.2.1基于中點弦測法的逆濾波法21
2.2.2基于中點弦測法反演的軌道不平順檢測理論27
2.2.3基于高頻采樣的中點弦測法39
2.3基于一弦多點弦測法反演的軌道不平順檢測47
2.3.1一弦N點弦測法的數(shù)學模型47
2.3.2一弦N點弦測系統(tǒng)誤差分析53
2.4基于最優(yōu)多點弦測法反演的軌道不平順檢測66
2.4.1最優(yōu)化問題描述67
2.4.2優(yōu)化方案69
2.4.3一弦N點的單測點弦測法70
2.4.4最優(yōu)兩點弦測法72
2.4.5其他多點弦測法75
2.4.6最優(yōu)多測點弦測法的優(yōu)化率80
2.5慣性導航系統(tǒng)檢測82
2.5.1慣性導航技術簡介82
2.5.2慣性導航系統(tǒng)檢測理論82
2.5.3慣性導航偏移分析86
2.6相對與絕對結合的高效檢測87
2.6.1軌道不平順相對測量技術87
2.6.2軌道不平順絕對測量技術87
2.6.3相對與絕對結合的檢測技術88
2.6.4軌檢儀的優(yōu)化研究90
參考文獻93
第3章 高速鐵路軌道不平順動力學控制與評估95
3.1國內(nèi)外軌道不平順的評價方法96
3.1.1軌道局部不平順評價方法96
3.1.2軌道整體不平順評價方法101
3.1.3功率譜密度評定軌道平順狀態(tài)108
3.2軌道不平順與輪軌系統(tǒng)的頻率響應規(guī)律114
3.2.1車輛軌道空間耦合系統(tǒng)頻響分析模型114
3.2.2車輛軌道空間耦合系統(tǒng)典型頻響規(guī)律分析129
3.3軌道不平順的敏感波長分析142
3.3.1高低不平順的敏感波長分布142
3.3.2水平不平順的敏感波長分布144
3.3.3軌向不平順的敏感波長分布146
3.3.4軌距不平順的敏感波長分布148
3.4基于動力學的軌道不平順評價方法149
3.4.1軌道不平順波長權重函數(shù)150
3.4.2軌道不平順的重構164
3.4.3考慮波長權重的軌道不平順管理值193
3.5應用案例分析199
3.5.1軌道不平順數(shù)據(jù)樣本199
3.5.2動力學響應分析201
3.5.3峰值管理203
3.5.4均值管理206
參考文獻209
第4章 軌道寬頻動剛度檢測211
4.1軌道寬頻動剛度檢測概述211
4.1.1結構的靜剛度與動剛度211
4.1.2結構剛度的計算方法212
4.1.3軌道垂向剛度212
4.2國內(nèi)外軌道剛度檢測技術現(xiàn)狀214
4.2.1軌道結構部件剛度的測量214
4.2.2軌道整體剛度的測量222
4.2.3軌道剛度測量方法分析與比較235
4.3軌道結構動力特征238
4.3.1軌道結構的動力特性238
4.3.2軌道結構動力特性的控制與應用241
4.3.3軌道結構系統(tǒng)動力特性仿真243
4.3.4軌道結構系統(tǒng)動力特性的參數(shù)244
4.4軌道結構寬頻動剛度計算理論245
4.4.1兩自由度的軌道動剛度計算模型245
4.4.2多自由度的軌道動剛度計算模型246
4.4.3有砟軌道結構的寬頻動剛度計算247
4.5軌道結構寬頻動剛度測試方法250
4.5.1力錘激勵法250
4.5.2小車檢測法257
參考文獻263
第5章 高速鐵路無砟軌道傷損檢測265
5.1無砟軌道傷損及檢測技術概述265
5.1.1無砟軌道主要傷損類型265
5.1.2無砟軌道傷損檢測現(xiàn)狀268
5.2模態(tài)法檢測無砟軌道傷損269
5.2.1基于固有頻率的結構傷損檢測269
5.2.2基于曲率模態(tài)的無砟軌道傷損檢測270
5.2.3基于高斯曲率的無砟軌道傷損檢測277
5.2.4模態(tài)法檢測傷損試驗280
5.3基于沖擊回波法識別無砟軌道傷損282
5.3.1沖擊回波法的檢測原理282
5.3.2沖擊回波法的數(shù)值仿真285
5.3.3沖擊回波法檢測傷損試驗291
5.4無砟軌道傷損檢測系統(tǒng)設計294
5.4.1系統(tǒng)方案295
5.4.2檢測系統(tǒng)硬件設備296
5.4.3檢測系統(tǒng)裝置298
5.4.4信號處理299
5.4.5檢測系統(tǒng)識別傷損301
參考文獻302
第6章 無縫線路溫度力及斷軌監(jiān)測303
6.1無縫線路監(jiān)測及檢測技術304
6.1.1傳統(tǒng)監(jiān)測方法304
6.1.2新型監(jiān)測方法305
6.2無縫線路中鋼軌溫度力測試306
6.2.1雙向應變法測試原理及組橋方案307
6.2.2鋼軌截面溫度變化對測量誤差的影響311
6.2.3基本溫度力與附加縱向力的分離研究315
6.2.4異包層光纖光柵傳感器的室內(nèi)試驗驗證319
6.2.5現(xiàn)場試驗驗證321
6.3高架站橋上無縫道岔監(jiān)測系統(tǒng)322
6.3.1橋上無砟道岔的狀態(tài)控制指標322
6.3.2橋上無砟道岔敏感區(qū)域323
6.3.3高速鐵路高架站軌道系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容330
6.3.4主要監(jiān)測技術332
6.3.5高架站無縫道岔監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成333
6.3.6監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)預測、報警和預警335
參考文獻336
第7章 高速道岔鋼軌裂紋監(jiān)測338
7.1道岔鋼軌傷損檢測及監(jiān)測技術338
7.1.1鋼軌傷損分類338
7.1.2國內(nèi)外道岔監(jiān)測系統(tǒng)339
7.1.3鋼軌傷損檢測及監(jiān)測技術341
7.2基于聲發(fā)射技術的道岔鋼軌裂紋傷損識別算法347
7.2.1經(jīng)典聲發(fā)射信號處理算法347
7.2.2能量譜比值法348
7.2.3基于小波包分析的聲發(fā)射信號處理354
7.2.4基于大數(shù)據(jù)的聲發(fā)射信號處理361
7.2.5海量數(shù)據(jù)測試及結果372
7.3高速道岔鋼軌裂紋監(jiān)測系統(tǒng)373
7.3.1道岔監(jiān)測系統(tǒng)的主要設計原則374
7.3.2道岔監(jiān)測系統(tǒng)的設計理念374
7.3.3系統(tǒng)架構375
7.3.4系統(tǒng)組成375
7.3.5功能設計378
7.3.6室內(nèi)試驗驗證380
7.3.7信號在鋼軌中衰減試驗381
參考文獻382