随着国内及国际铁路网规划与快速建设,铁路基础建设安全监测与状态监测技术对于确保铁路网运输安全具有重大意义。现役传统车载超声检测设备无法对钢轨进行全尺寸覆盖,尤其对于轨腰和轨底的损伤,从而导致漏检、误检及无法正确评估。本文结合压电超声导波检测技术和结构健康监测技术,研究钢轨轨腰、轨底和关键部位的损伤监测,实现对损伤的定位和定量分析。为了解决超声导波在复杂钢轨结构中由于频散现象造成的测量困难等问题,本文通过绘制钢结构的频散曲线,从模态数量、模态混叠、串扰影响、模态衰减等角度考虑,结合有限元仿真方法分析了轨腰和轨底在不同激励频率和不同传播距离下超声导波的传播特性,从中选择出合适的监测频率和传播距离,在此基础下,搭建了相关实验系统,实现了对轨底裂纹的长度的定量分析和轨腰区域损伤的定位成像,具体工作如下。建立了60轨和道岔尖轨的三维有限元仿真模型,分析轨腰中不同的激励频率及不同的检测距离下,超声导波的模态混叠对测量结果的影响,选择适合轨腰损伤检测的激励频率;在此基础上,建立包含不同长度裂纹的三维仿真模型,进一步分析轨底的裂纹长度与其信号在时、频域中互相关系数的关系。采用了基于WSN的钢轨结构健康监测实验系统,现场采集轨底中含有不同长度模拟损伤的超声导波信号,进行实验验证。结果表明轨底裂纹长度的变化在时域信号中的影响比在频域中影响更明显,时域中信号的互相关系数更适合损伤定量分析。根据钢轨轨腰中不同激励频率下不同传播距离超声导波的传播特性,设计了钢轨轨腰区域的传感器阵列方式,确定监测信号的激励频率,在钢轨轨腰区域处布置传感器阵列,通过单激励多接收的方式,采集多路激励-传感路径的导波信号。结合损伤概率成像技术,理论分析了时域信号互相关、频谱幅度差和散射信号相对时移损伤因子各自的特性,提出一种基于多损伤因子融合的损伤概率成像方法,通过有限元仿真分析和实验对该方法进行了验证,结果表明该方法可以清晰且直观地可以定位出损伤的位置,并相对于单一损伤因子获得了更高的定位精度,为实际钢轨轨腰损伤的区域监测与研究提供参考。