京福高铁小半径曲线轨道底座板承载力服役状态可靠度评估
在高速铁路(以下简称“高铁”)运营条件下，由于列车冲击、温度效应、基础沉降、材料老化、外部环境(如雨水、酸碱度变化)等因素的耦合作用，无砟轨道结构不可避免地产生损伤积累、承载能力退化，一旦发生破坏，严重时影响列车的平稳运行甚至行车安全。为掌握线路状态，国内外针对高速铁路轨道系统检测和监测技术已经开展了相关研究工作[1-3]，然而对轨道结构的状态评估大多是通过确定性参数[4-5]，确定性评估方法一般是将轨道结构某种状态的测试数据和规定限值进行数值大小比较。
在实际环境中，由于高铁无砟轨道结构承受的外部荷载及其本身抵抗外部荷载的抗力均具有明显的随机性，因此，采用可靠度方法评估更为科学[6]。可靠度评估方法的基本思路是将结构体系的广义抗力和多因素共同作用下结构体系的响应视为随机变量，对某一极限状态的功能函数进行破坏概率的计算分析，目前虽然国内外学者对桥梁等结构的可靠度评估方法研究较多[7-11]，但涉及高铁无砟轨道结构体系服役性能状态评估方法较少[12]，运用长期监测数据对高铁无砟轨道结构进行可靠度评估更是缺乏研究资料。因此，深入开展高铁无砟轨道结构体系服役性能状态评估研究，对于制定高铁无砟轨道结构体系养护维修策略，确保我国高速铁路安全高效运营，具有重要的理论意义和工程应用价值。
本文以京福高铁金寨路特大桥小半径曲线地段无砟轨道为例，将轨道监测系统与结构可靠度评估结合，建立CRTSⅡ型板式无砟轨道底座板服役状态可靠度评估功能函数，基于监测数据分析功能函数中各随机变量参数分布特征，计算分析底座板承载力可靠度水平，评估底座板状态。
加强高校政府采购的内部控制管理不仅有助于消除腐败，还有助于保证权力的平衡。当大学进行政府采购时，单位和个人可能会为了私利而损害国家和社会利益。高校进行政府采购时，由几个权力相对集中的部门来制定相应的政府采购政策，编制采购预算计划，做出采购决策以及资金使用等工作任务。因此，在政府采购过程中正确使用权力和避免公共权力是政府采购过程中的重要一步。加强高校政府采购的内部控制，对权力进行制衡和监督，确保政府采购的规范化和法制化。
评标主要就是由招标人依据相关法律法规所组成的评标委员会负责的。和投标人有着一定利害关系的人员绝对不允许进入到评标委员会种，而对于已经进入的则是应该马上更换[3]。除此之外，如果评标委员会中有工作人员知道自己和某一投标人有着影响到招标活动公平公正等相关关系的时候，自己也应该主动的回避。
有的单位或个人通过围标竟然竞得几个标段，中标者往往也不是业主信任或了解、满意的单位。就像前边的例子，一个没有任何资质和实施能力的个人，借用20家单位资质参加投标，5个标段竟然中了2个。此投标人仅买标书就花了近10万元，而且将预计中标价抬高了2个百分点，严重影响了投标的公正性。
1 监测工点
随着我国铁路建设的发展，为满足各种复杂地域环境的需要，不可避免会出现小半径曲线。京福高铁最高设计速度250 km/h，蚌福联络线金寨路特大桥蚌埠台台尾86 m摩擦板及台前15孔32 m简支梁均处于半径仅为550 m的圆曲线上。
小半径曲线段铺设CRTSⅡ型板式无砟轨道后，由于无砟轨道为连续轨道结构，结构纵向受温度及线路线形的影响较为显著，轨道结构更容易产生钢轨侧磨、波磨等伤损病害。因此小半径曲线作为整条线路较为突出的薄弱环节，对其进行监控和预警、及时反馈线路运营情况，是确保线路安全运营的重要保障。因此，本文以京福高铁金寨路特大桥小半径曲线地段无砟轨道为例，将轨道监测系统与结构可靠度评估结合，对底座板承载力服役状态进行可靠度评估。
为保证轨道结构的稳定性，对小半径圆曲线范围内进行了特殊设计：“在曲线范围内，轨道板均按照曲线制造成扇形，端刺范围内的3块轨道板与底座的锚固植筋增加到28根(一般情况下的锚固植筋根数为16根)，曲线范围内的简支梁上和摩擦板处的侧向挡块加密布置(路桥过渡段侧向挡块间距由标准设计的6.5 m减小到4 m)。”
底座板钢筋应力布置有5个测点，分别布置于简支梁1梁端和跨中，简支梁6梁端和跨中，以及大端刺附近，见图1。在同一截面，测点均布置在底座板的外轨侧，传感器轴向均沿线路纵向布置。底座板钢筋应变传感器前期焊接在底座板纵向钢筋内，采用橡胶管防护引出，将光缆穿管固定在底座板或梁上，另一端通过光缆接入解调仪。
2 底座板承载力服役状态可靠度评估方法
2.1 服役状态评估功能函数
无砟轨道承载能力极限状态的设计考虑的作用效应形式为钢筋和混凝土的弯矩或应力，并保证其满足承载力要求。根据Q/CR 9130—2018《铁路轨道设计规范》[13](极限状态法)中关于连续结构的承载能力极限状态设计表达式，连续结构的承载能力功能函数为
FPGA电路接收雷达系统的高稳定、高精度时钟信号，利用其内部锁相环分频产生满足时间分辨率要求(一般取μs级)的内部计数用时钟信号，在计算机模块下发对时开始时刻，该计数器从零开始计数。对于对时开始时刻，设相对时间为零，则该计数器的实时计数值即是相对于对时开始时刻的实时相对时间。如图3所示，计算机模块通过PCI总线读取FPGA电路计数产生的实时相对时间，与对时开始时刻的绝对时间累加，即是系统的实时时间。对时开始时刻的绝对时间由计算机模块通过解析串口或网络接收的授时数据报文获得。设计采用FPGA接收20 MHz的雷达系统时钟。
G(X)=FR-Ft-Fc-Ftt-Fbb-Fb
( 1 )
式中：FR为结构正截面轴向受拉承载力的随机变量；Ft、Fc、Ftt、Fbb、Fb分别为整体温度作用、混凝土收缩徐变作用、温差作用、梁体挠曲作用、制动荷载的作用效应的随机变量。
无砟轨道极限状态法设计时，将构件实际受力状态简化成各种作用线性叠加，以便采用分项系数表达式来进行设计。对于安装有监测系统的无砟轨道结构，能直接得到构件相应截面某点的应变历程，可转化成某截面处钢筋应力。由于实际无砟轨道底座板承受的外部荷载作用非简单叠加，通过监测数据得到的钢筋应力为构件实际承受多种外部荷载(列车荷载作用Fd、整体温度作用Ft、混凝土收缩徐变作用Fc、温差作用Ftt、梁体挠曲作用Fbb、制动荷载Fb等)的耦合作用下的应力，相对更符合实际情况。
因此，可参考规范建立底座板承载能力可靠度评估的功能函数为
G1(X)=fy-σs(Fd，Ft，Fc，Ftt，Fbb，Fb，…)
使用基于服务架构的监测预警系统具有较好的灵活性、通用性及可扩展性，同时利用PUSH技术，“主动”将预警信息推送，使防汛工作人员能够随时随地灵活地掌握各类重要的防汛防旱预警信息，极大提高了防汛防旱抢险救灾应急指挥能力。目前，本系统主要对水情、雨情进行实时监测预警，将来旱情预警、工情预警以及防汛启动条件预案可以分别对相应的基础数据与警戒值进行比较，对超出警戒范围的要素进行预警，具有极强的可扩展性。
( 2 )
式中：fy为普通钢筋抗拉强度的基本随机变量；σs(Fd，Ft，Fc，Ftt，Fbb，Fb，…)为实测纵向受力钢筋应力的综合随机变量。
2.2 随机变量概率模型及统计参数
2.2.1 结构抗力参数
结构抗力统计是可靠度分析中非常重要的一个方面，对于上述建立的底座板承载能力可靠度评估，结构抗力为钢筋的抗拉强度。
根据中国铁道科学研究院集团有限公司《铁路工程结构极限状态设计标准转轨关键技术研究》[14]中的研究成果，HRB335钢筋抗拉强度均值为567.5 MPa，标准差为25.3 MPa，变异系数为0.045。
2.2.2 作用效应参数
该篇阅读材料以古埃及王国为背景，蕴含不同的宗教、历史、习俗等背景知识，若缺乏了解会导致理解偏差。为帮助学生进入阅读情境，可借助多媒体展示一些金字塔、狮身人面像的图片，通过感性认知激发学生的兴趣，接着放映Seven Wonders of Ancient Egypt等展现古希腊文明历程的纪录片实现视听说同步，使学生处于三维空间，多感官获取信息。虚拟实景可以使阅读内容故事化、情景化，学生可以是剧中人，也可是观光者或作者本人，为理解文章打下基础。
“互联网+”深入发展为加强医院党的建设带来了新的发展机遇，也为医院党支部提供了新的创新思路，有利地推进医院党支部工作的创新，对加强医院党的建设工作具有重要的现实意义。
从高职生质量看，产业岗位需要的是掌握了一技之长、具有职业素养和创新能力的“工匠坯子”。而现实状况是，能真正满足岗位质量要求的高职生数量较少。从社会传统意识看，重学历、轻技术的偏见不同程度影响着技术技能型人才的培养和成长。从比例结构看，高技能劳动者缺口较大。据人社部统计，高技能劳动者仅占就业人数的6%，远远落后于发达国家的30%比例。高技能劳动者断档严重，跟不上我国经济转型发展的节拍。从岗位需求看，近年来高技能劳动者需求量较大，有时求人倍率在2以上。综上所述，一方面，产业岗位对高技能劳动者有较大需求；另一方面，高职生的职业素养和创新能力达不到用人单位的要求。
无砟轨道服役状态中的实际钢筋应力分布可由监测数据分析确定，在进行可靠度评估时，将实际钢筋应力作为综合作用效应参数。
对京福高铁金寨路特大桥小半径曲线段监测工点数据进行筛选，选取未出现异常的测点监测数据进行统计分析。本研究对实测钢筋应力的分布假设检验采用了χ2检验法和K-S检验法两种，即对于搜集到的变量样本中进行假设检验，采用两种方法预测其可能服从的某种概率分布类型。
χ2检验法：按照样本频率直方图与理论概率密度曲线做比较计算统计量进行显著性检验的方法。需对样本进行分组，因而对样本数量要求较多；K-S检验法：比χ2检验法效率更高，将实测数据按大小顺序排列计算出累计分布函数与经验分布累计函数的偏差值D，最后通过查表确定D值是否落在所要求对应的置信区间内，如是则说明被检测的数据满足要求，反之则不满足。相对来说，需要的样本数可以更少。为了进行变量的分布假设检验，编制了相关数理统计软件，一般参数可采用该软件进行统计分析，得到其概率分布。在对实测钢筋应力数据进行分析时，发现实测钢筋应力概率分布类型不完全服从正态分布，见图2，图2中PDF为数据拟合的概率密度函数。
图2 简支梁1梁端无砟轨道底座板钢筋应力监测数据统计分析
为使结构可靠度分析更符合实际情况，本文不直接将实测钢筋应力以正态分布模型带入进行结构可靠度分析，而是引入多项式正态变换方法，通过实测钢筋应力数据样本的前三阶矩实现正态变换[15-17]，将其转换为标准正态分布。统计各测点底座板实测钢筋应力数据的前三阶矩(即均值、标准差和偏度)，见表1。
汪安南：在2013年年初召开的全国水利厅局长会议和水利规划计划工作视频会议上，陈雷部长深刻剖析和阐释了水利工作面临的新形势、新机遇和新要求，对做好新形势下水利规划计划工作指明了方向。规划计划司切实贯彻落实中央要求和部党组决策部署，重点开展了以下工作：
表1 2016—2019年各测点无砟轨道底座板钢筋应力监测数据样本的前三阶矩
年度样本统计参数简支梁2梁端简支梁2跨中简支梁1梁端简支梁1跨中大端刺附近2016均值/MPa54.69480.93855.55185.92161.920标准差2.8977.3164.6669.64110.663偏度0.546-0.0720.0310.068-0.5112017均值/MPa75.27589.36655.874105.70481.181标准差4.8838.33913.24517.8574.846偏度0.165-0.702-0.318-0.272-1.3722018均值/MPa81.64997.31972.193112.63293.820标准差10.2335.13410.20515.3656.380偏度-0.759-0.792-0.748-0.561-0.6222019均值/MPa88.553105.87379.962120.624104.759标准差6.1259.4718.87310.86710.835偏度-0.456-0.751-0.699-0.364-0.881
2.3 底座板承载能力服役状态可靠度计算
根据建立的功能函数以及参数分析，可将服役无砟轨道结构的承载能力可靠性水平量化为一个概率数学表达式，并计算可靠指标为
β=Φ-1(1-Pf)
( 3 )
Pf=P[G1(X)=fy-σs≤0]
( 4 )
式中：β为无砟轨道结构可靠指标；Φ-1(·)为标准正态分布的反函数；Pf为无砟轨道结构失效概率。
国内外可靠度计算方法主要有一次二阶矩法、二次二阶矩法、高阶矩法、响应面法、Monte-Carlo方法等，几乎所有的可靠度计算方法都需要假设基本随机变量的概率密度函数已知，应用Rosenblatt变换[18]或者Nataf变换[19]实现非正态随机变量的正态变换(x-u转换)与逆正态变换(u-x转换)。在随机变量分布未知的情况下，Rosenblatt变换或Nataf变换均无法使用，进而无法准确评估结构的失效概率。现有用于随机变量分布未知情况的可靠度分析方法，着重于计算结果的准确性使得过程复杂不利于实际应用。
由于实测钢筋应力数据为构件实际承受多种外部荷载(列车荷载作用、整体温度作用、混凝土收缩徐变作用、温差作用、梁体挠曲作用、制动荷载等)的耦合作用下的应力，然而各种外部荷载的概率分布类型不一致：列车荷载作用服从正态或对数正态分布，温度作用服从极值分布，梁体挠曲作用服从正态或对数正态分布等。在这些荷载耦合作用下的钢筋应力监测数据服从的概率分布类型复杂，不服从基本的概率分布(正态、对数正态、极值分布等)。
本文引入多项式正态变换方法，通过实测钢筋应力数据样本的前三阶矩实现正态变换，将其转换为标准正态分布，采用一次二阶矩法[20]或Monte-Carlo方法[21-22]进行可靠度分析。
2.3.1 基于三阶矩的多项式正态变换
在多项式正态变换方法中，标准化随机变量Xs可表示为
( 5 )
式中：μX和σX分别为实测钢筋应力X的均值和标准差；U为标准正态随机变量；Su(U)为关于U的一个多项式；aj为待定系数，j=1，2，…，k。
令Su(U)的前k阶矩和Xs的前k阶矩相等即可解得。本文采用的三阶矩标准化公式(u-x转换)为
Xs=Su(U)=a1+a2U+a3U2
( 6 )
在实测钢筋应力X或Xs的三阶矩α3X(即偏度)已知的情况下，令Su(U)的前三阶矩和Xs的前三阶矩相等，可解得系数a1、a2、a3为
( 7 )
( 8 )
( 9 )
由式( 9 )可知，三阶矩标准化公式( 6 )的适用范围为
(10)
因此，非正态随机变量的正态变换(x-u转换)为
式中a,b均为待定系数．经过咨询专家，这里设a=0.4,b=0.6.为更好地判断城镇化和旅游经济之间的耦合关系的协调程度，引入协调度模型:
(11)
2.3.2 含未知分布随机变量的可靠度分析
首先，通过表1中底座板钢筋应力监测数据样本的前三阶矩，带入式(7)～式(9)，得到系数a1、a2、a3。
然后，将标准正态随机变量U的概率密度函数带入式( 6 )，可得到X的概率密度函数(表示为实测钢筋应力的概率密度函数)。
最后，进行可靠度分析。① 若采用Monte-Carlo方法进行可靠度分析：可靠度评估功能函数中钢筋强度的样本点根据正态分布概率模型产生，实测钢筋应力的样本点X的概率分布函数产生；将抽取的N组样本点代入到结构功能函数中，并计算功能函数的值；统计功能函数小于0的次数Nf得到失效概率Pf=Nf/N。②若采用一次二阶矩法进行可靠度分析，正态变换(x-u转换)与逆正态变换(u-x转换)可分别直接通过式(11)和式( 6 )进行，本文假定可靠度评估功能函数式( 2 )中的钢筋强度随机变量和实测钢筋应力随机变量相互独立，含未知分布随机变量的一次二阶矩法分析的流程与其常规分析流程相同，区别在于其中偏导数可以通过式( 11 )和式( 6 )得到[15]。
3 金寨路特大桥上无砟轨道底座板承载力服役状态可靠度评估
由于无砟轨道结构可靠度一般较大，采用Monte-Carlo方法运算量巨大，本文采用一次二阶矩法进行可靠度分析。根据2016—2019年监测数据，选取五个测点进行可靠度分析，可靠度及相应的结构失效概率计算结果见表2，各测点承载能力可靠度变化趋势见图3。
表2 2016—2019年各测点承载能力可靠度β及相应的结构失效概率Pf
年度可靠度分析简支梁1梁端简支梁1跨中简支梁6梁端简支梁6跨中大端刺附近2016可靠度β7.7575.7666.9425.5877.440失效概率Pf4.33×10-154.06×10-9 1.93×10-121.16×10-85.03×10-142017可靠度β7.7115.7236.8995.5627.336失效概率Pf7.92×10-148.12×10-97.44×10-122.68×10-82.31×10-13相对前一年降幅/%0.5900.7500.6200.4501.4002018可靠度β7.6865.6956.8535.5167.252失效概率Pf5.17×10-131.33×10-81.21×10-117.28×10-83.64×10-12相对前一年降幅/%0.3200.4900.6700.8301.1502019可靠度β7.6655.6656.8045.4777.191失效概率Pf1.57×10-123.35×10-82.17×10-111.94×10-72.23×10-11相对前一年降幅/%0.2700.5300.7200.7100.840
图3 2016—2019年各测点承载能力可靠度变化
由表2可知，2015年6月线路开通运营时，监测工点的各个测点位置处无砟轨道底座板承载能力可靠度均明显大于Q/CR 9130—2018《铁路轨道设计规范》[13](极限状态法)中规定的设计目标可靠指标3.7(对应的失效概率Pf=1.08×10-4)，运营初期轨道结构状态良好。底座板各测点处承载能力可靠度从2016年到2019年均呈现小幅度减小：2017年相对2016年平均降幅0.762%，2018年相对2017年平均降幅0.692%，2019年相对2018年平均降幅0.614%。2015年6月线路开通运营4年以来，该监测工点底座板承载力服役状态良好。
无砟轨道结构在长期服役过程中，承受的荷载与环境作用具有强烈的时变随机性，与此同时，在荷载与环境作用的共同作用下，将导致结构力学性能演化也具有时变随机性。因此，服役期结构抗力和荷载效应一直处于变化状态中，使得结构在不同时段所具有的可靠度是不同的，无砟轨道结构的可靠度处于动态变化过程。本文基于无砟轨道实时监测系统得到的数据样本，分析底座板承载力服役状态，考虑了荷载与环境作用的时变随机性，而结构抗力(即钢筋强度)为非时变的概率模型，后续可从铁路工程极限状态法专用数据平台中得到抗力衰减概率模型，从而对无砟轨道结构服役状态可靠度评估进行更深入的研究。
4 结论
本文以京福高铁金寨路特大桥小半径曲线地段无砟轨道为例，将轨道监测系统与结构可靠度评估结合，对底座板承载力服役状态进行了可靠度评估。主要结论如下：
(1) 实测钢筋应力数据服从的概率分布模型往往复杂未知，通过引入基于三阶矩的多项式正态变换方法，实现了含未知分布随机变量的无砟轨道结构可靠度分析，该法在实际工程服役状态可靠度评估应用时有效实用。
2)分析悬杯水平方向的运动速度和加速度变化规律，分别与原模型的运动参数进行比较，如图6和图7所示。在栽苗点处悬杯的速度达到最小值，有利于零速投苗，加速度变大，方向向后，说明悬杯对钵苗有向后的推力作用；此时速度与加速度曲线发生突变，说明悬杯开启非常快，即凸轮迅速由回程转到近休止位置，悬杯相对栽植器静止，绝对速度与加速度由栽植轮转动和机器前进运动所影响；悬杯闭合时，凸轮由近休止转到推程位置，由于推程段是等速运动规律，因此出现加速度的第二次突变，加速度达到最大值。因为推程段不会影响移栽机栽植质量，因此可以通过改进凸轮推程段来减小加速度的最大值。
(2) 底座板各测点处承载能力可靠度从2016年到2019年均呈现小幅度减小：2017年相对2016年平均降幅0.762%，2018年相对2017年平均降幅0.692%，2019年相对2018年平均降幅0.614%。2015年6月线路开通运营4年以来，该监测工点底座板承载力服役状态良好。
(3) 本文基于无砟轨道实时监测系统得到的数据样本来分析底座板承载力服役状态，考虑了荷载与环境作用的时变随机性，而结构抗力为非时变的概率模型，后续可从铁路工程极限状态法专用数据平台中得到抗力衰减概率模型，从而对无砟轨道结构服役状态可靠度评估进行更深入的研究。
(4) 基于监测数据的无砟轨道底座板承载力服役状态可靠度评估方法，实现了在概率意义上精确定量化的无砟轨道服役状态评估，研究成果为建立高铁无砟轨道结构服役性能状态评估体系、制定养护维修策略奠定基础。
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