劉偉斌，王繼軍，楊全亮，王夢，趙勇

(1．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2．鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院，北京100038)

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道溫度梯度試驗(yàn)研究

劉偉斌1，王繼軍1，楊全亮2，王夢1，趙勇1

(1．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2．鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院，北京100038)

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道復(fù)合軌道板溫度梯度變化規(guī)律、溫度梯度與太陽日輻射強(qiáng)度、日最高氣溫等環(huán)境因素的相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。研究結(jié)果表明:復(fù)合軌道板最大正、負(fù)溫度梯度分別為0.69，0.35℃/cm;日最大正溫度梯度一般出現(xiàn)在14:00—15:00，日最大負(fù)溫度梯度一般出現(xiàn)在5:00—8:00;春夏季復(fù)合軌道板的溫度梯度較其他季節(jié)大;復(fù)合軌道板正、負(fù)溫度梯度均呈非線性分布，10:00—12:00非線性分布特性更為顯著;日最大正溫度梯度與日太陽輻射總量、日最高氣溫相關(guān)性較好，可根據(jù)本文獲得的回歸方程推測不同地區(qū)復(fù)合軌道板的日最大正溫度梯度。

無砟軌道 復(fù)合軌道板 溫度梯度 變化規(guī)律

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國近幾年研發(fā)的新型無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，主要由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土層及底座等構(gòu)成，CRTSⅢ型板式無砟軌道總體采用單元方案，即路基、橋梁、隧道地段軌道板及底座均采用分段式結(jié)構(gòu)，其中自密實(shí)混凝土層與預(yù)制軌道板通過板底門形鋼筋連接形成復(fù)合軌道板，厚度為310 mm，是CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)主要承載部件。

已有研究表明［1-6］，在溫度梯度作用下，軌道板將出現(xiàn)翹曲變形和翹曲應(yīng)力，易使軌道板與水泥瀝青砂漿填充層產(chǎn)生離縫，形成結(jié)構(gòu)初始缺陷;對于CRTSⅢ型板式無砟軌道，溫度梯度幅值對復(fù)合軌道板拉應(yīng)力影響顯著，溫度梯度為0.75℃/cm時(shí)與0.45℃/cm時(shí)相比較，板底拉應(yīng)力增大40%。另外，我國高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［7］規(guī)定，無砟軌道溫度梯度取值為0.45℃/cm，這一取值主要是基于國外工程實(shí)踐。我國地域遼闊，氣候環(huán)境復(fù)雜，全國范圍內(nèi)取一定值顯然不甚合理。因此，掌握CRTSⅢ型板式無砟軌道復(fù)合軌道板溫度梯度特征，對于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)合理性具有重要意義。本文通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，獲得了復(fù)合軌道板的溫度梯度特性，并建立了溫度梯度與日最高氣溫、太陽日輻射總量等氣象參數(shù)的關(guān)系，以便于估算不同地區(qū)復(fù)合軌道板合理溫度梯度取值。

1 試驗(yàn)概況

針對某客運(yùn)專線CRTSⅢ型板式無砟軌道試驗(yàn)段開展了復(fù)合軌道板溫度場的長期監(jiān)測，監(jiān)測工點(diǎn)位于路基地段，溫度傳感器布置在復(fù)合軌道板平面中心位置，豎向布置7層，層間距約50 mm，如圖1所示。長期監(jiān)測系統(tǒng)可自動采集溫度、變形等數(shù)據(jù)，采集頻率為1次/h。數(shù)據(jù)監(jiān)測時(shí)間為2013年4月—2014年4月，基于GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸及在線監(jiān)測。

圖1 復(fù)合軌道板溫度傳感器預(yù)埋位置(單位:mm)

2 復(fù)合軌道板溫度梯度變化規(guī)律

受太陽輻射強(qiáng)度、氣溫及風(fēng)速等氣象因素的影響，復(fù)合軌道板上下產(chǎn)生溫差(即溫度梯度)，進(jìn)而引起軌道板的翹曲變形和溫度應(yīng)力。溫度梯度是計(jì)算復(fù)合軌道板溫度應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù)，是一個(gè)比較復(fù)雜的隨機(jī)變量。本文借鑒相關(guān)文獻(xiàn)［8］的統(tǒng)計(jì)方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以獲得復(fù)合軌道板溫度梯度的變化規(guī)律。

2.1 溫度梯度日變化規(guī)律

2013年4月—2014年4月監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，復(fù)合軌道板最大正溫度梯度為0.69℃/cm，出現(xiàn)在2013年5月11日(晴天);最大負(fù)溫度梯度為0.35℃/cm，出現(xiàn)在2013年8月7日(雨天)。

如圖2所示，晴天時(shí)，復(fù)合軌道板溫度梯度日變化過程大致可分為4個(gè)階段。距軌道板頂面1 cm處與復(fù)合軌道板板底之間的溫度梯度，在一天內(nèi)依次經(jīng)歷了負(fù)溫度梯度(板頂溫度低于板底)階段、零溫度梯度階段、正溫度梯度(板頂溫度高于板底)階段、零溫度梯度階段。晴天時(shí)，每天的循環(huán)周期基本相同，正、負(fù)溫度梯度所占時(shí)段基本上各12 h，但日最大正溫度梯度約為負(fù)溫度梯度的2倍。

圖2 晴天時(shí)復(fù)合軌道板溫度梯度日變化曲線(2013-5-11)

雨天或有雪覆蓋條件下，由于太陽輻射熱較弱，日氣溫變動也較小，復(fù)合軌道板溫度梯度一般呈現(xiàn)為負(fù)溫度梯度，如圖3所示。

圖3 雨天時(shí)復(fù)合軌道板溫度梯度日變化曲線(2013-8-7)

復(fù)合軌道板日最大正溫度梯度及日最大負(fù)溫度梯度出現(xiàn)時(shí)間分布如圖4所示。日最大正溫度梯度一般出現(xiàn)在14:00—15:00，占全年統(tǒng)計(jì)天數(shù)的75%;日最大負(fù)溫度梯度一般出現(xiàn)在5:00—8:00，占全年統(tǒng)計(jì)天數(shù)的62%，相對集中在6:00—7:00。

2.2 溫度梯度季節(jié)變化規(guī)律

基于本線監(jiān)測數(shù)據(jù)，全年范圍內(nèi)復(fù)合軌道板日最大溫度梯度及日最小溫度梯度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，春夏季產(chǎn)生的日最大正溫度梯度及日最大負(fù)溫度梯度較其他季節(jié)大，且日最大正溫度梯度較其他季節(jié)大的趨勢更顯著。

全年范圍內(nèi)復(fù)合軌道板每一時(shí)刻溫度梯度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。負(fù)溫度梯度主要集中在0.02～0.2℃/cm，占全部負(fù)溫度梯度的97.5%;正溫度梯度主要集中在0.02～0.5℃/cm，占全部正溫度梯度的94%。相對于負(fù)溫度梯度，正溫度梯度的分布更為離散。

復(fù)合軌道板日最大溫度梯度統(tǒng)計(jì)表明，超過規(guī)范值的天數(shù)為95 d，約占全年天數(shù)的26%;復(fù)合軌道板每一時(shí)刻溫度梯度統(tǒng)計(jì)表明，超過規(guī)范值的頻次占14.7%。因此，設(shè)計(jì)高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道復(fù)合軌道板時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)氣候條件適當(dāng)修正溫度梯度的取值。

圖4 復(fù)合軌道板日最大正溫度梯度和日最大負(fù)溫度梯度出現(xiàn)時(shí)間分布

2.3 溫度豎向分布規(guī)律

晴天時(shí)，復(fù)合軌道板不同深度處的溫度分布情況如圖7所示。由圖可知，復(fù)合軌道板正、負(fù)溫度梯度均呈非線性分布，不同時(shí)刻非線性分布的程度有一定差異，10:00～12:00非線性分布特性更為顯著。隨著距復(fù)合軌道板表面距離的增加，溫度變化逐漸趨緩，受氣溫及太陽輻射等氣象因素的影響變小。豎向溫度的非線性分布可抵消板底部分拉應(yīng)力［9］，在設(shè)計(jì)復(fù)合軌道板時(shí)應(yīng)修正溫度梯度非線性分布引起的應(yīng)力。

圖5 復(fù)合軌道板日最大溫度梯度和日最小溫度梯度分布

圖6 復(fù)合軌道板每一時(shí)刻溫度梯度分布

圖7 復(fù)合軌道板不同深度處的溫度分布

3 復(fù)合軌道板溫度梯度與太陽輻射、氣溫的關(guān)系

謝國忠［10］等人研究表明，影響水泥混凝土路面最大溫度梯度值的氣象因素主要為太陽輻射、氣溫和風(fēng)速。風(fēng)速受局部環(huán)境諸多因素的影響，波動較大，在回歸分析時(shí)通常采用常數(shù)風(fēng)速來代表，回歸公式中該因素可不列入。本文基于當(dāng)?shù)厝仗栞椛淇偭縌、日最高氣溫Tmax與復(fù)合軌道板日最大正溫度梯度Tg進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如表1所示。

表1 日最大溫度梯度回歸結(jié)果

由表1可知，日最大正溫度梯度與日太陽輻射總量相關(guān)性較好，與日最高氣溫相關(guān)性不明顯，綜合日太陽輻射總量、日最高氣溫兩個(gè)氣象因素獲得的回歸方程如下式所示，與文獻(xiàn)［10］中回歸方程比較接近。可采用本文的回歸方程推測不同地區(qū)復(fù)合軌道板的日最大正溫度梯度。

4 結(jié)論與建議

本文根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道復(fù)合軌道板溫度梯度變化規(guī)律及其與太陽日輻射總量、日最高氣溫等環(huán)境因素的相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到以下主要結(jié)論及建議:

1)復(fù)合軌道板最大正溫度梯度為0.69℃/cm，出現(xiàn)在晴天;最大負(fù)溫度梯度為0.35℃/cm，出現(xiàn)在雨天。

2)復(fù)合軌道板一天內(nèi)出現(xiàn)一次最大正溫度梯度和一次最大負(fù)溫度梯度，兩次零溫度梯度。晴天時(shí)，正、負(fù)溫度梯度所占時(shí)段基本上各12 h;日最大正溫度梯度一般出現(xiàn)在14:00～15:00，日最大負(fù)溫度梯度一般出現(xiàn)在5:00～8:00。

3)復(fù)合軌道板春夏季產(chǎn)生的日最大正溫度梯度及日最大負(fù)溫度梯度較其他季節(jié)大，且日最大正溫度梯度較其他季節(jié)大的趨勢更顯著。負(fù)溫度梯度主要集中在0.02～0.2℃/cm，正溫度梯度主要集中在0.02～0.5℃/cm。

4)由于溫度梯度幅值對軌道板翹曲應(yīng)力影響顯著，高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道復(fù)合軌道板設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用本文回歸方程適當(dāng)修正不同地區(qū)復(fù)合軌道板溫度梯度的取值，并依據(jù)溫度梯度非線性分布引起的內(nèi)應(yīng)力修正溫度應(yīng)力。

5)為使本文獲得的相關(guān)結(jié)論納入設(shè)計(jì)規(guī)范，應(yīng)開展不同地區(qū)復(fù)合軌道板溫度場的監(jiān)測，進(jìn)一步驗(yàn)證其合理性。

［1］王繼軍，尤瑞林，王夢，等．單元板式無砟軌道結(jié)構(gòu)軌道板溫度翹曲變形研究［J］．中國鐵道科學(xué)，2010，31(3):9-14．

［2］劉鈺，陳攀，趙國堂．CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)早期溫度場特征研究［J］．中國鐵道科學(xué)，2014，35(1):1-6．

［3］陳伯靖，秦超紅，周建，等．大單元雙塊式無砟軌道溫度特性分析［J］．鐵道建筑，2013(2):88-91．

［4］王繼軍．溫度與列車荷載作用下高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)受力特性研究［D］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2013．

［5］黃林．CRTSⅢ型板式軌道翹曲變形及層間連接試驗(yàn)研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2014．

［6］劉鈺，趙國堂．CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)層間早期離縫研究［J］．中國鐵道科學(xué)，2013，34(4):1-7．

［7］中華人民共和國鐵道部．TB 10020—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］北京:中國鐵道出版社，2009．

［8］坪川將丈，水上純一，斎藤泰．空港コンクリート舗裝の版上下面溫度差頻度分布に関する考察［C］//第65回年次學(xué)術(shù)講演會講演概要集．北海道札幌市:(社)土木學(xué)會，2010．

［9］嚴(yán)作人．剛性路面中非線性溫度分布產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力分析［J］．華東公路，1985(1):32-38．

［10］謝國忠，袁宏，姚祖康．水泥混凝土路面最大溫度梯度值［J］．華東公路，1982(6):9-20．

Experimental study on temperature gradient for CRTSⅢslab-type ballastless track on high speed railway

LIU Weibin1，WANG Jijun1，YANG Quanliang2，WANG Meng1，ZHAO Yong1
(1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Economic and Planning Research Institute of MOR，Beijing 100038，China)

According to the field monitoring data，the composite track plate temperature gradient variation of high speed railway CRT SⅢslab-type ballastless track and correlation among such environmental factors as temperature gradient，daily solar radiation intensity and the daily maximum temperature were analyzed．T he research results showed that the maximum positive and negative temperature gradient of composite track slab are 0.69℃/cm and 0.35℃/cm respectively，daily maximum positive temperature gradient appears in 14:00～15:00，daily maximum negative temperature gradient generally appears in 5:00～8:00，temperature gradient amplitude in spring is larger than the one in other seasons，the positive and negative temperature gradient of composite track slab shows a nonlinear distribution which is obvious in 10:00～12:00，the relevance among daily maximum positive temperature gradient，daily total solar radiation and daily maximum temperature is good．According to the regression equation presented in this paper，the daily maximum positive temperature gradients of composite track plate in different regions could be deduced．

Ballastless track;Composite track plate;T emperature gradient;Variation

U213．2+44

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．29

1003-1995(2015)03-0103-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-12-10;

2015-01-20

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G008-A-4，2013G003-A-2)

劉偉斌(1981—)，男，河北靈壽人，助理研究員。