板式無砟軌道溫度場和溫度梯度監(jiān)測試驗分析

尤明熙，高　亮，趙國堂，肖　宏

（1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京　100044；2.中國鐵路總公司，北京　100844）

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板式無砟軌道溫度場和溫度梯度監(jiān)測試驗分析

尤明熙1，高亮1，趙國堂2，肖宏1

（1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044；2.中國鐵路總公司，北京100844）

摘要為研究板式無砟軌道溫度場和溫度梯度分布規(guī)律，通過對北京地區(qū)CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實尺模型進行溫度監(jiān)測，以春夏季監(jiān)測數(shù)據(jù)為樣本，分析了無砟軌道溫度場分布和軌道結(jié)構(gòu)各層溫度梯度變化規(guī)律。分析結(jié)果表明：軌道板陽面和陰面溫度存在明顯差異，同一時刻溫差最大為9. 73℃；軌道結(jié)構(gòu)各層溫度最大（?。┲党霈F(xiàn)時間存在滯后性，引起垂向溫度不均勻分布，使結(jié)構(gòu)各層間溫度梯度存在較大差異，監(jiān)測期間板表到板中溫度梯度最大為121. 43℃/m，板表到板底溫度梯度最大為78. 08℃/m，經(jīng)統(tǒng)計最大正溫度梯度是最大負溫度梯度的2. 55倍左右，板中溫度梯度最大（小）值是板底溫度梯度最大（?。┲档?. 4倍左右。

關(guān)鍵詞無砟軌道；溫度場；溫度梯度；陽面；陰面

縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)在溫度荷載影響下會產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，計算無砟軌道溫度荷載效應(yīng)時應(yīng)考慮整體升溫和溫度梯度［1］。軌道結(jié)構(gòu)均勻升溫或降溫時，軌道板會產(chǎn)生沿長度和寬度方向的伸長或收縮變形，而軌道結(jié)構(gòu)的垂向溫差是導(dǎo)致軌道板（或道床板）上拱、砂漿層離縫、層間黏結(jié)性能減弱的主要原因，研究發(fā)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)各層間的溫差對結(jié)構(gòu)變形影響很大［2-3］。為得到無砟軌道各層結(jié)構(gòu)的溫度分布，開展了一系列的無砟軌道溫度場監(jiān)測試驗，得到CRTSⅡ型板式無砟軌道縱連階段和運營線路橋上的溫度場分布特征和溫度變化規(guī)律，并對溫度場監(jiān)測方法進行了概括總結(jié)，研究表明軌道結(jié)構(gòu)各層溫度變化呈規(guī)律性和周期性［4-6］。在開展監(jiān)測試驗的同時，借鑒混凝土路面的溫度場分析方法［7］，對無砟軌道溫度場和溫度傳遞規(guī)律的理論研究也已開展。

目前對無砟軌道溫度場陰陽面的差異和軌道結(jié)構(gòu)溫度梯度分析較少。本文以北京交通大學(xué)軌道試驗場地內(nèi)建造的CRTSⅡ型板式無砟軌道實尺模型溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對無砟軌道溫度場和溫度梯度分陽面和陰面進行分析。

1　監(jiān)測方案

1. 1測點布置

軌道板垂向溫度呈非線性分布［8］，且溫度拐點出現(xiàn)在CA砂漿層，因此考慮在軌道板和砂漿層垂向上加密布置溫度測點；橫向上分陽面、中部、陰面布置溫度測點?？紤]到僅有一塊軌道板，板端和板角溫度也會存在差異，因此在軌道板板端和板角也布置溫度測點。溫度測點布置如圖1所示，1#測點全天接受陽光照射，定義為陽面；3#測點受無砟軌道位置、太陽照射角度和鋼軌遮擋影響，僅在黃昏時受太陽照射，定義為陰面。

1#，2#，3#測點位置均垂向布置9個溫度傳感器，其布置情況為：軌道板5個，傳感器間隔50 mm；CA砂漿層2個，傳感器間隔15 mm；支承層2個，傳感器間隔75 mm。4#，5#測點位置均垂向布置7個傳感器，其布置情況為：只布置在軌道板和砂漿層。6#測點位置垂向布置5個傳感器，其布置情況為：只布置在軌道板。垂向溫度傳感器分布如圖2所示。

1. 2無砟軌道建造

監(jiān)測工點選在北京交通大學(xué)軌道試驗場地，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，采用與現(xiàn)場施工十分相近的方法建造CRTSⅡ型板式無砟軌道。采用模筑法施工的支承層尺寸為6 800 mm×3 300 mm×300 mm。CA砂漿組成包括砂漿干料、瀝青、減水劑和消泡劑，軌道板為場內(nèi)預(yù)制板。軌道板吊裝前，預(yù)先在支承層上設(shè)置8個尺寸為100 mm×100 mm×30 mm的砂漿支撐塊，用于軌道板的支撐。采用與現(xiàn)場施工方式相近的“先封邊后灌注”的方法灌注CA砂漿。無砟軌道建造流程如圖3所示。

圖1　溫度測點布置

圖2　垂向溫度傳感器分布

圖3　無砟軌道建造流程

1. 3測試儀器選擇

溫度傳感器有許多種類，不同傳感器的測試精度也不同。文獻［2］應(yīng)用光纖光柵式溫度傳感器對CRTSⅡ型板式無砟軌道進行溫度監(jiān)測；文獻［3］應(yīng)用熱電阻式溫度傳感器對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道進行溫度監(jiān)測。

本試驗采用數(shù)字式溫度傳感器對CRTSⅡ型板式無砟軌道進行溫度監(jiān)測。該傳感器測溫范圍為- 55～125℃，在- 10～85℃之間精度為±0. 5℃，基本特點是體積小、抗干擾、高精度，不受導(dǎo)線長度限制，直接將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞以減小傳導(dǎo)誤差。傳感器安裝到位后正常運行的無砟軌道溫度監(jiān)測系統(tǒng)見圖4。

圖4　完成的無砟軌道溫度監(jiān)測系統(tǒng)

2　無砟軌道溫度場分布規(guī)律

2. 1垂向溫度場特征

以2015年3月—8月春夏兩季溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)為樣本進行分析，選取7月9日為例，其典型溫度場如圖5所示。軌道板板表溫度變化范圍涵蓋整個軌道結(jié)構(gòu)垂向各層的溫度變化范圍。無論陰面還是陽面，軌道板表面溫度最小值出現(xiàn)在每天5：00～7：00，表面溫度最大值出現(xiàn)在13：00～16：00，板底最大（?。┲党霈F(xiàn)時間相對板表滯后約3 h。軌道結(jié)構(gòu)各層溫度最小值出現(xiàn)時間隨著深度減小而滯后，最大值出現(xiàn)時間隨著深度的增加而滯后。

春季常溫條件下結(jié)構(gòu)各層溫度變化范圍：板表18℃左右，板底10℃左右，支承層5℃左右；夏季高溫條件下結(jié)構(gòu)各層溫度變化范圍：板表15℃左右，板底7℃左右，支承層3℃左右。統(tǒng)計可知隨著氣候溫度的升高，軌道結(jié)構(gòu)最大日溫度變化范圍有縮小趨勢。

根據(jù)垂向溫度場分布，在8：00到18：00之間，板表溫度較高，其余時間結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度較高，軌道結(jié)構(gòu)垂向出現(xiàn)負溫差的時間較長，出現(xiàn)正溫差的時間較短。

2. 2陽面和陰面溫度場差異

監(jiān)測期間，軌道板板表陽面和陰面溫差最大9. 73℃，出現(xiàn)在8月10日10點左右，最小- 4. 12℃，出現(xiàn)在6月19日5點左右；板底陽面和陰面溫差最大7. 27℃，最小- 1. 76℃。由圖6陽面、中部和陰面橫向溫度分布可知，板表溫度較高時陽面和陰面出現(xiàn)正溫差，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度較高時出現(xiàn)負溫差，此時板中部溫度最高。

圖5　垂向溫度場分布特征

圖6　橫向溫度場分布特征

按陽面、中部和陰面3部分分別統(tǒng)計軌道板板表和板底溫度最大（?。┲担姳?。監(jiān)測期間3部分板表和板底溫度最大值都出現(xiàn)在7月12日，板表陽面最大值比中部高1. 25℃，比陰面高2. 06℃；板底陽面最大值比中部高1. 93℃，比陰面高3. 25℃。3部分溫度最小值數(shù)值接近，板表6. 5℃左右，板底10℃左右，出現(xiàn)時間不同但接近。

表1　軌道板溫度最值統(tǒng)計

3　無砟軌道溫度梯度特征

一個封閉物體的不同結(jié)構(gòu)層之間在溫度分布不均勻時產(chǎn)生層間溫差，因此層間會通過熱傳遞進行熱交換，直到層間溫度分布均勻。層間熱傳遞的路徑中兩點直線距離最短。定義溫度梯度為兩點溫差與兩點距離的比值。溫度梯度是矢量，具有方向性。本研究重點關(guān)注無砟軌道垂向溫度梯度，得到同一時刻溫度梯度計算公式如下：

式中：T為溫度，℃；y為垂向距離，m。

3. 2溫度梯度變化規(guī)律

經(jīng)計算監(jiān)測期間支承層溫度梯度較小，在5℃/m左右，因此重點研究陽面、中部和陰面軌道板板表到板中、板表到板底的溫度梯度，其中板表到板中溫度梯度簡稱板中溫度梯度，板表到板底溫度梯度簡稱板底溫度梯度。

根據(jù)式（1）計算，監(jiān)測期間陽面、中部和陰面的溫度梯度數(shù)值較接近，變化規(guī)律近似相同，每天呈周期性變化。以軌道板中部板中、板底垂向溫度梯度月變化曲線為例表示出垂向溫度梯度變化規(guī)律，見圖7。

軌道板3部分板中垂向溫度梯度日變化規(guī)律相同，見圖8，板底溫度梯度也有相似規(guī)律。在9：00—19：00為正溫度梯度，持續(xù)約10 h；19：00—24：00和0：00—9：00為負溫度梯度，持續(xù)約14 h。正溫度梯度最大值出現(xiàn)時間為12：00—15：00之間，負溫度梯度最值出現(xiàn)時間具有隨機性。

3. 3溫度梯度統(tǒng)計分析

總而言之，幼兒園一日活動對幼兒園的兒童教育非常重要，一日保教活動的開展與具體的規(guī)范細則對幼兒園教師行為的規(guī)范起著重要的作用。隨著社會的迅速發(fā)展，幼兒園的一日活動也要不斷地完善其教學(xué)計劃，提高教學(xué)效果。

統(tǒng)計軌道板陽面、中部和陰面的垂向溫度梯度最大（?。┲担⒈容^溫度梯度值之間的倍數(shù)關(guān)系，如表2所示。

圖7　軌道板垂向溫度梯度月變化曲線

圖8　軌道板板中垂向溫度梯度日變化曲線

表2　軌道板溫度梯度最大（?。┲到y(tǒng)計

監(jiān)測期間陽面溫度梯度整體較大，板中最大正溫度梯度在100～120℃/m，最大負溫度梯度在- 45～- 35℃/m；板底最大正溫度梯度在70～80℃/m，最大負溫度梯度在- 35～- 25℃/m。

從倍數(shù)關(guān)系上看，經(jīng)統(tǒng)計分析最大正溫度梯度是最大負溫度梯度（絕對值）的2. 55倍左右；板中溫度梯度是板底溫度梯度的1. 4倍左右。

以5℃/m為一個區(qū)間統(tǒng)計正負溫度梯度出現(xiàn)的頻率，并按陽面、中部和陰面繪制板中垂向溫度梯度頻率分布圖，如圖9、圖10所示。

圖9　軌道板板中垂向溫度梯度分布統(tǒng)計

由圖9可知，板中溫度梯度主要分布在- 30～15℃/m之間，占總體的70％以上。負溫度梯度占總體60％以上，是正溫度梯度的1. 5～2. 0倍。由溫度梯度分布統(tǒng)計曲線知，陽面和中部的溫度梯度頻率分布幾乎相同，陰面分布趨勢與陽面和中部相同，但數(shù)值上差異較大。

圖10　軌道板板底垂向溫度梯度分布統(tǒng)計

3部分溫度梯度出現(xiàn)頻率最高的區(qū)間相同，為-25～-20℃/m，陽面頻率為17. 46％，中部17. 97％，陰面14. 20％；溫度梯度＞100℃/m的頻率，陽面1. 44％，中部0. 09％，陰面0. 26％，由此可知陽面易產(chǎn)生較大的正溫度梯度。

由圖10可知，板底溫度梯度主要分布在- 25～15℃/m之間，占總體的70％以上。負溫度梯度占總體60％左右，是正溫度梯度的1. 5～2. 0倍。軌道板陽面和中部的溫度梯度頻率分布相近，陰面的分布存在較大差異。

陽面和中部溫度梯度出現(xiàn)頻率最高的區(qū)間為- 20～- 15℃/m，陽面頻率為21. 42％，中部18. 08％；陰面溫度梯度出現(xiàn)頻率最高區(qū)間為- 15～- 10℃/m，占17. 57％；溫度梯度＞70℃/m的頻率，陽面1. 08％，中部0. 45％，陰面0. 57％。

4　結(jié)論

1）軌道板板表溫度變化范圍涵蓋軌道結(jié)構(gòu)垂向各層的溫度變化范圍。結(jié)構(gòu)各層溫度最大（小）值出現(xiàn)時間存在滯后性，板底最大（?。┲迪鄬Π灞頊蠹s3 h，這是產(chǎn)生非線性溫度分布的原因之一。

2）同一時刻，軌道板陽面和陰面溫度存在明顯差異，板表陽面和陰面溫差最大9. 73℃，板底溫差最大7. 27℃。在溫度最大（小）值方面，陽面和陰面差異較小。經(jīng)統(tǒng)計分析軌道板陽面易產(chǎn)生較大正溫度梯度。

3）軌道板各部分溫度梯度主要分布在- 30～15℃/m之間，每天呈周期性變化。從單天軌道結(jié)構(gòu)溫度場分布規(guī)律估算負溫度梯度出現(xiàn)頻率是正溫度梯度的1. 4倍；根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算，負溫度梯度出現(xiàn)頻率是正溫度梯度的1. 5～2倍。

4）軌道結(jié)構(gòu)垂向各層之間溫度梯度差異較大，經(jīng)分析板中溫度梯度最大值為121. 43℃/m，最小值為- 45. 75℃/m；板底溫度梯度最大值為78. 08℃/m，最小值為- 32. 12℃/m。經(jīng)統(tǒng)計最大正溫度梯度約是最大負溫度梯度的2. 55倍，板中溫度梯度最大（?。┲凳前宓椎?. 4倍左右。

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（責(zé)任審編周彥彥）

Analysis of Monitoring test for Slab-type Ballastless Track Temperature Field and Temperature Gradient

YOU Mingxi1，GAO Liang1，ZHAO Guotang2，XIAO Hong1
（1. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2. China Railway Corporation，Beijing 100844，China）

AbstractFor studying the distribution law of slab-type ballastless track temperature field and temperature gradient，the change rules of ballastless track temperature field distribution and temperature gradient of each layer of the track structure were analyzed through the temperature monitoring of CRT SⅡslab-type ballastless track structure full scale model in Beijing region and taking the spring and summer monitoring datas as samples. Analysis results show that there are obvious differences between sunny side temperature and shady side temperature of the track slab and the maximum temperature difference is 9. 73℃at a same time，there is time lag in the maximum（minimum）temperature of each layer of the track structure，which could cause uneven temperature distribution and big difference between the temperature gradient of each layer of the track structure，during the monitoring the maximum temperature gradient from slab surface to middle of slab is 121. 43℃/m while the maximum temperature gradient from slab surface to slab bottom is 78. 08℃/m，through statistical analysis maximum positive temperature gradient is about 2. 55 times as much as the maximum negative temperature gradient and maximum（minimum）temperature gradient in the middle of slab is 1. 4 times as much as maximum（minimum）temperature gradient in the slab bottom.

Key wordsBallastless track；T emperature field；T emperature gradient；Sunny side；Shady side

中圖分類號U213. 2+42；U213. 2+44

文獻標識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 01

文章編號：1003-1995（2016）05-0001-06

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-03-23

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡介：尤明熙（1991—），男，碩士研究生。