青藏铁路多年冻土地区混凝土双片式T型梁日温差变化规律
张向民1, 2，高亮1，曾志平2，高宝林3，张广义2
(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京，100044；
2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；
3. 青藏铁路公司，青海 西宁，810007)
摘要：针对青藏铁路多年冻土地区混凝土双片式T型梁日温差进行现场试验与理论分析。开发适合青藏高原恶劣气候环境的气温梁温自动采集存储系统，对青藏铁路典型地区(沱沱河、扎加藏布)的混凝土双片式T型梁体表面温度进行1 a的连续测试；建立双片式T型梁体日照温度场二维非稳态有限元分析模型，结合现场实测数据，分析与系统采样时刻相应的梁体截面温度分布，获得测试期间内的梁体日温差。研究结果表明：沱沱河地区梁体最大日温差为10.2 ℃；扎加藏布地区梁体最大日温差为17.8 ℃，其中大于规范值(15 ℃)的时间为20 d，占样本总数的5.31%，主要出现在每年11月至第2年3月之间。研究成果对于青藏铁路多年冻土地区桥上无缝线路的设计和养护维修具有重要参考价值。
关键词：青藏铁路；双片式T型梁；日温差；有限元
中图分类号：U213 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)11-4611-06
Daily temperature difference of concrete double T beam in permafrost regions along Qinghai—Tibet railway
ZHANG Xiangmin1, 2, GAO Liang1, ZENG Zhiping2, GAO Baolin3, ZHANG Guangyi2
(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;
2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;
3. Qinghai-Tibet Railway Company, Xining 810007, China)
Abstract: A set of on-the-spot test and theoretical analysis in daily temperature difference of concrete double T beam in permafrost regions of Qinghai—Tibet railway were carried out. An automatic collection and storage system for air and beam temperature was developed which was suitable for the bad weather conditions of Qinghai—Tibet Plateau. The surface temperature of concrete double T beam was continuously tested for 1 a in the typical regions of Qinghai—Tibet railway, such as Tuotuohe, Zhajizangbu, and so on. A two-dimensional unsteady simulation model of double T beam solar radiation temperature field was established by using the finite element method. The beam section temperature distribution of the corresponding testing moment was analyzed with the measured data, based on which the daily temperature differences were obtained. The results show that the maximum daily temperature differences of beam are 10.2 ℃ and 17.8 ℃ respectively in Tuotuohe and Zhajiazangbu. In Zhajiazangbu, there are 20 d of daily temperature differences greater than the standard value (15 ℃), which accounts for 5.31% of the total number of samples, and it mainly appears from November to March of next year. The research results are significant for the design and maintenance of continuously welded rail track on bridge in permafrost regions of Qinghai—Tibet railway.
Key words: Qinghai—Tibet railway; double T beam; daily temperature difference; finite element method
青藏铁路格拉段是纵贯我国西部青海省、西藏自治区，跨越青藏高原，全长1 142 km，平均海拔高度4 500 m以上，其中海拔4 000 m以上的路段960 km，翻越唐古拉山的铁路最高点海拔5 072 m，多年永久性冻土段长546 km，季节性冻土地段总长593 km，其中北段格尔木至望昆(冻土北界)线路长140 km，南段安多~拉萨段线路长453 km[1-3]。沿线自然条件恶劣，存在低温寒冷、大气含氧量低、紫外线辐射强、日温差变化大等诸多不利因素，线路运营维修条件极差，铺设无缝线路对于提高行车速度、减少线路维修、降低运营成本，具有十分重要的意义。2003年，铁道部成立青藏铁路无缝线路研究课题组，在格尔木至望昆之间铺设了3个无缝线路试验段(总长23.854 km)，对季节性冻土地区铺设无缝线路的技术可行性进行了系统研究[4-5]，使无缝线路在青藏铁路季节性冻土地区得以逐步推广。鉴于运营过程中季节性冻土地区无缝线路的优越性非常显著，在青藏铁路多年冻土地区铺设无缝线路也已迫在眉睫，然而，目前关于多年冻土地区铁路无缝线路关键设计参数的取值仍缺乏相关的研究基础，如现行《铁路轨道设计规范》中关于最高轨温与最高气温差、最低轨温与最低气温差、梁体日温差的取值是否适合青藏铁路多年冻土地区的恶劣气候环境尚不得而知。基于此，铁道部成立了青藏铁路多年冻土地区无缝线路研究课题组，对多年冻土地区气温轨温差、梁体日温差的变化规律进行了全面系统的试验研究。我国干线铁路桥上无缝线路设计中[6]，用于计算有砟轨道混凝土桥梁因温差引起的伸缩位移时，取梁体在1 a内可能出现的最大日温差，为15 ℃。青藏铁路多年冻土地区由于气温以及桥梁接受日照的条件与其他地区不同，因此，本文作者通过连续测量梁体表面温度，计算梁体日温差，总结梁体日温差的变化规律，以此来验证桥上无缝线路设计能否延用梁体日温差15 ℃这一参数，以确保桥上无缝线路的安全可靠。
1 试验方法
由于青藏铁路已建成通车，常用的通过预埋温度传感器测试桥梁梁体内部温度的方法已很难实现，故只能测试桥梁梁体表面温度，即利用导热性能良好的导热胶将表面温度传感器粘贴在梁端内侧和外侧表面，从而测量梁体表面温度在气候、日照等因素影响下的变化规律。以青藏铁路典型桥梁结构型式——混凝土双片式T型简支梁桥为例，测试示意图如图1所示。
图1 梁体表面温度测试示意图
Fig.1 Sketch of beam surface temperature measurement
2 测试系统组成、布置及验证
气温梁温自动采集存储系统由B2-1表面温度传感器、A8A-42大气温度传感器、SP-4000数据采集存储系统、控制分析软件、气温计、百叶箱等组成(如图2所示)。数据采集存储系统自带供电电池，供电最长时间达10 a，能有效保证监测系统长时间的运行。将数据采集存储系统、大气温度传感器、气温计置于百叶箱中，一方面能有效测量大气温度，另一方面可减少气候变化对数据采集存储系统的影响。按照青藏铁路公司的要求，课题组在沱沱河地区和扎加藏布地区的32 m混凝土双片式T型简支梁桥上各布置了1套气温梁温自动采集系统。
为了验证测试系统的可靠性，利用轨温表，于2011-05-13—14在青藏铁路不冻泉无缝线路试验段格尔木方向缓冲区对轨温进行了24 h人工测试，测试时间与系统采样时间相同，所得测试数据的差值如图3所示，在第1天22点至第2天8点之间，钢轨没有受到太阳辐射的影响，表面温度分布比较均匀，人工测试数据与系统采集数据比较接近，钢轨内侧差值不超过1 ℃，钢轨外侧差值一般不超过2 ℃。说明该测试系统所测数据具有良好的可靠性。
3 试验结果及分析
3.1 测试结果
测试时间为2010-12-29—2012-01-09，共计377 d。将气温梁温自动采集存储系统的采样间隔设置为2 h，2个测点分别获得4 524组测试数据。根据所测得的不同时刻梁体内外侧温度，先取其平均值，然后计算日最高最低平均梁体温差，即梁体表面日温差，结果如图4和图5所示。从图4和5可见：沱沱河和扎加藏布地区的梁体表面日温差最大值分别达到18.3和33.3 ℃，远大于规范规定值15 ℃，需对梁体截面温度场分布进行精确分析。
图2 气温梁温测试系统组成及布置图
Fig.2 Composition and arrangement of atmospheric and beam temperature measurement system
图3 人工测试数据与仪器测试轨温差值
Fig.3 Rail temperature difference of results tested by two kind of methods
图4 沱沱河地区测试结果
Fig.4 Test results of Tuotuohe area
图5 扎加藏布地区测试结果
Fig.5 Test results of Zhajiazangbu area
3.2 梁体截面温度场有限元分析
3.2.1 计算模型
大量研究结果[7-12]表明：由于桥梁跨越的地理经纬度非常小，且沿桥长方向的温度分布较为接近，理论上桥梁沿纵向无热传导过程，可以忽略桥长方向上温差的微小变化。因此，本文按二维非稳态温度场问题对青藏铁路双片式T梁进行分析。基于大型通用有限元软件ANSYS的热分析模块，采用四边形单元PLANE77对双片式T梁截面划分网格，建立其日照温度场分布计算模型如图6所示。虽然双片式T型梁内部并不闭合，但是，其内侧面没有受到太阳辐射作用和风速的影响，而只受到空气对流的影响，与空气进行对流换热，故假定内侧面的综合热交换系数与T梁下表面相同。
3.2.2 计算参数及结果
根据相关文献[7-17]，取混凝土的比热容为920J/(kg·K)，导热系数为1.74 W/(m2·K)，混凝土的容重为2 400 kg/m3，混凝土表面辐射吸收系数为0.65，积雪地面平均反射率为0.7，T型梁外表面与天空辐射面及地面间的辐射系统黑度为0.9，大气黑度为0.8。利用气温梁温自动采集存储系统采集的梁体内外侧的表面温度和大气温度，进行逐步加载。沱沱河地区2011-07-31梁体平均温度如表1所示，梁体截面温度场分布如图7所示。梁体平均最高和最低温度分别为9.94和5.18 ℃，即该日的梁体日温差为4.76 ℃。
图6 梁体温度场计算模型
Fig.6 Calculation model of beam temperature field
图7 2011-07-31梁体截面温度场计算结果
Fig.7 Calculation result of beam temperature field on 2011-07-31
图8 沱沱河梁体日温差
Fig.8 Daily beam temperature difference of Tuotuohe
图9 扎加藏布梁体日温差
Fig.9 Daily beam temperature difference of Zhajiazangbu
表1 2011-07-31不同时刻的梁体平均温度
Table 1 Average beam temperature of different time on 2011-07-31
3.3 梁体日温差分析
将所测的梁体内外侧表面温度和大气温度输入梁体日照温度场分布计算模型，得出不同时刻梁体截面温度场分布，在后处理程序中提取出相应时刻所有节点的温度，求出1 d内所有时刻的梁体截面平均温度，然后求得每一天的最高最低温差，即得到梁体日温差，结果如图8和图9所示。从图8和9可见，沱沱河地区最大梁体日温差为10.2 ℃(小于规范值15 ℃)；扎加藏布地区最大梁体日温差为17.8 ℃(大于规范值15 ℃)，其中大于15 ℃的时间为20 d，占样本总数的5.31%，主要出现在每年11月至第2年3月之间。
4 结论
(1) 气温梁温自动采集存储系统可以获得连续、可靠的试验数据，大大提高了测试效率、降低了人工试验风险。
(2) 沱沱河地区的最大梁体日温差为10.2 ℃，小于现行《铁路轨道设计规范》规定值15 ℃；扎加藏布地区最大梁体日温差为17.8 ℃，其中大于现行规范规定值15 ℃的时间为20 d，占样本总数的5.31%，主要出现在每年11月至第2年3月之间。应进一步加强观测与分析，为修订和完善《铁路轨道设计规范》提供重要数据支撑。
(3) 本文仅对青藏铁路混凝土双片式T型梁进行了试验研究与理论分析，其他型式桥梁的梁体温变化规律有待进一步研究。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2012-12-20；修回日期：2013-03-06
基金项目：铁道部科技研究开发计划重点项目(QZ2010-G01，2010G026)；国家自然科学基金资助项目(50908236)；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20090162120038)；湖南省自然科学基金资助项目(09JJ4022)；中南大学研究生自主探索创新基金(2011SSXT156)
通信作者：张向民(1973-)，男，辽宁兴城人，讲师，博士研究生，从事铁路轨道结构研究；电话：0731-82656611；E-mail: zxmzk6298@163.com
