蘭州地區(qū)連續(xù)梁橋上無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)研究

侯兵港

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

無(wú)砟軌道是目前中國(guó)高速鐵路建設(shè)所使用的主要結(jié)構(gòu)形式，具有高平順性、高穩(wěn)定性、耐久性好以及后期維修工作少等優(yōu)點(diǎn)。CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道是由中國(guó)自主研發(fā)的新型板式無(wú)砟軌道，在服役時(shí)，它長(zhǎng)期與空氣直接接觸，結(jié)構(gòu)溫度變化受環(huán)境變化的影響較大。中國(guó)不同地域的太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、大氣溫度等差異較大。目前針對(duì)西部地區(qū)軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)受太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度的影響研究較少。所以本文以2020 年大氣溫度最高值和最低值出現(xiàn)時(shí)間為選取蘭州地區(qū)2020-07-06、2020-12-30 的氣象環(huán)境資料作為基礎(chǔ)來(lái)探究夏季和冬季連續(xù)梁橋上無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)變化規(guī)律。

1 太陽(yáng)輻射計(jì)算及結(jié)構(gòu)參數(shù)

太陽(yáng)與地面的位置關(guān)系會(huì)隨時(shí)間變化而改變，主要以太陽(yáng)赤緯角、太陽(yáng)時(shí)角、太陽(yáng)方位角、太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)入射角5 個(gè)要素來(lái)描述太陽(yáng)與地面的時(shí)間-空間關(guān)系[1]。據(jù)此計(jì)算得到隨時(shí)間變化的太陽(yáng)輻射，而直接照射到結(jié)構(gòu)表面的太陽(yáng)輻射會(huì)經(jīng)過(guò)大氣的衰減，其強(qiáng)度與大氣透明度系數(shù)和橋梁走向有關(guān)，結(jié)構(gòu)物吸收的有效輻射與結(jié)構(gòu)物表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收效率有關(guān)[2]。本文考慮環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射對(duì)整體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響，定義橋梁走向?yàn)槟媳狈较?，?jì)算出一天之內(nèi)太陽(yáng)對(duì)結(jié)構(gòu)的有效輻射，然后定義結(jié)構(gòu)的初始溫度場(chǎng)。通過(guò)結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境之間的熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)來(lái)分析結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)變化。

混凝土結(jié)構(gòu)表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)取0.66，蘭州地區(qū)2020-07-06 大氣透明度系數(shù)為0.68，2020-12-30大氣透明度系數(shù)為0.66。

本文以某連續(xù)梁橋（80 m+128 m+80 m）為工程背景，采用有限元軟件建立三維實(shí)體模型，其中軌道板尺寸為5 600 mm×2 500 mm×200 mm，密度為2 500 kg/m3，比熱容為950 J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為1.84 W/（m·℃）。自密實(shí)混凝土層尺寸為5 600 mm×2 500 mm×100 mm，密度為2 550 kg/m3，比熱容為800 J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為1.22 W/（m·℃）。底座板采用單元板形式，尺寸為5 600 mm×2 900 mm×200 mm，單元板之間間隔為7 cm。密度為2 500 kg/m3，比熱容為850 J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為1.0 W/（m·℃）。

箱梁室內(nèi)空氣溫度在一天內(nèi)基本保持不變，與之接觸的箱室內(nèi)表面溫度變化幅度也不大，所以在進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)可不考慮箱室內(nèi)表面的輻射換熱[3]。結(jié)構(gòu)分析時(shí)初始溫度場(chǎng)選擇混凝土結(jié)構(gòu)整體溫度分布較均勻的時(shí)刻，取日出時(shí)刻氣溫作為結(jié)構(gòu)初始溫度[4]。2020-07-06 日出時(shí)刻為06：00，氣溫為22 ℃；2020-12-30 日出時(shí)刻為08：00，氣溫為-12 ℃。

連續(xù)梁橋主跨跨中位置如圖1 所示。Q、QD 分別為頂板、底板的中間位置。GY 為東側(cè)軌道結(jié)構(gòu)中間位置。

圖1 連續(xù)梁橋主跨跨中位置示意圖

2 蘭州地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

2020-07-06 蘭州地區(qū)夏季橋梁頂板溫度時(shí)程曲線(xiàn)如圖2 所示。2020-07-06 蘭州地區(qū)夏季橋梁底板溫度時(shí)程曲線(xiàn)底板溫度時(shí)程曲線(xiàn)如圖3 所示。Qa、Qb、QDa、QDb 分別為頂板外表面、頂板內(nèi)表面、底板外表面、底板內(nèi)表面。

圖2 2020-07-06 頂板溫度時(shí)程曲線(xiàn)

圖3 2020-07-06 底板溫度時(shí)程曲線(xiàn)

蘭州地區(qū)夏季橋梁頂板外表面溫度在15：00 左右達(dá)到最大值47.9 ℃，底板外表面溫度在16：00 左右達(dá)到最大值33.6 ℃。由于頂板所受輻射包括太陽(yáng)直射、大氣散射，而底板受到的輻射是地表反射和大氣散射，并不受太陽(yáng)直射，地表反射比太陽(yáng)直射的強(qiáng)度要小許多，所以頂板溫度變化更加劇烈。由于底板外表面受到地表長(zhǎng)波輻射的作用，導(dǎo)致底板外表面溫度達(dá)到最大值比頂板外表面溫度達(dá)到最大值時(shí)滯后約1 h。

2020-12-30 蘭州地區(qū)冬季橋梁頂板溫度時(shí)程曲線(xiàn)如圖4 所示。2020-12-30 蘭州地區(qū)冬季橋梁底板溫度時(shí)程曲線(xiàn)底板溫度時(shí)程曲線(xiàn)如圖5 所示。

圖4 2020-12-30 頂板溫度時(shí)程曲線(xiàn)

圖5 2020-12-30 底板溫度時(shí)程曲線(xiàn)

冬季橋梁頂板與底板的溫度變化趨勢(shì)雖不一致，底板溫度達(dá)到最大值時(shí)間比頂板滯后約0.5 h，但其溫度最大值差距不大，均接近于一天之內(nèi)的最高大氣溫度。原因是由于冬季太陽(yáng)輻射較弱，橋梁整體結(jié)構(gòu)的溫度變化主要由大氣溫度所影響，底板所受到的地表反射與頂板所受到的太陽(yáng)直射的差距并不能使橋梁頂板和底板的溫度差出現(xiàn)較大的變化。

3 蘭州地區(qū)軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

2020-07-06 軌道結(jié)構(gòu)溫度時(shí)程曲線(xiàn)如圖6 所示。沿深度方向溫度時(shí)程曲線(xiàn)如圖7 所示。GY 為東側(cè)軌道結(jié)構(gòu)中間位置，GYa 為軌道板頂面、GYb 為軌道板底面、GYc 為自密實(shí)混凝土層底面、GYd 為底座板底面、GYe 為橋梁頂板深度方向0.4 m 處。

圖6 2020-07-06 軌道結(jié)構(gòu)溫度時(shí)程曲線(xiàn)

圖7 2020-07-06 沿深度方向溫度時(shí)程曲線(xiàn)

夏季蘭州地區(qū)軌道結(jié)構(gòu)頂面溫度最大值達(dá)到48.9 ℃，出現(xiàn)在15：00 左右，與橋梁頂板溫度達(dá)到最大值時(shí)刻基本一致。沿深度方向各點(diǎn)溫度變化與軌道板頂面溫度變化相比具有一定的滯后性，且溫度變化數(shù)值越來(lái)越小，這是由于隨著深度增加，太陽(yáng)輻射被上面的結(jié)構(gòu)層吸收阻擋后，抵達(dá)相應(yīng)深度時(shí)強(qiáng)度越來(lái)越弱。

2020-12-30 軌道結(jié)構(gòu)溫度時(shí)程曲線(xiàn)如圖8 所示。沿深度方向溫度時(shí)程曲線(xiàn)如圖9 所示。

圖8 2020-12-30 軌道結(jié)構(gòu)溫度時(shí)程曲線(xiàn)

圖9 2020-12-30 沿深度方向溫度時(shí)程曲線(xiàn)

冬季蘭州地區(qū)軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律和夏季相似，軌道板頂面溫度最大值為-6.2 ℃，出現(xiàn)在14：00 左右，接近一天之內(nèi)的最高氣溫。由此可知冬季軌道板頂面溫度與大氣溫度密切相關(guān)，這是由于蘭州地區(qū)冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低，再經(jīng)過(guò)大氣散射、云層吸收、軌道結(jié)構(gòu)表面反射等作用，真正能被軌道結(jié)構(gòu)吸收的太陽(yáng)輻射有限，此時(shí)太陽(yáng)輻射對(duì)軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響是比較輕微的。

4 結(jié)論

夏季蘭州地區(qū)橋梁頂板和底板最高溫度分別為47.9 ℃、33.6 ℃，軌道頂面在15：00 左右達(dá)到溫度最大值48.9 ℃，與橋梁頂面溫度最高值出現(xiàn)時(shí)間基本一致。冬季蘭州地區(qū)橋梁頂板和底板溫度最大值差距并不明顯，且接近一天之中的大氣最高溫度，軌道結(jié)構(gòu)頂面溫度最大值也接近一天之內(nèi)的最高氣溫。這表明冬季太陽(yáng)輻射較弱，與大氣溫度相比不能使結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)發(fā)生大的改變。分析蘭州地區(qū)的夏、冬季橋上無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)夏季對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)起主導(dǎo)作用的是太陽(yáng)輻射，冬季對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)起決定作用的是大氣溫度。