秋季橋上縱連板式無砟軌道豎向溫差試驗(yàn)研究

戴公連　蘇海霆　閆斌

摘要：通過對某客運(yùn)專線曲線段簡支梁橋上縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場的連續(xù)觀測，研究了秋季多種天氣情況下曲線橋上無砟軌道溫度場的時變規(guī)律.基于統(tǒng)計擬合，提出適用于我國典型地區(qū)縱連板式無砟軌道秋季豎向溫度荷載模式.研究表明：軌道結(jié)構(gòu)晝夜溫度變化劇烈，表面最高溫差可達(dá)16.0 ℃，平均日溫差達(dá)8.0 ℃；隨著距表面深度的增加，軌道結(jié)構(gòu)溫度變化幅值逐漸減小，峰值出現(xiàn)時間不斷滯后；底座板底面最大日溫差為1.5 ℃，平均為0.8 ℃；縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的豎向溫差可擬合為指數(shù)曲線，其曲線形式與中國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范規(guī)定的箱梁豎向溫差分布曲線在形式上較為相似.

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁；鐵道工程；軌道結(jié)構(gòu)；溫度分布；試驗(yàn)分析

中圖分類號：U213.912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

橋上CRTSⅡ型縱連板式無砟軌道具有高平順性、維修少和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，在我國京津城際、京滬、滬昆等客運(yùn)專線上得到廣泛應(yīng)用＼[1-4＼].由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較?。躘5-8＼]，在太陽輻射和環(huán)境熱交換的作用下，軌道板和底座板中將出現(xiàn)豎向非線性溫差＼[9＼]，該溫差是導(dǎo)致軌道板上拱、窄接縫開裂和砂漿層離縫的主要原因＼[10-11＼].

關(guān)于縱連板式無砟軌道豎向溫度分布規(guī)律，既有研究中通常按軌道板和底座板整體升降溫考慮＼[12＼]，或按現(xiàn)行橋梁規(guī)范中的橋梁豎向溫差考慮，而研究對象也多局限于軌道板＼[13＼].事實(shí)上，由于南北地區(qū)氣候差異懸殊，各地?zé)o砟軌道溫度場分布規(guī)律并不相同.且橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)還與箱梁存在熱交換，其溫度分布規(guī)律極為復(fù)雜.此外，對于曲線段橋上無砟軌道，存在超高的底座板溫度場分布情況尚不明確.

為研究曲線段橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場豎向分布情況，本文對圓曲線上某簡支梁橋上縱連板式無砟軌道溫度場進(jìn)行了長期監(jiān)測，研究其豎向溫度分布規(guī)律，通過對測試數(shù)據(jù)的整理與分析提出適用于簡支箱梁橋上CRTSⅡ板式無砟軌道的豎向溫度荷載模式.

1橋上無砟軌道溫度場試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1工程背景

以某客運(yùn)專線圓曲線上簡支梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，測試橋上縱連板式無砟軌道中的溫度分布情況.該橋位于北緯28°，東經(jīng)115°，亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，橋下為田地，橋梁軸線走向?yàn)?7.5°， 測試截面位于簡支梁固定支座附近軌道板接縫處，測點(diǎn)布置如圖1所示.

1.2試驗(yàn)方法

采用北京基康BGK3700電阻式溫度計進(jìn)行溫度測試，使用自動采集儀進(jìn)行自動采集存儲，采樣頻率為0.5 h，使用GPRS無線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，溫度觀測貫穿無砟軌道整個施工過程（大致分為3個階段：① 底座板施工完成，無遮擋；② 底座板上放置軌道板未灌注瀝青砂漿；③ 軌道板與底座板之間灌注瀝青砂漿，形成完整的軌道結(jié)構(gòu)）.軌道板鋪設(shè)完成時間為2013年10月4日.

2 縱連板式無砟軌道溫度場分布規(guī)律

2.1無砟軌道溫度場日變化規(guī)律

為研究軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度日變化規(guī)律，以截面Ⅱ?yàn)槔?，選取10月5日、10月10日、10月11日、10月12日和10月13日5個晴天的觀測數(shù)據(jù)見圖2.F點(diǎn)測量數(shù)據(jù)為軌道板頂部溫度，G點(diǎn)測量數(shù)據(jù)為軌道板底部溫度，H點(diǎn)測量數(shù)據(jù)為底座板頂部溫度，J點(diǎn)測量數(shù)據(jù)為底座板底部溫度.其變化規(guī)律如圖2所示，5天中各點(diǎn)的溫度變化趨勢基本相同，由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低，各測點(diǎn)溫度峰值出現(xiàn)時間存在滯后.

對于軌道板頂面，其溫度最小值一般出現(xiàn)在早上7：00，最大值一般出現(xiàn)在14：30，日變化幅值一般為16 ℃；軌道板底溫度最小值一般出現(xiàn)在早上7：30，最大值出現(xiàn)在下午15：30，日變化幅值一般為12 ℃；底座板頂溫度最小值一般出現(xiàn)在上午10：30，最大值出現(xiàn)在21：00，日變化幅值一般為2.8 ℃，底座板底部溫度最小值一般出現(xiàn)在下午14：00，最大值出現(xiàn)在凌晨4：30左右，日變化幅值一般為1 ℃.隨著軌道結(jié)構(gòu)深度的增加，溫度變化幅值不斷降低且溫度變化趨勢不斷滯后，結(jié)構(gòu)頂面至底面峰值時刻滯后10 h.

2.2溫差日變化規(guī)律

為研究軌道結(jié)構(gòu)中溫差的日變化規(guī)律，以10月11日為例，將截面Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ溫差隨時間變化情況匯總于圖3.

溫度/℃

（a） 截面Ⅰ溫差日變化規(guī)律

溫度/℃（b） 截面Ⅱ溫差日變化規(guī)律

溫度/℃（c） 截面Ⅲ溫差日變化規(guī)律

可以看出，軌道板結(jié)構(gòu)沿深度方向的溫差主要有3種模式，21：00—7：00為負(fù)梯度溫度，軌道結(jié)構(gòu)在7：00附近出現(xiàn)最大負(fù)梯度分布，9：00時上下溫度較為一致，此后至晚上21：00出現(xiàn)正溫差，軌道結(jié)構(gòu)在15：00附近出現(xiàn)最大正梯度分布，循環(huán)往復(fù).

2.3日最大溫差分布

從本文監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分析（10月5日至11月5日），最大的正負(fù)梯度分布如圖4所示.

軌道板結(jié)構(gòu)秋季中豎向最大正溫差出現(xiàn)在10月11日中午2：30，軌道結(jié)構(gòu)中部（截面Ⅱ）最大值為14.7 ℃.當(dāng)天天氣晴朗，氣溫21～32 ℃（當(dāng)?shù)貧庀缶职l(fā)布），云量較少，上表面接受到太陽輻射強(qiáng)烈，升溫迅速，因混凝土的導(dǎo)熱性差，熱量向下傳遞緩慢，軌道板底部溫度峰值滯后軌道板頂部溫度峰值約2 h.

軌道板溫度自出現(xiàn)最大溫差后（中午2：30）開始下降，并在17：00左右（落日時間前0.5～1 h），軌道板頂部與底部溫度趨于一致，此后軌道板頂部溫度低于底部溫度，第二天早晨6：30左右溫度開始回升（日出后0.5～1 h），并于早上8：00左右，與底座板頂部溫度趨于一致，之后開始高于頂部溫度.軌道結(jié)構(gòu)秋季中豎向最大負(fù)溫差出現(xiàn)在10月16日早上6：00，當(dāng)日天氣多云，氣溫14～21 ℃，云量較多，夜間氣溫下降較大，表層溫度因接觸大氣溫度下降較快，軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度降低較慢，從而產(chǎn)生負(fù)溫差，至早上6：00出現(xiàn)最大負(fù)溫差，軌道結(jié)構(gòu)中部（截面Ⅱ）產(chǎn)生最大負(fù)溫差為10.0 ℃.