DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.04.030
高温季节桥上纵连板式无砟轨道的温度分布
戴公连1, 2，苏海霆1, 3，刘文硕1, 2，闫斌1, 2
(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；
2. 中南大学高速铁路建造技术 国家工程实验室，湖南 长沙，410075；
3. 泰山学院 机械与建筑工程学院，山东 泰安，271000)
摘要：为得到桥上纵连板式无砟轨道在夏季高温环境下的温度分布规律，在某客运专线上的CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道中埋设温度传感器对其内部温度进行长期连续观测，得到无砟轨道内温度分布规律以及无砟轨道内横、竖向温度梯度荷载模式。研究结果表明：无砟轨道在与外界进行热交换的过程中，内部温度分布呈现明显的非线性并随环境温度呈周期性变化；随着轨道结构深度增加，不同位置出现的温度峰值逐渐减小，出现时间不断滞后，夏季底座板底部较轨道板顶部出现峰值时间一般滞后3 h，无砟轨道竖向温度梯度分布曲线符合指数分布规律，与中国铁路设计规范规定的箱梁竖向温度梯度分布曲线在形式上较相近；横向梯度分布曲线宜采用三段线分别拟合。
关键词：高速铁路；桥梁工程；无砟轨道；温度分布
中图分类号：U213.912 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2017)04-1073-08
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)
Abstract: In order to obtain the time-dependent rules of temperature change and distribution in the track structure with superelevation, a continuous observation of CRTSⅡ was 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.
Key words: high-speed railway; bridge engineering; longitudinally connected ballastless track; temperature distribution
2005年我国在京津城际客运专线上首次使用CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道始，因其具有整体性好、平顺度高，工厂预制化程度高、维修少等特点[1]，该轨道结构现已被广泛应用于我国京沪(北京—上海)高速铁路、沪杭(上海—杭州)客运专线、京武(北京—武汉)高速铁路等多条高铁线路上，至今总铺设双线里程已超过双线4 500 km[2]。由于混凝土材料的导热系数较低[3-5]，无砟轨道在太阳辐射以及热交换影响下使无砟轨道内温度分布复杂，存在竖向以及横向非线性温差。竖向温差的存在将会引起轨道板上鼓以及表面开裂，横向温差会引起无砟轨道横向变形[6-9]。既有轨道研究中多采用德国规范所建议的50 ℃/m的温度梯 度[10]，而人们对轨道系统温度分布研究时多采用存板区现场测试或采用现场施工期内几天温度测试数据进行分析[11-14]。实际上，桥上无砟轨道处于更复杂的三维空间热交换系统中，与路基段规律也不尽相同，而且我国幅员广阔，各地无砟轨道温度场分布均有差异。为研究桥上无砟轨道温度分布，本文作者对圆曲线上某简支梁桥上CRTSⅡ纵连板式无砟轨道温度场进行长期监测，研究其温度分布规律，提出适用于简支箱梁桥上CRTSⅡ板式无砟轨道的温度分布特点。
1 桥上纵连板式无砟轨道温度场试验系统
以某客运专线圆曲线上简支梁桥为工程背景，测试桥上纵连板式无砟轨道中的温度分布情况。该桥位于北纬28°，东经115°，亚热带季风湿润气候，桥下为旱田，桥梁轴线走向为87.5°，如图1所示截面Ⅰ外侧为防护墙。测试截面位于简支梁固定支座附近轨道板接缝处。采用北京基康BGK-3700电阻式温度计对温度进行测试，使用BGK-Micro40分布式自动采集仪自动采集存储温度，采样频率为1次/(30 min)，使用移动数据网络进行远程数据传输，并采用太阳能供电系统供电。测点布置见图1。
测试时间为2014-06-08，截面Ⅱ与箱梁内21号测点夏季持续高温时程曲线见图2。
轨道结构各截面温度变化具有相似的规律，均具有典型的周期日变化特性，依据夏季温度统计可得无砟轨道温度日变化规律见表1。
箱梁内测点温度季度变化范围为23.8~33.8 ℃，每天变化值为0.6~4.7 ℃，均值为1.7 ℃。
图1 无砟轨道系统温度场测试测点布置示意图
Fig. 1 Arrangement of sensors in track structure
表1 无砟轨道温度日变化规律统计
Table 1 Statistics of daily variation of temperature in ballastless track
图2 无砟轨道截面II的温度时程曲线
Fig. 2 Temperature-time curves of section II in track slab
2 无砟轨道温度日变化分布规律
取夏季监控到的温度最大值出现日期2014-08-06 (晴，气温27~36 ℃)，将测试温度在轨道结构范围内进行拟合，并适当外延形成轨道范围内温度云图，选择典型时刻以反映轨道板内温度变化规律。
夜晚2:00温度分布大体相似，呈现外冷内热的趋势，见图3。
日出3 h左右(9:30)表面温度开始明显上升，轨道板内温度开始变得杂乱，并且轨道板内温度与底座板内温度相近，底座板内温度变化不大，见图4。
14:30出现本日最高温；轨道板内颜色变化较快，表征温度梯度较高，温度衰减较快。此后，轨道板顶温度逐渐降低，见图5。
底座板内温度上升，轨道板内温度逐渐降低，而轨道板中部温度也稍高于顶面温度，使得整个结构内温度呈现明显的非线性。自18:00开始轨道板内温度又趋于与2:00相似的分布。
图3 2:00轨道板和底座板等温线分布
Fig. 3 Isotherm of track slab and base plate at 2:00
图4 9:30轨道板和底座板的等温线分布
Fig. 4 Isotherm of track slab and base plate at 9:30
图5 14:30轨道板和底座板的等温线分布
Fig. 5 Isotherm of track slab and base plate at 14:30
图6 16:00轨道板和底座板的等温线分布
Fig. 6 Isotherm of track slab and base plate at 16:00
2.1 竖向温度梯度日变化规律
夏季最大正温差出现日期2014-07-30，15:00(气温27~36 ℃，晴，微风)，该日截面I温度梯度日变化见图7。
图7 截面I竖向温差的日变化规律
Fig. 7 Daily distributions of temperature in section I
由竖向梯度每天的变化分布可知无砟轨道竖向梯度分布主要有3种模式：从夜晚23:00之后至第2天、8:00左右为负梯度模式；9:00左右出现顶部与底部温度相同的模式；自9:00至23:00在轨道系统中基本以正温度梯度为主。对于整个轨道系统，每天温度变化最大的范围分布在结构高度100 mm范围内，超过300 mm后日温度变化较小。
2.2 横向温度梯度日变化规律
由于底座板中侧受轨道板遮挡，两侧可直接受到阳光照射，轨道板与底座板横向温度分布规律应分别予以研究。分别选取2014-07-30轨道板底层点和底座板中间层点绘制轨道板横向梯度日变化规律，见图8。
分析轨道板的日变化规律可知温度模式主要有3种：1) 为南侧的轨道板(测点23)温度最高，中间(测点25)次之，北侧的轨道板(测点27)温度最低，整体温度呈现向北方向倾斜的I形；2) 为轨道板中间的温度高于轨道板两侧的温度，整体温度呈现倒V形；3)为轨道板中间温度低于南北两侧的温度呈现正V形，在数学排列组合中的其他形状并未出现。
图8 轨道结构横向温度梯度的日变化规律
Fig. 8 Daily lateral distribution of temperature in track structure
因轨道板只遮盖底座板的中部，两侧可以受到阳光直射，所以，底座板中间部分与外侧部分温度差别较大，底座板中部受轨道板遮盖的区域温度变化平缓，相差在2 ℃以内；底座板北侧温度较中部受遮盖部分相差可达13 ℃。所以，宜将底座板温度模式分为3种，其中，模式1的底座板北侧温度较中部温度高，通常南侧的温度也较中间温度高，整体温度分布呈现U形；对于模式2，底座板北侧温度较中间低，通常此时南侧的温度也较中间温度低，整体温度分布呈现倒U形。
3 无砟轨道温度梯度分布规律
3.1 日最大竖向温度梯度分布
对监测的温度进行分析(2014-06-01—2014- 08-31)，最大的温度竖向正负梯度分布如图9所示。
轨道结构夏季中竖向最大正温差出现在2014-07-30T15:00。当日天气晴朗，气温为27~36 ℃(当地气象局发布)，云量较小，上表面接受太阳辐射强烈，升温迅速，因混凝土的导热性差，热量向下传递缓慢，轨道板底部温度峰值滞后轨道板顶部温度峰值约2 h。轨道板温度自出现最大温差后(16:00)开始下降，并在17:00左右(落日时间前0.5~1.0 h)，轨道板顶部温度与底部温度趋于一致，此后轨道板顶部温度低于底部温度；第2天6:30左右温度开始回升(日出后0.5~1.0 h)，并于9:30左右与底座板顶部温度趋于一致，之后开始高于顶部温度。轨道结构夏季中竖向最大负温差出现在2014-06-17T9:30，当日天气阵雨，气温为22~27 ℃；表层温度因接触雨水下降较快，轨道结构内部温度降低较慢，从而产生负温差，至9:30出现最大负温差，为8.7 ℃。
3.2 竖向平均温度梯度分布
夏季中晴天时间共计18 d，多云或阴天时间共计24 d，雨天时间共计50 d，取每天各温度模式最大值进行平均得到各模式平均温度梯度。各截面的平均温度梯度分布如图10所示。对于晴天状况下的竖向正温度梯度，截面Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ的平均值分别为18.62，27.45和31.52 ℃/m；对于晴天竖向负温度梯度，截面Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ的平均值分别为5.85，6.60和11.11 ℃/m。
3.3 横向温度梯度分布
取轨道板和底座板横向温度梯度模式每天最大值进行平均得到横向平均温度梯度分布，如图11所示。
图9 各截面的最大正负温差分布
Fig. 9 Distribution of the maximum temperature difference in each section
图10 各截面温差在不同天气下的平均分布
Fig. 10 Average temperature differences of each sections in different weathers
4 曲线段无砟轨道温度荷载模式
4.1 竖向温度荷载模式
通过对数据的整理和拟合，所得无砟轨道竖向温度梯度分布拟合曲线如图12所示。因截面Ⅲ侧也能够接收阳光辐射，所以，正温度梯度中采用截面Ⅰ和截面Ⅱ温度平均拟合成第1条曲线，采用截面Ⅲ的温度单独拟合成1条曲线；负温度梯度中采用3个截面的温度平均拟合成1条曲线。对测试时间内晴天平均梯度进行回归拟合，得到典型地区竖向温度梯度荷载模式见图13。
竖向温度梯度晴天平均正温度梯度曲线为
，
(1)
式中：
和
分别为对截面Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ拟合的温度分布；y为距顶面距离。竖向温度梯度晴天平均负温度梯度曲线为：
，
，
(2)
式中：
，
和
分别为对截面Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ拟合的温度；y为距顶面距离。
拟合结果中相关系数的平方均在0.85以上，说明拟合结果较可靠。以上竖向拟合温度梯度分布与中国铁路桥梁设计规范中箱梁竖向温度梯度分布 (指数分布) [15]在形式上较吻合。
图11 轨道板与底座板横向温差在不同天气下的平均分布
Fig. 11 Average lateral temperature differences of track structure in different weathers
图12 无砟轨道竖向温度梯度晴天曲线拟合
Fig. 12 Fitting curves of vertical temperature difference in longitudinally connected ballastless track in sunny day
4.2 横向温度荷载模式
对测试时间内轨道板和底座板横向晴天平均梯度分布分别进行回归拟合，得到典型地区横向温度梯度荷载模式。
轨道板横向平均温度梯度曲线可拟合如下。
模式1：
(3)
模式2：
(4)
模式3：
(5)
底座板横向平均温度梯度曲线可拟合如下。
模式1：
(6)
模式2：
(7)
式中：θ为拟合温度；x为距离超高侧边缘距离。
拟合结果中相关系数的平方均在0.90以上，拟合结果较可靠。
图13 无砟轨道横向温度梯度晴天曲线拟合
Fig. 13 Fitting curves of lateral temperature difference in longitudinally connected ballastless track in sunny day
5 结论
1) 无砟轨道在与外界环境热交换过程中，结构内部存在复杂的非线性温度场。
2) 随着轨道结构深度增加，日温度变化差不断降低且温度变化趋势不断滞后，轨道结构底面至顶面温度峰值时间滞后约3 h。
3) 轨道板表面温度变化剧烈日变化温度为15 ℃左右；随着结构深度增加，结构日变化温度幅值越来越小，至底座板底部日变化均值仅为2.1 ℃；箱梁内温度变化幅度较小，日温度变化范围为0.6~4.7 ℃，均值为1.7 ℃。
4) 桥上纵连板式无砟轨道竖向温差分布曲线符合指数分布规律，与中国铁路规定的箱梁竖向温差分布曲线的指数形式较吻合。对于不同纬度、不同太阳辐射地区轨道结构的轨道结构温差分布还需进一步观测与分析。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2016-05-10；修回日期：2016-07-22
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51378503) 高速铁路基础研究联合基金资助项目(U1334203)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(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)
通信作者：苏海霆，博士，讲师，从事高速铁路梁轨系统温度场研究；E-mail：Suhaiting1988@hotmail.com
