高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道溫度梯度試驗研究

劉偉斌，王繼軍，楊全亮，王夢，趙勇

(1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2．鐵道部經濟規(guī)劃研究院，北京100038)

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道溫度梯度試驗研究

劉偉斌1，王繼軍1，楊全亮2，王夢1，趙勇1

(1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2．鐵道部經濟規(guī)劃研究院，北京100038)

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道復合軌道板溫度梯度變化規(guī)律、溫度梯度與太陽日輻射強度、日最高氣溫等環(huán)境因素的相關性進行了統(tǒng)計分析。研究結果表明:復合軌道板最大正、負溫度梯度分別為0.69，0.35℃/cm;日最大正溫度梯度一般出現(xiàn)在14:00—15:00，日最大負溫度梯度一般出現(xiàn)在5:00—8:00;春夏季復合軌道板的溫度梯度較其他季節(jié)大;復合軌道板正、負溫度梯度均呈非線性分布，10:00—12:00非線性分布特性更為顯著;日最大正溫度梯度與日太陽輻射總量、日最高氣溫相關性較好，可根據(jù)本文獲得的回歸方程推測不同地區(qū)復合軌道板的日最大正溫度梯度。

無砟軌道 復合軌道板 溫度梯度 變化規(guī)律

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國近幾年研發(fā)的新型無砟軌道結構形式，主要由鋼軌、扣件、預制軌道板、自密實混凝土層及底座等構成，CRTSⅢ型板式無砟軌道總體采用單元方案，即路基、橋梁、隧道地段軌道板及底座均采用分段式結構，其中自密實混凝土層與預制軌道板通過板底門形鋼筋連接形成復合軌道板，厚度為310 mm，是CRTSⅢ型板式無砟軌道結構主要承載部件。

已有研究表明［1-6］，在溫度梯度作用下，軌道板將出現(xiàn)翹曲變形和翹曲應力，易使軌道板與水泥瀝青砂漿填充層產生離縫，形成結構初始缺陷;對于CRTSⅢ型板式無砟軌道，溫度梯度幅值對復合軌道板拉應力影響顯著，溫度梯度為0.75℃/cm時與0.45℃/cm時相比較，板底拉應力增大40%。另外，我國高速鐵路設計規(guī)范［7］規(guī)定，無砟軌道溫度梯度取值為0.45℃/cm，這一取值主要是基于國外工程實踐。我國地域遼闊，氣候環(huán)境復雜，全國范圍內取一定值顯然不甚合理。因此，掌握CRTSⅢ型板式無砟軌道復合軌道板溫度梯度特征，對于優(yōu)化結構設計，提高設計合理性具有重要意義。本文通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，獲得了復合軌道板的溫度梯度特性，并建立了溫度梯度與日最高氣溫、太陽日輻射總量等氣象參數(shù)的關系，以便于估算不同地區(qū)復合軌道板合理溫度梯度取值。

1 試驗概況

針對某客運專線CRTSⅢ型板式無砟軌道試驗段開展了復合軌道板溫度場的長期監(jiān)測，監(jiān)測工點位于路基地段，溫度傳感器布置在復合軌道板平面中心位置，豎向布置7層，層間距約50 mm，如圖1所示。長期監(jiān)測系統(tǒng)可自動采集溫度、變形等數(shù)據(jù)，采集頻率為1次/h。數(shù)據(jù)監(jiān)測時間為2013年4月—2014年4月，基于GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸及在線監(jiān)測。

圖1 復合軌道板溫度傳感器預埋位置(單位:mm)

2 復合軌道板溫度梯度變化規(guī)律

受太陽輻射強度、氣溫及風速等氣象因素的影響，復合軌道板上下產生溫差(即溫度梯度)，進而引起軌道板的翹曲變形和溫度應力。溫度梯度是計算復合軌道板溫度應力的關鍵參數(shù)，是一個比較復雜的隨機變量。本文借鑒相關文獻［8］的統(tǒng)計方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，以獲得復合軌道板溫度梯度的變化規(guī)律。

2.1 溫度梯度日變化規(guī)律

2013年4月—2014年4月監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，復合軌道板最大正溫度梯度為0.69℃/cm，出現(xiàn)在2013年5月11日(晴天);最大負溫度梯度為0.35℃/cm，出現(xiàn)在2013年8月7日(雨天)。

如圖2所示，晴天時，復合軌道板溫度梯度日變化過程大致可分為4個階段。距軌道板頂面1 cm處與復合軌道板板底之間的溫度梯度，在一天內依次經歷了負溫度梯度(板頂溫度低于板底)階段、零溫度梯度階段、正溫度梯度(板頂溫度高于板底)階段、零溫度梯度階段。晴天時，每天的循環(huán)周期基本相同，正、負溫度梯度所占時段基本上各12 h，但日最大正溫度梯度約為負溫度梯度的2倍。

圖2 晴天時復合軌道板溫度梯度日變化曲線(2013-5-11)

雨天或有雪覆蓋條件下，由于太陽輻射熱較弱，日氣溫變動也較小，復合軌道板溫度梯度一般呈現(xiàn)為負溫度梯度，如圖3所示。

圖3 雨天時復合軌道板溫度梯度日變化曲線(2013-8-7)

復合軌道板日最大正溫度梯度及日最大負溫度梯度出現(xiàn)時間分布如圖4所示。日最大正溫度梯度一般出現(xiàn)在14:00—15:00，占全年統(tǒng)計天數(shù)的75%;日最大負溫度梯度一般出現(xiàn)在5:00—8:00，占全年統(tǒng)計天數(shù)的62%，相對集中在6:00—7:00。

2.2 溫度梯度季節(jié)變化規(guī)律

基于本線監(jiān)測數(shù)據(jù)，全年范圍內復合軌道板日最大溫度梯度及日最小溫度梯度統(tǒng)計結果如圖5所示。由圖5可見，春夏季產生的日最大正溫度梯度及日最大負溫度梯度較其他季節(jié)大，且日最大正溫度梯度較其他季節(jié)大的趨勢更顯著。

全年范圍內復合軌道板每一時刻溫度梯度統(tǒng)計結果如圖6所示。負溫度梯度主要集中在0.02～0.2℃/cm，占全部負溫度梯度的97.5%;正溫度梯度主要集中在0.02～0.5℃/cm，占全部正溫度梯度的94%。相對于負溫度梯度，正溫度梯度的分布更為離散。

復合軌道板日最大溫度梯度統(tǒng)計表明，超過規(guī)范值的天數(shù)為95 d，約占全年天數(shù)的26%;復合軌道板每一時刻溫度梯度統(tǒng)計表明，超過規(guī)范值的頻次占14.7%。因此，設計高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道復合軌道板時，應根據(jù)不同地區(qū)氣候條件適當修正溫度梯度的取值。

圖4 復合軌道板日最大正溫度梯度和日最大負溫度梯度出現(xiàn)時間分布

2.3 溫度豎向分布規(guī)律

晴天時，復合軌道板不同深度處的溫度分布情況如圖7所示。由圖可知，復合軌道板正、負溫度梯度均呈非線性分布，不同時刻非線性分布的程度有一定差異，10:00～12:00非線性分布特性更為顯著。隨著距復合軌道板表面距離的增加，溫度變化逐漸趨緩，受氣溫及太陽輻射等氣象因素的影響變小。豎向溫度的非線性分布可抵消板底部分拉應力［9］，在設計復合軌道板時應修正溫度梯度非線性分布引起的應力。

圖5 復合軌道板日最大溫度梯度和日最小溫度梯度分布

圖6 復合軌道板每一時刻溫度梯度分布

圖7 復合軌道板不同深度處的溫度分布

3 復合軌道板溫度梯度與太陽輻射、氣溫的關系

謝國忠［10］等人研究表明，影響水泥混凝土路面最大溫度梯度值的氣象因素主要為太陽輻射、氣溫和風速。風速受局部環(huán)境諸多因素的影響，波動較大，在回歸分析時通常采用常數(shù)風速來代表，回歸公式中該因素可不列入。本文基于當?shù)厝仗栞椛淇偭縌、日最高氣溫Tmax與復合軌道板日最大正溫度梯度Tg進行回歸分析，結果如表1所示。

表1 日最大溫度梯度回歸結果

由表1可知，日最大正溫度梯度與日太陽輻射總量相關性較好，與日最高氣溫相關性不明顯，綜合日太陽輻射總量、日最高氣溫兩個氣象因素獲得的回歸方程如下式所示，與文獻［10］中回歸方程比較接近。可采用本文的回歸方程推測不同地區(qū)復合軌道板的日最大正溫度梯度。

4 結論與建議

本文根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道復合軌道板溫度梯度變化規(guī)律及其與太陽日輻射總量、日最高氣溫等環(huán)境因素的相關性進行了統(tǒng)計分析，得到以下主要結論及建議:

1)復合軌道板最大正溫度梯度為0.69℃/cm，出現(xiàn)在晴天;最大負溫度梯度為0.35℃/cm，出現(xiàn)在雨天。

2)復合軌道板一天內出現(xiàn)一次最大正溫度梯度和一次最大負溫度梯度，兩次零溫度梯度。晴天時，正、負溫度梯度所占時段基本上各12 h;日最大正溫度梯度一般出現(xiàn)在14:00～15:00，日最大負溫度梯度一般出現(xiàn)在5:00～8:00。

3)復合軌道板春夏季產生的日最大正溫度梯度及日最大負溫度梯度較其他季節(jié)大，且日最大正溫度梯度較其他季節(jié)大的趨勢更顯著。負溫度梯度主要集中在0.02～0.2℃/cm，正溫度梯度主要集中在0.02～0.5℃/cm。

4)由于溫度梯度幅值對軌道板翹曲應力影響顯著，高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道復合軌道板設計時，建議采用本文回歸方程適當修正不同地區(qū)復合軌道板溫度梯度的取值，并依據(jù)溫度梯度非線性分布引起的內應力修正溫度應力。

5)為使本文獲得的相關結論納入設計規(guī)范，應開展不同地區(qū)復合軌道板溫度場的監(jiān)測，進一步驗證其合理性。

［1］王繼軍，尤瑞林，王夢，等．單元板式無砟軌道結構軌道板溫度翹曲變形研究［J］．中國鐵道科學，2010，31(3):9-14．

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［3］陳伯靖，秦超紅，周建，等．大單元雙塊式無砟軌道溫度特性分析［J］．鐵道建筑，2013(2):88-91．

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［8］坪川將丈，水上純一，斎藤泰．空港コンクリート舗裝の版上下面溫度差頻度分布に関する考察［C］//第65回年次學術講演會講演概要集．北海道札幌市:(社)土木學會，2010．

［9］嚴作人．剛性路面中非線性溫度分布產生的內應力分析［J］．華東公路，1985(1):32-38．

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Experimental study on temperature gradient for CRTSⅢslab-type ballastless track on high speed railway

LIU Weibin1，WANG Jijun1，YANG Quanliang2，WANG Meng1，ZHAO Yong1
(1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Economic and Planning Research Institute of MOR，Beijing 100038，China)

According to the field monitoring data，the composite track plate temperature gradient variation of high speed railway CRT SⅢslab-type ballastless track and correlation among such environmental factors as temperature gradient，daily solar radiation intensity and the daily maximum temperature were analyzed．T he research results showed that the maximum positive and negative temperature gradient of composite track slab are 0.69℃/cm and 0.35℃/cm respectively，daily maximum positive temperature gradient appears in 14:00～15:00，daily maximum negative temperature gradient generally appears in 5:00～8:00，temperature gradient amplitude in spring is larger than the one in other seasons，the positive and negative temperature gradient of composite track slab shows a nonlinear distribution which is obvious in 10:00～12:00，the relevance among daily maximum positive temperature gradient，daily total solar radiation and daily maximum temperature is good．According to the regression equation presented in this paper，the daily maximum positive temperature gradients of composite track plate in different regions could be deduced．

Ballastless track;Composite track plate;T emperature gradient;Variation

U213．2+44

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．29

1003-1995(2015)03-0103-04

(責任審編葛全紅)

2014-12-10;

2015-01-20

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013G008-A-4，2013G003-A-2)

劉偉斌(1981—)，男，河北靈壽人，助理研究員。