高溫季節(jié)橋上縱連板式無砟軌道的溫度分布

戴公連，蘇海霆，劉文碩，閆斌

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高溫季節(jié)橋上縱連板式無砟軌道的溫度分布

戴公連1, 2，蘇海霆1, 3，劉文碩1, 2，閆斌1, 2

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2. 中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙，410075；3. 泰山學(xué)院機(jī)械與建筑工程學(xué)院，山東泰安，271000)

為得到橋上縱連板式無砟軌道在夏季高溫環(huán)境下的溫度分布規(guī)律，在某客運(yùn)專線上的CRTSⅡ型縱連板式無砟軌道中埋設(shè)溫度傳感器對其內(nèi)部溫度進(jìn)行長期連續(xù)觀測，得到無砟軌道內(nèi)溫度分布規(guī)律以及無砟軌道內(nèi)橫、豎向溫度梯度荷載模式。研究結(jié)果表明：無砟軌道在與外界進(jìn)行熱交換的過程中，內(nèi)部溫度分布呈現(xiàn)明顯的非線性并隨環(huán)境溫度呈周期性變化；隨著軌道結(jié)構(gòu)深度增加，不同位置出現(xiàn)的溫度峰值逐漸減小，出現(xiàn)時間不斷滯后，夏季底座板底部較軌道板頂部出現(xiàn)峰值時間一般滯后3 h，無砟軌道豎向溫度梯度分布曲線符合指數(shù)分布規(guī)律，與中國鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的箱梁豎向溫度梯度分布曲線在形式上較相近；橫向梯度分布曲線宜采用三段線分別擬合。

高速鐵路；橋梁工程；無砟軌道；溫度分布

2005年我國在京津城際客運(yùn)專線上首次使用CRTSⅡ型縱連板式無砟軌道始，因其具有整體性好、平順度高，工廠預(yù)制化程度高、維修少等特點(diǎn)[1]，該軌道結(jié)構(gòu)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于我國京滬(北京—上海)高速鐵路、滬杭(上?！贾?客運(yùn)專線、京武(北京—武漢)高速鐵路等多條高鐵線路上，至今總鋪設(shè)雙線里程已超過雙線4 500 km[2]。由于混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低[3?5]，無砟軌道在太陽輻射以及熱交換影響下使無砟軌道內(nèi)溫度分布復(fù)雜，存在豎向以及橫向非線性溫差。豎向溫差的存在將會引起軌道板上鼓以及表面開裂，橫向溫差會引起無砟軌道橫向變形[6?9]。既有軌道研究中多采用德國規(guī)范所建議的50 ℃/m的溫度梯度[10]，而人們對軌道系統(tǒng)溫度分布研究時多采用存板區(qū)現(xiàn)場測試或采用現(xiàn)場施工期內(nèi)幾天溫度測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[11?14]。實(shí)際上，橋上無砟軌道處于更復(fù)雜的三維空間熱交換系統(tǒng)中，與路基段規(guī)律也不盡相同，而且我國幅員廣闊，各地?zé)o砟軌道溫度場分布均有差異。為研究橋上無砟軌道溫度分布，本文作者對圓曲線上某簡支梁橋上CRTSⅡ縱連板式無砟軌道溫度場進(jìn)行長期監(jiān)測，研究其溫度分布規(guī)律，提出適用于簡支箱梁橋上CRTSⅡ板式無砟軌道的溫度分布特點(diǎn)。

1 橋上縱連板式無砟軌道溫度場試驗(yàn)系統(tǒng)

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，橋下為旱田，橋梁軸線走向?yàn)?7.5°，如圖1所示截面Ⅰ外側(cè)為防護(hù)墻。測試截面位于簡支梁固定支座附近軌道板接縫處。采用北京基康BGK?3700電阻式溫度計(jì)對溫度進(jìn)行測試，使用BGK?Micro40分布式自動采集儀自動采集存儲溫度，采樣頻率為1次/(30 min)，使用移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，并采用太陽能供電系統(tǒng)供電。測點(diǎn)布置見圖1。

測試時間為2014?06?08，截面Ⅱ與箱梁內(nèi)21號測點(diǎn)夏季持續(xù)高溫時程曲線見圖2。

軌道結(jié)構(gòu)各截面溫度變化具有相似的規(guī)律，均具有典型的周期日變化特性，依據(jù)夏季溫度統(tǒng)計(jì)可得無砟軌道溫度日變化規(guī)律見表1。

箱梁內(nèi)測點(diǎn)溫度季度變化范圍為23.8~33.8 ℃，每天變化值為0.6~4.7 ℃，均值為1.7 ℃。

1~27為溫度計(jì)測點(diǎn)，測點(diǎn)21在箱梁箱室內(nèi)部

表1 無砟軌道溫度日變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)

1—軌道板上緣溫度；2—軌道板下緣溫度；3—底座板上緣溫度；4—底座板中層溫度；5—底座板下緣溫度；6—箱梁內(nèi)溫度；7—軌道板上緣與底座板底緣溫差；8—軌道板上緣與軌道板底溫差；9—底座板上緣與底座板底緣溫差。

2 無砟軌道溫度日變化分布規(guī)律

取夏季監(jiān)控到的溫度最大值出現(xiàn)日期2014?08?06 (晴，氣溫27~36 ℃)，將測試溫度在軌道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)進(jìn)行擬合，并適當(dāng)外延形成軌道范圍內(nèi)溫度云圖，選擇典型時刻以反映軌道板內(nèi)溫度變化規(guī)律。

夜晚2:00溫度分布大體相似，呈現(xiàn)外冷內(nèi)熱的趨勢，見圖3。

日出3 h左右(9:30)表面溫度開始明顯上升，軌道板內(nèi)溫度開始變得雜亂，并且軌道板內(nèi)溫度與底座板內(nèi)溫度相近，底座板內(nèi)溫度變化不大，見圖4。

14:30出現(xiàn)本日最高溫；軌道板內(nèi)顏色變化較快，表征溫度梯度較高，溫度衰減較快。此后，軌道板頂溫度逐漸降低，見圖5。

底座板內(nèi)溫度上升，軌道板內(nèi)溫度逐漸降低，而軌道板中部溫度也稍高于頂面溫度，使得整個結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度呈現(xiàn)明顯的非線性。自18:00開始軌道板內(nèi)溫度又趨于與2:00相似的分布。

圖3 2:00軌道板和底座板等溫線分布

圖4 9:30軌道板和底座板的等溫線分布

圖5 14:30軌道板和底座板的等溫線分布

圖6 16:00軌道板和底座板的等溫線分布

2.1 豎向溫度梯度日變化規(guī)律

夏季最大正溫差出現(xiàn)日期2014?07?30，15:00(氣溫27~36 ℃，晴，微風(fēng))，該日截面I溫度梯度日變化見圖7。

時刻：1—1:00；2—3:00；3—5:00；4—7:00；5—9:00；6—11:00；7—13:00；8—15:00；9—17:00；10—19:00；11—21:00；12—23:00。

由豎向梯度每天的變化分布可知無砟軌道豎向梯度分布主要有3種模式：從夜晚23:00之后至第2天、8:00左右為負(fù)梯度模式；9:00左右出現(xiàn)頂部與底部溫度相同的模式；自9:00至23:00在軌道系統(tǒng)中基本以正溫度梯度為主。對于整個軌道系統(tǒng)，每天溫度變化最大的范圍分布在結(jié)構(gòu)高度100 mm范圍內(nèi)，超過300 mm后日溫度變化較小。

2.2 橫向溫度梯度日變化規(guī)律

由于底座板中側(cè)受軌道板遮擋，兩側(cè)可直接受到陽光照射，軌道板與底座板橫向溫度分布規(guī)律應(yīng)分別予以研究。分別選取2014?07?30軌道板底層點(diǎn)和底座板中間層點(diǎn)繪制軌道板橫向梯度日變化規(guī)律，見圖8。

分析軌道板的日變化規(guī)律可知溫度模式主要有3種：1) 為南側(cè)的軌道板(測點(diǎn)23)溫度最高，中間(測點(diǎn)25)次之，北側(cè)的軌道板(測點(diǎn)27)溫度最低，整體溫度呈現(xiàn)向北方向傾斜的I形；2) 為軌道板中間的溫度高于軌道板兩側(cè)的溫度，整體溫度呈現(xiàn)倒V形；3)為軌道板中間溫度低于南北兩側(cè)的溫度呈現(xiàn)正V形，在數(shù)學(xué)排列組合中的其他形狀并未出現(xiàn)。

因軌道板只遮蓋底座板的中部，兩側(cè)可以受到陽光直射，所以，底座板中間部分與外側(cè)部分溫度差別較大，底座板中部受軌道板遮蓋的區(qū)域溫度變化平緩，相差在2 ℃以內(nèi)；底座板北側(cè)溫度較中部受遮蓋部分相差可達(dá)13 ℃。所以，宜將底座板溫度模式分為3種，其中，模式1的底座板北側(cè)溫度較中部溫度高，通常南側(cè)的溫度也較中間溫度高，整體溫度分布呈現(xiàn)U形；對于模式2，底座板北側(cè)溫度較中間低，通常此時南側(cè)的溫度也較中間溫度低，整體溫度分布呈現(xiàn)倒U形。

(a) 軌道板橫向溫度日變化分布；(b) 底座板向溫度日變化分布

3 無砟軌道溫度梯度分布規(guī)律

3.1 日最大豎向溫度梯度分布

對監(jiān)測的溫度進(jìn)行分析(2014?06?01—2014? 08?31)，最大的溫度豎向正負(fù)梯度分布如圖9所示。

軌道結(jié)構(gòu)夏季中豎向最大正溫差出現(xiàn)在2014?07?30T15:00。當(dāng)日天氣晴朗，氣溫為27~36 ℃(當(dāng)?shù)貧庀缶职l(fā)布)，云量較小，上表面接受太陽輻射強(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(16:00)開始下降，并在17:00左右(落日時間前0.5~1.0 h)，軌道板頂部溫度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2天6:30左右溫度開始回升(日出后0.5~1.0 h)，并于9:30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)夏季中豎向最大負(fù)溫差出現(xiàn)在2014?06?17T9:30，當(dāng)日天氣陣雨，氣溫為22~27 ℃；表層溫度因接觸雨水下降較快，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9:30出現(xiàn)最大負(fù)溫差，為8.7 ℃。

3.2 豎向平均溫度梯度分布

夏季中晴天時間共計(jì)18 d，多云或陰天時間共計(jì)24 d，雨天時間共計(jì)50 d，取每天各溫度模式最大值進(jìn)行平均得到各模式平均溫度梯度。各截面的平均溫度梯度分布如圖10所示。對于晴天狀況下的豎向正溫度梯度，截面Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ的平均值分別為18.62，27.45和31.52 ℃/m；對于晴天豎向負(fù)溫度梯度，截面Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ的平均值分別為5.85，6.60和11.11 ℃/m。

(a) 夏季最大正溫度梯度分布；(b) 夏季最大負(fù)溫度梯度分布

(a) 晴天平均正溫度梯度；(b) 多云平均正溫度梯度；(c) 雨天平均正溫度梯度；(d) 晴天平均負(fù)溫度梯度；(e) 多云平均負(fù)溫度梯度；(f) 雨天平均負(fù)溫度梯度

3.3 橫向溫度梯度分布

取軌道板和底座板橫向溫度梯度模式每天最大值進(jìn)行平均得到橫向平均溫度梯度分布，如圖11所示。

(a) 軌道板橫向各模式晴天溫度平均值；(b) 軌道板橫向各模式多云溫度平均值；(c) 軌道板橫向各模式雨天溫度平均值；(d) 底座板橫向各模式晴天溫度平均值；(e) 底座板橫向各模式多云溫度平均值；(f) 底座板橫向各模式雨天溫度平均值

4 曲線段無砟軌道溫度荷載模式

4.1 豎向溫度荷載模式

通過對數(shù)據(jù)的整理和擬合，所得無砟軌道豎向溫度梯度分布擬合曲線如圖12所示。因截面Ⅲ側(cè)也能夠接收陽光輻射，所以，正溫度梯度中采用截面Ⅰ和截面Ⅱ溫度平均擬合成第1條曲線，采用截面Ⅲ的溫度單獨(dú)擬合成1條曲線；負(fù)溫度梯度中采用3個截面的溫度平均擬合成1條曲線。對測試時間內(nèi)晴天平均梯度進(jìn)行回歸擬合，得到典型地區(qū)豎向溫度梯度荷載模式見圖13。

豎向溫度梯度晴天平均正溫度梯度曲線為

，，(2)

擬合結(jié)果中相關(guān)系數(shù)的平方均在0.85以上，說明擬合結(jié)果較可靠。以上豎向擬合溫度梯度分布與中國鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中箱梁豎向溫度梯度分布 (指數(shù)分布)[15]在形式上較吻合。

(a) 無砟軌道豎向晴天平均正溫度梯度；(b) 無砟軌道豎向晴天平均負(fù)溫度梯度

4.2 橫向溫度荷載模式

對測試時間內(nèi)軌道板和底座板橫向晴天平均梯度分布分別進(jìn)行回歸擬合，得到典型地區(qū)橫向溫度梯度荷載模式。

軌道板橫向平均溫度梯度曲線可擬合如下。

模式1：(3)

模式2：(4)

模式3：(5)

底座板橫向平均溫度梯度曲線可擬合如下。

模式1：(6)

模式2：(7)

式中：為擬合溫度；為距離超高側(cè)邊緣距離。

擬合結(jié)果中相關(guān)系數(shù)的平方均在0.90以上，擬合結(jié)果較可靠。

(a) 軌道板橫向晴天平均溫度梯度；(b) 底座板橫向晴天平均溫度梯度

1—模式1；2—模式2。

圖13 無砟軌道橫向溫度梯度晴天曲線擬合

Fig. 13 Fitting curves of lateral temperature difference in longitudinally connected ballastless track in sunny day

5 結(jié)論

1) 無砟軌道在與外界環(huán)境熱交換過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在復(fù)雜的非線性溫度場。

2) 隨著軌道結(jié)構(gòu)深度增加，日溫度變化差不斷降低且溫度變化趨勢不斷滯后，軌道結(jié)構(gòu)底面至頂面溫度峰值時間滯后約3 h。

3) 軌道板表面溫度變化劇烈日變化溫度為15 ℃左右；隨著結(jié)構(gòu)深度增加，結(jié)構(gòu)日變化溫度幅值越來越小，至底座板底部日變化均值僅為2.1 ℃；箱梁內(nèi)溫度變化幅度較小，日溫度變化范圍為0.6~4.7 ℃，均值為1.7 ℃。

4) 橋上縱連板式無砟軌道豎向溫差分布曲線符合指數(shù)分布規(guī)律，與中國鐵路規(guī)定的箱梁豎向溫差分布曲線的指數(shù)形式較吻合。對于不同緯度、不同太陽輻射地區(qū)軌道結(jié)構(gòu)的軌道結(jié)構(gòu)溫差分布還需進(jìn)一步觀測與分析。

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(編輯 陳燦華)

Temperature distribution of longitudinally connected ballastless track on bridge in Summer

DAI Gonglian1, 2, SU Haiting1, 3, LIU Wenshuo1, 2, YAN Bin1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Central South University, Changsha 410075, China;3. College of Mechnical and Architectural Engineering, Taishan University, Taian 271000, China)

In order to obtain the time-dependent rules of temperature change and distribution in the track structure with superelevation, a continuous observation of CRTSⅡwas held by using temperature sensors on one curve line. Based on the analysis of the huge temperatures, the rules of temperature distribution and the vertical and horizontal temperature gradient were obtained by statics and curve-fitting. The results show that the temperature distribution of ballastless track is nonlinear and periodic ally changes in the process of heat exchanges with outside environment, the time of the maximum temperature appears later with the increase of distance to surface. At the bottom of the track structure, the maximum temperature appears 3 h later than that in the surface in summer, the curve of vertical temperature gradient corresponds to exponential law, and the sharp matches the shape of the vertical temperature gradient in the code for design of bridge and culvert in China, and the horizontal gradient is fitted by three lines.

high-speed railway; bridge engineering; longitudinally connected ballastless track; temperature distribution

U213.912

A

1672?7207(2017)04?1073?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.04.030

2016?05?10；

2016?07?22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378503) 高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1334203)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015zzts060)(Project(51078357) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (U1334203) supported by the High Speed Railway Basic Research Joint Foundation of China; Project (2015zzts060) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University)

蘇海霆，博士，講師，從事高速鐵路梁軌系統(tǒng)溫度場研究；E-mail：Suhaiting1988@hotmail.com