基于人工環(huán)境下雙塊式無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)試驗(yàn)方法*

張亞可，胡錦琳，韋有信，朱雨欣，許雯，王博，莊晨，胡昊，施閱章

（江蘇省南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167）

0 引言

嚴(yán)寒地區(qū)冬季寒冷氣溫低，晝夜溫差大的惡劣環(huán)境將對(duì)應(yīng)用于該類型地貌環(huán)境的雙塊式無(wú)砟軌道起到較大溫差變換和高溫度梯度的雙重作用，此類地區(qū)通常選用單元式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，以避免出現(xiàn)由于低溫環(huán)境以及大溫差環(huán)境造成的連續(xù)式混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重開(kāi)裂等問(wèn)題。

我國(guó)的無(wú)砟軌道大多采用混凝土材料的層狀結(jié)構(gòu)物，而且混凝土是一種感溫材料，所以無(wú)砟軌道受溫度變化的影響較大。無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)直接暴露在室外環(huán)境中，周圍變化的環(huán)境溫度會(huì)引起無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的周期性變化，由于澆筑的混凝土等感溫材料傳熱系數(shù)較低，導(dǎo)熱能力較差，無(wú)砟軌道表面的溫度變化要強(qiáng)于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化，形成較大的溫度梯度，從而引起結(jié)構(gòu)的翹曲變形，產(chǎn)生翹曲應(yīng)力，造成道床板的損壞和結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到行車安全。因此對(duì)于無(wú)砟軌道，溫度場(chǎng)的響應(yīng)分析研究是極具研究意義的。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 目的

在人工環(huán)境模擬下，利用紅外熱像儀，分別測(cè)出事先做好的分層處理的道床板試塊各表面的溫度值。

1.2 試驗(yàn)方案

選擇雙塊式無(wú)砟軌道的道床板進(jìn)行溫度測(cè)試。同時(shí)人工調(diào)節(jié)的外部環(huán)境溫度也在我們的溫度倉(cāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到了很好的控制。利用已有的溫度倉(cāng)和紅外熱像儀來(lái)檢測(cè)在人工模擬環(huán)境下，長(zhǎng)時(shí)間控制在某一特定溫度值時(shí)，試塊表面的溫度分布以及溫度梯度值。

2 試驗(yàn)操作

2.1 試塊制作

圖1 為我們的試塊制作模具，整體尺寸為4 500mm（長(zhǎng)）*3 500mm（寬）*240mm（高）。下一步將模具內(nèi)部進(jìn)行高度標(biāo)記，首先在據(jù)模具底板位置標(biāo)記一道高為40mm 的標(biāo)記線，隨后又分別標(biāo)記兩道高為80mm 和120mm 的標(biāo)記線?，F(xiàn)在模具上已經(jīng)有了三層標(biāo)記線，在澆筑混凝土的過(guò)程中充分振蕩，使剛澆筑的混凝土剛好沒(méi)過(guò)標(biāo)記線，便可得到高度為40mm、80mm 和120mm 的分層道床板試塊。

圖1 試塊制作模具

混凝土強(qiáng)度我們嚴(yán)格按照配合比來(lái)澆筑強(qiáng)度為C40 的混凝土，在混凝土成型時(shí)表面定會(huì)有凹凸不平的起伏存在，后期我們將會(huì)對(duì)試塊表面進(jìn)行抹平處理，盡量向整體混凝土試塊的孔隙率靠攏。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以盡量減少道床板分層試塊縫隙為核心主旨，先做出高度為40mm 的道床板分層試塊。40mm 高度的試塊脫模后粗略的在其表面上用薄薄一層的水泥砂漿找平，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后在其表面貼上透明膠帶，膠帶表面和模具表面涂抹潤(rùn)滑油，再放入模具中繼續(xù)澆滿混凝土，這樣就可以得到兩組高度不同的道床板分層試塊之間能夠無(wú)縫對(duì)接的標(biāo)準(zhǔn)試塊。隨后我們制作出兩組高度為120mm 的道床板分層試塊，4 組高度為80mm的道床板分層試塊，四組高度為40mm 的道床板分層試塊。

2.2 具體操作辦法

將兩塊高度為120mm 的道床板分層試塊疊在一起，組成高度為240mm 的標(biāo)準(zhǔn)道床板試塊，暫且標(biāo)記為組別①；將兩塊高度為40mm 的道床板分層試塊和兩塊高度為80mm 的道床板分層試塊按照?qǐng)D2 的疊加方式進(jìn)行排列，暫且標(biāo)記為組別②；同上，按照?qǐng)D2 的疊加方式進(jìn)行排列，暫且標(biāo)記為組別③。其中，組別①與組別②③互為對(duì)照組，驗(yàn)證縫隙對(duì)溫度的傳遞是否存在影響。組別②與組別三作為另一組對(duì)照組，驗(yàn)證試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

圖2 道床板分層試塊擺放方式及組別

首先，將溫度倉(cāng)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置好，將2 個(gè)120mm 的試塊疊放形成整體試塊，擺放情況如圖2。將所有試塊放在已經(jīng)調(diào)好溫度的溫度倉(cāng)中放置1h，利用紅外熱像儀測(cè)得組別①表面1、4、7 的溫度分布情況，繼續(xù)測(cè)組別②表面的1、2、4、5、7 的溫度分布情況，最后測(cè)得組別③表面的1、3、4、6、7。最終，將3 組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)匯總分析，得出整體各個(gè)層面的溫度分布情況。該實(shí)驗(yàn)可以充分模擬自然環(huán)境下的道床板經(jīng)外部環(huán)境影響的情況，為了使試驗(yàn)更具有說(shuō)服性，使試驗(yàn)的數(shù)據(jù)更加完美，需要做到兩次試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)各個(gè)表層的溫度參數(shù)值保持一個(gè)相同的定值，當(dāng)各個(gè)表層溫度都基本一致并有保持較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，才可以開(kāi)始試驗(yàn)并改變?cè)囼?yàn)所需要的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 紅外熱像圖數(shù)據(jù)提取

每組道床板分層試塊在溫度倉(cāng)內(nèi)傳熱進(jìn)行完全后，即溫度區(qū)域在一定值并保持較長(zhǎng)時(shí)間后，用紅外熱像儀拍攝各個(gè)層面，并將各個(gè)層面的紅外熱像圖上傳至電腦進(jìn)行分析。再次需要注意的是拍攝前應(yīng)預(yù)先設(shè)置好紅外熱像儀的拍攝參數(shù)，保持?jǐn)z像儀與表面之間距離在1m 之內(nèi)且為一固定值，保證鏡頭水平面與試塊層面平行，確保數(shù)據(jù)分析時(shí)圖片尺寸與實(shí)際試塊尺寸比例始終相等?，F(xiàn)建立溫度變化軸，如圖3 取紅外熱像圖內(nèi)試塊對(duì)角線連線作為橫軸，取中心點(diǎn)處與試塊長(zhǎng)邊做垂線作為豎軸。在橫軸和豎軸上取六等分點(diǎn)Sp1 、Sp2、 Sp3、 Sp4、 Sp5，Sp6、 Sp7、 Sp8、 Sp9、Sp10、Sp11、Sp12、Sp13，依次連接點(diǎn)Sp1 和點(diǎn)Sp7 ，點(diǎn)Sp1 和點(diǎn)Sp13 ，以此類推，做出五條等分平行線，進(jìn)而直觀的觀察出各個(gè)層面在x-y 方向的溫度梯度值以及橫豎方向上的傳熱變化趨勢(shì)。

根據(jù)上述內(nèi)容，一共有13 個(gè)點(diǎn)位，應(yīng)用軟件FLIRTools 便可獲得該13 個(gè)點(diǎn)位的溫度值，此方案能夠大大的降低成本，避免了原先復(fù)雜的預(yù)埋傳感器以及價(jià)格昂貴的分析軟件，依據(jù)此試驗(yàn)方法便可以得到理想的數(shù)值。

3 道床板溫度場(chǎng)規(guī)律分析

3.1 道床板溫度隨外界溫度變化規(guī)律

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將試塊表面溫度進(jìn)行整理。當(dāng)溫度倉(cāng)設(shè)定溫度在40℃進(jìn)行溫度加載，不難發(fā)現(xiàn)最高溫度往往出現(xiàn)在邊角處，為研究道床板溫度隨外界溫度變化規(guī)律，將試塊邊角處溫度及中心點(diǎn)溫度進(jìn)行溫度梯度整合，整合內(nèi)容如下圖所示。

根據(jù)試驗(yàn)可得：當(dāng)溫度倉(cāng)設(shè)定溫度值為40℃時(shí)，試塊表面橫向最高溫度可達(dá)39℃；表面豎向最大溫度可達(dá)37.5℃；表面邊緣與中心處最大溫差可達(dá)9.7℃。內(nèi)部豎向最大溫度可達(dá)38.9℃；最低溫度低至15.9℃；內(nèi)部橫向最大溫度可達(dá)38.9℃；最低溫度低至15.9℃，但內(nèi)部邊緣于中心處最大溫差變化相較于表面邊緣與中心處最大溫差大，最高可達(dá)13.9℃。

圖4、圖5 為道床板試塊溫度分布規(guī)律，參照?qǐng)D3 分層試塊表面溫度點(diǎn)位選取示意圖，可以看出底面整體溫度要略低于表面溫度且表面溫度變化幅度大于底面溫度變化幅度。

圖4 道床板試塊表面選取點(diǎn)位溫度統(tǒng)計(jì)圖

圖5 道床板試塊底部選取點(diǎn)位溫度統(tǒng)計(jì)圖

圖6 分層試塊在FILRTools 中呈現(xiàn)的熱成像圖及點(diǎn)位具體數(shù)值

根據(jù)圖4 和圖5 中曲線以及測(cè)得數(shù)據(jù)可得，道床板內(nèi)部溫度變化受外部環(huán)境溫度影響較大，道床板邊緣部分較中間部分溫度高，尤其是試塊四邊角部分，更是達(dá)到試塊表面的最大溫度值，呈現(xiàn)出一種四周高，中心低的同心圓形態(tài)。道床板試塊上層溫度在溫度倉(cāng)中接受試驗(yàn)時(shí)，表面邊緣溫度值為該表面溫度最大值；道床板試塊下層溫度與試塊上層溫度差值較大，呈現(xiàn)出一種上部高，下部低的趨勢(shì)。根據(jù)紅外熱成像儀拍出的數(shù)據(jù)可得，試塊整體溫度變化范圍大體呈圓形圖案，如按照一定的溫度差值繪制等溫度線，可以看出各條等溫度線大概率成同心圓圖案排列。

3.2 道床板溫度梯度分布規(guī)律

為了分析道床板內(nèi)部溫度梯度的變化規(guī)律，選取道床板分層試塊同一溫度軸的同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)與其上下表面不同深度處的測(cè)定點(diǎn)溫度。即如圖2所示，選取組別②和組別③兩組數(shù)據(jù)的同一點(diǎn)位，對(duì)于相同層面的不同數(shù)據(jù)則取平均值為準(zhǔn)。如在組別②和組別③中選取同一點(diǎn)位，如sp13 點(diǎn)，由于組別②和組別③共同擁有層面1，所以取組別②和組別③兩組溫度數(shù)據(jù)的平均值為層面1 的點(diǎn)位值。根據(jù)所得數(shù)軸的曲線變化斜率來(lái)判斷道床板處不同位置中同一位點(diǎn)的溫度梯度。

由圖7 和圖8 可以表明，隨著距道床板表面深度的不斷增加，軌道內(nèi)部的溫度差值逐漸增大，邊緣部分的溫度變化斜率略低于中心部位的溫度變化斜率，呈現(xiàn)出一種邊緣部向中心部分溫度變化斜率逐漸增大的趨勢(shì)。這也表明，實(shí)際應(yīng)用中的雙塊式無(wú)砟軌道道床板內(nèi)部的溫度梯度變化值明顯大于邊緣部分的溫度梯度變化值。

圖7 分組試塊在加載一小時(shí)后各層面點(diǎn)位溫度值

4 結(jié)語(yǔ)

基于人工環(huán)境下的雙塊式無(wú)砟軌道道床板溫度場(chǎng)的一種新型的試驗(yàn)方法，對(duì)道床板表面及其內(nèi)部進(jìn)行溫度場(chǎng)響應(yīng)分析。借助紅外熱像儀以及紅外熱成像圖分析軟件FLIRTools，以及多點(diǎn)式橫豎交匯溫度變化軸研究方法的輔助，極大的減少了人工和成本，便捷了操作辦法，縮短了實(shí)驗(yàn)周期與食鹽總時(shí)長(zhǎng)。對(duì)此可以得到如下結(jié)論，為我國(guó)雙塊式無(wú)砟軌道提供理論依據(jù)。

（1） 無(wú)砟軌道受外界環(huán)境溫度變化影響較大，道床板表面及內(nèi)部有著較大的溫度梯度值。

（2） 在人工環(huán)境下的溫度場(chǎng)試驗(yàn)分析過(guò)程中，道床板邊緣部分較中間部分溫度高，呈現(xiàn)出一種四周高，中心低的變化趨勢(shì)。道床板上層溫度比下層溫度值要高且溫度差值較大，呈現(xiàn)出一種上部高，下部低的變化趨勢(shì)。

（3） 在人工環(huán)境下的溫度場(chǎng)試驗(yàn)分析過(guò)程中，隨著距道床板表面深度的不斷增加，溫度梯度的變化趨勢(shì)也隨之變大，道床板內(nèi)部溫度變化受外界環(huán)境溫度的影響也就越小。

（4） 在人工環(huán)境下的溫度場(chǎng)試驗(yàn)分析過(guò)程中，道床板角部及邊緣部分的溫度梯度變化范圍要小于道床板中心部位的溫度變化范圍。道床板容易發(fā)生病害的地方極有可能出現(xiàn)在邊緣部分以及角部部分。

通過(guò)上述利用一種新的多點(diǎn)式橫豎交匯溫度變化軸方法，極大的減少了成本，節(jié)約了人力和時(shí)間。依據(jù)此方法得到的結(jié)論，如下建議：

（1） 無(wú)砟軌道道床板受外界環(huán)境溫度變化影響較大，建議在修建無(wú)砟軌道時(shí)首先考慮溫度對(duì)軌道的病害影響。

（2） 道床板的邊緣部分及角部分溫度梯度值較大，建議澆筑時(shí)重點(diǎn)注意此部分以及檢修時(shí)重點(diǎn)檢修此部分。

（3） 隨著距道床板表面溫度的距離不斷增加，道床板內(nèi)部的溫度梯度逐漸減小，建議完善無(wú)砟軌道尺寸結(jié)構(gòu)，研究出更加經(jīng)濟(jì)的新型軌道結(jié)構(gòu)。

圖8 分組試塊在加載兩小時(shí)后各層面點(diǎn)位溫度值