高速鐵路軌溫、梁溫和環(huán)境溫度的研究

徐玉坡，梁 晨，蔣金洲

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路軌溫、梁溫和環(huán)境溫度的研究

徐玉坡，梁 晨，蔣金洲

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

實(shí)時(shí)掌握軌溫和梁溫對(duì)高速鐵路橋上無(wú)縫線路穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要，然而高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間，線路管理部門(mén)無(wú)法人工實(shí)時(shí)對(duì)軌溫進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)該問(wèn)題，本文介紹一種對(duì)軌溫、梁溫和環(huán)境溫度進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，并通過(guò)一年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析軌溫、梁溫和環(huán)境溫度三者的關(guān)系:每天最值大小的關(guān)系;每天最值出現(xiàn)時(shí)刻的關(guān)系;溫度差值的關(guān)系及相關(guān)性分析。分析結(jié)果對(duì)保障橋上無(wú)縫線路的安全和提高維修養(yǎng)護(hù)水平具有一定意義。

無(wú)縫線路 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè) 軌溫 梁溫 環(huán)境溫度

軌溫對(duì)無(wú)縫線路的穩(wěn)定性至關(guān)重要，實(shí)時(shí)掌握無(wú)縫線路的鋼軌溫度可有效地防止脹軌和斷軌的發(fā)生［1-3］。橋上無(wú)縫線路除了軌溫，橋梁的溫度對(duì)線路的穩(wěn)定性也同樣重要［4-5］。隨著技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)高速鐵路里程逐年增加，橋梁無(wú)縫線路更是占了相當(dāng)大的比重，京津線橋梁總長(zhǎng)占線路全長(zhǎng)的43.13%，鄭西線橋梁總長(zhǎng)占線路全長(zhǎng)的68.73%，京滬線橋梁總長(zhǎng)占線路全長(zhǎng)的86.5%［6］。

目前，由于高速鐵路在運(yùn)營(yíng)期間，線路管理部門(mén)無(wú)法人工實(shí)時(shí)測(cè)量鋼軌和橋梁的溫度，只有在開(kāi)天窗時(shí)才能由工作人員用溫度計(jì)對(duì)特定地點(diǎn)的軌溫和梁溫進(jìn)行測(cè)量。該方式不但占用勞動(dòng)力、測(cè)試數(shù)據(jù)量小，而且實(shí)時(shí)性差。雖然有些文獻(xiàn)對(duì)軌溫和氣溫的關(guān)系進(jìn)行了介紹［7-9］，但由于當(dāng)時(shí)測(cè)量方法的限制，對(duì)兩者的關(guān)系無(wú)法進(jìn)行深入研究。針對(duì)以上問(wèn)題，本文介紹了一種對(duì)溫度進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的方法，并對(duì)軌溫、梁溫和環(huán)境溫度的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 溫度測(cè)量方法

本文采用光纖光柵溫度傳感器對(duì)軌溫、梁溫和環(huán)境溫度進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，從而得到實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)。光纖光柵溫度傳感器屬于光纖傳感器的一種，而光纖光柵的傳感過(guò)程是通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格(Bragg)波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。該方法具有抗電磁干擾、電絕緣性能好、耐腐蝕、體積小、重量輕和測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)［10］。

在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置溫度傳感器，由采集儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回到遠(yuǎn)程服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該方法測(cè)量的溫度精度為±0.1℃［6］。

軌溫的測(cè)量是在鋼軌軌腰兩側(cè)各安裝一個(gè)溫度傳感器，將兩者的平均值作為鋼軌的溫度。梁溫的測(cè)量是將溫度傳感器埋入梁體內(nèi)部。環(huán)境溫度的測(cè)量是將溫度傳感器置于避光通風(fēng)處。

2 軌溫、梁溫和環(huán)境溫度關(guān)系分析

2.1 測(cè)量數(shù)據(jù)

本文選取的監(jiān)測(cè)地點(diǎn)為鄭西線渭河橋伸縮調(diào)節(jié)器(K1008+381)附近的無(wú)砟軌道混凝土連續(xù)梁橋上，橋上鋪設(shè)雙塊式無(wú)砟軌道、CHN60鋼軌無(wú)縫線路，以及WJ-8型扣件。該處為直線地段，設(shè)計(jì)速度350 km/h。

溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從2010年9月至2011年9月，數(shù)據(jù)采集間隔為10 min，被測(cè)溫度包括軌溫、梁溫和環(huán)境溫度。下面的分析將涉及到一天內(nèi)的最高軌溫、最低軌溫、最高梁溫、最低梁溫、最高環(huán)境溫度和最低環(huán)境溫度。

2.2 數(shù)據(jù)分析

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前，為了更直觀地觀察軌溫、梁溫和環(huán)境溫度三者之間的關(guān)系，分別取夏季和冬季連續(xù)3 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖1和圖2所示。

由圖1、圖2可以看出:①無(wú)論夏季還是冬季，一天內(nèi)的最高溫度由大到小依次為軌溫、環(huán)境溫度和梁溫。②無(wú)論夏季還是冬季，一天內(nèi)的最低溫度由大到小依次為梁溫、環(huán)境溫度和軌溫。③一天內(nèi)最高軌溫、最高梁溫和最高環(huán)境溫度出現(xiàn)時(shí)刻不同，出現(xiàn)的順序依次為軌溫、環(huán)境溫度和梁溫。④一天內(nèi)最低軌溫、最低梁溫和最低環(huán)境溫度出現(xiàn)時(shí)刻不同，出現(xiàn)的順序依次為軌溫、環(huán)境溫度和梁溫。

2.2.1 溫度最值大小分析

根據(jù)上面的分析，軌溫、梁溫和環(huán)境溫度三者在最值大小和最值出現(xiàn)時(shí)刻上具有一定的關(guān)聯(lián)性。首先對(duì)最值大小的關(guān)系進(jìn)行分析，將一年中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后得到軌溫、梁溫和環(huán)境溫度每天的最大值和最小值，如圖3和4所示。

圖1 夏季溫度

圖2 冬季溫度

圖3溫度最大值

圖3 和圖4的橫坐標(biāo)按環(huán)境溫度從小到大的順序進(jìn)行排列，軌溫最值和梁溫最值的順序也相應(yīng)做出調(diào)整，以保證每個(gè)橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的3個(gè)溫度值為同一天的最值。

圖4 溫度最小值

根據(jù)圖3、圖4和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出:①最高軌溫大于最高環(huán)境溫度的占總數(shù)的99.1%，其中84.9%高出6℃;最高環(huán)境溫度大于最高梁溫的占總數(shù)的92%，其中83.2%集中在0℃～6℃之間。②最低梁溫大于最低環(huán)境溫度的占總數(shù)的96.9%，其中61.1%集中在0℃～3℃之間，34.5%集中在3℃～6℃之間;最低環(huán)境溫度大于最低軌溫的占總數(shù)的96.0%，其中94.7%集中在0℃～3℃之間。③最高軌溫和最高環(huán)境溫度的差值普遍大于最高環(huán)境溫度與最高梁溫的差值，最低梁溫和最低環(huán)境溫度的差值普遍大于最低環(huán)境溫度和最低軌溫的差值。

在白天，由于陽(yáng)光的照射和列車(chē)的影響，同時(shí)鋼軌吸收熱量的能力較強(qiáng)，鋼軌溫度普遍高于環(huán)境溫度，而鋼筋混凝土的熱導(dǎo)率小于空氣，所以最高環(huán)境溫度普遍高于最高梁溫。在晚上，由于無(wú)陽(yáng)光照射，鋼軌導(dǎo)熱性能比較強(qiáng)，受環(huán)境影響較大(例如刮風(fēng))，往往與環(huán)境溫度有一定差異，而且絕大多數(shù)是偏低于環(huán)境溫度，但差值不是太大，主要集中在0℃～3℃?；炷恋臒釋?dǎo)率小于空氣，受環(huán)境的影響較小，所以在低溫情況下，梁溫普遍高于環(huán)境溫度。

為了更進(jìn)一步確定軌溫、梁溫和環(huán)境溫度的關(guān)系，下面對(duì)三者的相關(guān)性進(jìn)行分析，分析對(duì)象為一年內(nèi)的所有溫度數(shù)據(jù)、每天的最大值、每天的最小值和每天最值差(每天的最大值與最小值之差)，結(jié)果如表1所示。

表1 軌溫、梁溫和環(huán)境溫度相關(guān)系數(shù)

從表1可知:①環(huán)境溫度與梁溫相比，最小值的相關(guān)性最好，為0.99，最值差的相關(guān)性最差，為0.76。②環(huán)境溫度與軌溫相比，最小值的相關(guān)性最好，為1，最值差的相關(guān)性最差，為0.86。③梁溫與軌溫相比，最小值的相關(guān)性最好，為0.99，最值差的相關(guān)性最差，為0.50。④最小值的相關(guān)性高于其它三種類(lèi)型的相關(guān)性。⑤最大值的相關(guān)性與所有數(shù)據(jù)的相關(guān)性接近。

無(wú)論是軌溫還是梁溫，最小值一般出現(xiàn)在晚上。由于晚上無(wú)列車(chē)通過(guò)和陽(yáng)光照射，所以軌溫和梁溫主要受環(huán)境溫度的影響，這三者的相關(guān)系數(shù)基本接近1。白天，軌溫除了受環(huán)境溫度的影響，還受到行駛列車(chē)和陽(yáng)光照射的影響，溫度的最大值一般出現(xiàn)在14:00左右。由于軌溫最大值主要受到三個(gè)因素的影響，而最小值主要受一個(gè)因素的影響，所以環(huán)境溫度與軌溫兩者之間最大值的相關(guān)性要低于最小值的相關(guān)性。同理，無(wú)論在白天還是在晚上，梁溫主要受到環(huán)境溫度的影響，所以，環(huán)境溫度與梁溫最大值的相關(guān)性與最小值的相關(guān)性基本一致，并且環(huán)境溫度與梁溫最大值的相關(guān)性高于環(huán)境溫度與軌溫最大值的相關(guān)性。

2.2.2 溫度最值時(shí)刻分析

對(duì)軌溫、梁溫和環(huán)境溫度在一天內(nèi)最大值和最小值出現(xiàn)的時(shí)刻進(jìn)行分析，溫度最值出現(xiàn)時(shí)刻如圖5和圖6所示。

圖5 溫度最大值出現(xiàn)時(shí)刻

圖6 溫度最小值出現(xiàn)時(shí)刻

從圖5可以看出，溫度最大值出現(xiàn)的先后順序依次為軌溫、環(huán)境溫度和梁溫。軌溫最大值出現(xiàn)時(shí)刻主要集中在14:00附近，環(huán)境溫度最大值出現(xiàn)時(shí)刻主要集中在15:30附近，梁溫最大值出現(xiàn)時(shí)刻主要集中在18:00附近。從圖6可以看出，軌溫和環(huán)境溫度最小值出現(xiàn)時(shí)刻比較接近，而且明顯早于梁溫最小值出現(xiàn)時(shí)刻。一天中的最低溫度主要分布在5:00至10:00之間，少部分出現(xiàn)在凌晨。無(wú)論是最大值還是最小值，梁溫出現(xiàn)的時(shí)間都晚于軌溫和環(huán)境溫度。

為了更確切了解三者最值出現(xiàn)時(shí)刻的關(guān)系，下面對(duì)梁溫與環(huán)境溫度的最值時(shí)間差，以及環(huán)境溫度與軌溫的最值時(shí)間差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖7所示。

圖7 時(shí)間差分布

從圖7可以看出:①環(huán)境溫度與軌溫最大值的時(shí)間差主要集中在60～90 min，該范圍占總數(shù)的47.1%。軌溫達(dá)到最大值后，環(huán)境溫度在150 min內(nèi)達(dá)到最大值的占到總數(shù)的88.4%。②梁溫最大值出現(xiàn)的時(shí)間明顯晚于環(huán)境溫度，梁溫與環(huán)境溫度最大值的時(shí)間差主要集中在120～150 min，該范圍占總數(shù)的41.3%。環(huán)境溫度達(dá)到最大值后，梁溫在180 min內(nèi)達(dá)到最大值的占到總數(shù)的77.8%。③環(huán)境溫度與軌溫最小值出現(xiàn)的時(shí)間基本相同，但存在環(huán)境溫度晚于軌溫或軌溫晚于環(huán)境溫度的情況，而且兩種情況出現(xiàn)的概率基本一致。梁溫與環(huán)境溫度最小值的時(shí)間差與最大值的時(shí)間差規(guī)律基本一致。

2.2.3 溫度差值及擬合分析

根據(jù)上面的分析，通過(guò)一天內(nèi)環(huán)境溫度的最大值和最小值，可以大概推斷出當(dāng)天軌溫的最大值和最小值，以及最值出現(xiàn)的時(shí)刻。然而無(wú)法通過(guò)環(huán)境溫度推斷出實(shí)時(shí)的軌溫和梁溫，對(duì)于線路管理部門(mén)，除了軌溫和梁溫的最值具有指導(dǎo)意義外，能夠?qū)崟r(shí)掌握軌溫和梁溫同樣重要。

首先，求出軌溫與環(huán)境溫度的差值和梁溫與環(huán)境溫度的差值，然后對(duì)差值大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2 差值分布占比

從表2可以看出，軌溫、梁溫和環(huán)境溫度的差值主要分布在-5℃～+5℃。然而，該表只是對(duì)差值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，仍然無(wú)法確切地知道每個(gè)時(shí)刻三者溫度的關(guān)系。鑒于此，本文嘗試對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到了軌溫與環(huán)境溫度的函數(shù)和梁溫與環(huán)境溫度的函數(shù)。然而，在某些時(shí)間段，由以上函數(shù)求得的軌溫和梁溫誤差較大。

因此，下面采用分段的方式對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。將環(huán)境溫度作為自變量，分別與軌溫和梁溫按每小時(shí)進(jìn)行分段線性擬合，然后根據(jù)擬合函數(shù)，求出軌溫和梁溫的預(yù)測(cè)值及其均方根誤差(RMSEP)。部分結(jié)果如表3所示。

表3 溫度數(shù)據(jù)分段擬合結(jié)果

由表3可以看出:①軌溫與環(huán)境溫度在0:00～8:00和20:00～24:00時(shí)間段內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為1.00，RMSEP值＜1.0℃。從8:00開(kāi)始相關(guān)系數(shù)逐漸減小，在12:00達(dá)到最小值0.93，此時(shí)的RMSEP值為4.4℃，然后相關(guān)系數(shù)逐漸增大，在20:00達(dá)到1.00。②梁溫與環(huán)境溫度在0:00～10:00和19:00～24:00時(shí)間段內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為0.99，RMSEP值＜2.0℃。從10:00開(kāi)始相關(guān)系數(shù)逐漸減小，在14:00達(dá)到最小值0.97，此時(shí)的RMSEP值為2.8℃，然后相關(guān)系數(shù)逐漸增大，在19:00達(dá)到0.99。③相關(guān)系數(shù)開(kāi)始有明顯變化的時(shí)刻軌溫要早于梁溫，與軌溫和梁溫的最值出現(xiàn)時(shí)刻的順序相同。④軌溫與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)變化幅度為0.07，RMSEP值變化幅度為3.7℃;梁溫與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)變化幅度為0.02，RMSEP值變化幅度為1.4℃。0:00～9:00和17:00～24:00時(shí)間段，軌溫的RMSEP值小于梁溫。

雖然梁溫與環(huán)境溫度的最大相關(guān)系數(shù)為0.99，低于軌溫與環(huán)境溫度的最大相關(guān)系數(shù)1，但全天各個(gè)時(shí)間段間的相關(guān)系數(shù)變化不大，整體的相關(guān)性要好于軌溫與環(huán)境溫度的相關(guān)性。采用分段擬合的方式，通過(guò)環(huán)境溫度可以比較精確地計(jì)算出0:00～9:00和18:00～24:00時(shí)間段內(nèi)的軌溫。10:00～17:00時(shí)間段內(nèi)，軌溫受陽(yáng)光和通過(guò)列車(chē)的影響，預(yù)測(cè)結(jié)果誤差較大，但對(duì)線路的安全和維護(hù)仍然具有一定的指導(dǎo)意義。在全天各個(gè)時(shí)間段預(yù)測(cè)得到的梁溫誤差不大，誤差在可接受的范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

由于高速鐵路運(yùn)行方式的限制，線路管理部門(mén)無(wú)法人工對(duì)軌溫和梁溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而采用采集儀對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方式，從經(jīng)濟(jì)效益上考慮又不是太理想。通過(guò)對(duì)鄭西客運(yùn)專(zhuān)線渭河橋地區(qū)的軌溫、梁溫和環(huán)境溫度長(zhǎng)達(dá)一年的監(jiān)測(cè)，可以看出三者無(wú)論是數(shù)值大小，還是最值出現(xiàn)時(shí)刻都存在一定的關(guān)聯(lián)性。通過(guò)對(duì)以上三種溫度的分析，增強(qiáng)了對(duì)軌溫和梁溫的了解，對(duì)線路的安全和維護(hù)具有很好的指導(dǎo)意義。

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Study on rail temperature，girder temperature and ambient temperature for high speed railway

XU Yupo，LIANG Chen，JIANG Jin zhou
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

It is very important to take real time control of rail temperature and girder temperature for the welded rail stability of high-speed railway bridge.During high-speed railway operation，real time rail temperature can't be manually measured by rail management department.In order to solve this problem，this paper introduced a real-time method for rail temperature，girder temperature and ambient temperature long-time monitoring and analyzed the relationship among these three kinds of temperature based on annual monitoring data，including relationship among three kinds of daily maximum and minimum temperature values，the appearance time of daily maximum and minimum temperature，temperature difference relationship and correlation analysis.The analysis result has certain significance to guarantee safety and improve maintenance of CW R on bridge.

Welded rail;Long-time monitoring;Rail temperature;Girder temperature;Ambient temperature

U238

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.28

1003-1995(2015)01-0127-05

(責(zé)任審編 趙其文)

2014-08-15;

2014-11-03

徐玉坡(1983—)，男，河北石家莊人，助理研究員，碩士。