潘勛 周小勇 陳鷹 倪林

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074；2.中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江湖州 313000）

我國高速鐵路無砟軌道主要采用混凝土結(jié)構(gòu)。CRTSⅢ型無砟軌道由我國自主設(shè)計(jì)，被應(yīng)用于多條鐵路線路［1］。其軌道結(jié)構(gòu)包括CHN60型鋼軌、WJ-8扣件系統(tǒng)、CRTSⅢ型預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土層、中間隔離層及混凝土底座板，如圖1所示。

圖1 CRTSⅢ型無砟軌道結(jié)構(gòu)

由于混凝土材料導(dǎo)熱性能較差，內(nèi)部溫度受太陽輻射、氣溫、熱對流等外界因素影響較大，軌道結(jié)構(gòu)易形成白天“上熱下冷”（正溫度梯度）、夜間“上冷下熱”（負(fù)溫度梯度）的情況，導(dǎo)致軌道板發(fā)生翹曲變形，影響軌道行車安全及結(jié)構(gòu)耐久性［2］。國內(nèi)外學(xué)者針對無砟軌道溫度作用開展了大量研究。王森榮等［3］對CRTSⅠ型普通軌道板和框架型軌道板進(jìn)行全天測量并分析了溫度翹曲應(yīng)力；劉學(xué)毅［4］研究了國內(nèi)外溫度翹曲應(yīng)力計(jì)算理論與方法；劉鈺等［5］認(rèn)為板面溫度對溫度梯度起控制作用，提出了減少CRTSⅡ型無砟軌道結(jié)構(gòu)層間早期離縫的有效措施；歐祖敏等［6］基于熱工學(xué)原理，利用氣象數(shù)據(jù)得到無砟軌道結(jié)構(gòu)豎向溫度場分布的計(jì)算模型；劉偉斌等［7］在CRTSⅢ型板式無砟軌道試驗(yàn)段開展溫度場長期監(jiān)測試驗(yàn)，研究溫度梯度變化規(guī)律；李佳雨等［8］采用貝葉斯理論建立夏季無砟軌道溫度梯度預(yù)測模型。

既往研究針對CRTSⅢ型無砟軌道內(nèi)部溫度場特性的內(nèi)容相對較少。根據(jù)現(xiàn)有的維修檢查結(jié)果［9］，溫度應(yīng)力會導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)開裂，溫度變形會導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)各層之間形成離縫。我國幅員遼闊，不同地區(qū)氣候差異大，因此研究不同地區(qū)CRTSⅢ型無砟軌道溫度場分布特點(diǎn)具有重要意義。

本文在昌贛客運(yùn)專線線外預(yù)制場地布設(shè)無砟軌道溫度場自動監(jiān)測系統(tǒng)，研究CRTSⅢ型無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度分布規(guī)律。

1 溫度場監(jiān)測試驗(yàn)

圖2 CRTSⅢ型無砟軌道溫度場監(jiān)測現(xiàn)場

為了長期監(jiān)測軌道板溫度場，在昌贛客運(yùn)專線泰和段線外制作CRTSⅢ型無砟軌道1∶1 足尺模型并安裝溫度自動檢測系統(tǒng)，見圖2。模型中CRTSⅢ型預(yù)制軌道板（簡稱軌道板）尺寸為5 600 mm×2 500 mm ×200 mm，自密實(shí)混凝土現(xiàn)澆層為5 600 mm×2 500 mm×90 mm，底座板為5 600 mm×2 900 mm×200 mm。整個結(jié)構(gòu)呈南北走向。監(jiān)測時間從2018 年10 月開始，監(jiān)測頻率為30 min/次。

由于試驗(yàn)現(xiàn)場的CRTSⅢ型無砟軌道為單元板，考慮日照位置對板端、板角、板中和板側(cè)溫度的影響，在各部位均布置溫度測點(diǎn)，共7個，如圖3（a）所示。無砟軌道結(jié)構(gòu)在豎向的溫度分布是非線性的，在底座板內(nèi)分布比較均勻，溫度變化較小［10］。考慮層間可能出現(xiàn)溫度變化，在每個測點(diǎn)豎向布置6個溫度傳感器，分別位于軌道板的頂面、中部、底面，自密實(shí)混凝土層的頂面、底面，底座板中部，如圖3（b）所示。

圖3 CRTSⅢ型無砟軌道模型溫度傳感器布置（單位：mm）

2 軌道結(jié)構(gòu)晴天溫度規(guī)律

2.1 溫度日變化規(guī)律

選取2019 年1 月的典型數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度日變化規(guī)律分析。由于軌道結(jié)構(gòu)受大氣溫度、太陽輻射、空氣對流換熱等影響，同時考慮四周測點(diǎn)受日照位置影響較大，因此選取位于軌道結(jié)構(gòu)中間的5#測點(diǎn)在晴天（22，23，26，27，28 日）時的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其溫度日變化規(guī)律見圖4。

由圖4可知：①軌道板、自密實(shí)混凝土層和底座板的溫度變化規(guī)律基本一致，均以日為單位周期性變化。②受日照影響，白天軌道板頂面溫度高于底面溫度，為正溫度梯度；夜間由于軌道板表面散熱快而內(nèi)部降溫慢，呈負(fù)溫度梯度。③軌道板頂面和底面的最高溫度分別出現(xiàn)在15：00和17：00，自密實(shí)混凝土層和底座板的溫度在夜間陸續(xù)達(dá)到峰值，表明受混凝土導(dǎo)熱性的影響，軌道結(jié)構(gòu)的溫度變化沿豎向有明顯的滯后性。④對比各層結(jié)構(gòu)的日溫度變化幅度，軌道板頂面最大溫差為6.1℃（1月28日），同日自密實(shí)混凝土層最大溫差僅2.9℃。自軌道板表面沿豎向向下，溫度變化幅度逐漸減小。

圖4 軌道結(jié)構(gòu)晴天溫度日變化曲線

2.2 溫度豎向分布規(guī)律

為研究無砟軌道溫度豎向分布規(guī)律，選取5#測點(diǎn)在日溫差最大的1 月28 日的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其不同時刻溫度豎向分布見圖5。

圖5 1月28日5#測點(diǎn)不同時刻溫度豎向分布

由圖5 可知：①軌道結(jié)構(gòu)溫度沿豎向呈非線性變化，隨著深度增加，溫度變化斜率逐漸減小。②各結(jié)構(gòu)層接觸位置溫度梯度有所突變，可近似按分段線性考慮軌道結(jié)構(gòu)溫度梯度變化。③在全天各時刻，軌道板和自密實(shí)混凝土層的溫度梯度變化較大，其中00：00，08：00，20：00，24：00 的軌道結(jié)構(gòu)溫度為負(fù)溫度梯度，12：00，15：00，17：00 為正溫度梯度。最大正、負(fù)溫度梯度分別出現(xiàn)在15：00和08：00，與軌道板頂面最高、最低溫度出現(xiàn)時間基本一致。而底座板溫度梯度幾乎不變，全天呈正溫度梯度狀態(tài)，表明底座板內(nèi)溫度分布受外界環(huán)境影響較小。

2.3 溫度橫向分布規(guī)律

無砟軌道與太陽相對位置不斷變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)邊在一天內(nèi)可能處于陰面或陽面，影響橫向溫度變化。為研究軌道結(jié)構(gòu)橫向溫度分布規(guī)律，選取4#—6#測點(diǎn)在1 月28 日的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其不同時刻軌道板頂面溫度橫向分布見圖6，15：00時不同軌道結(jié)構(gòu)層溫度橫向分布見圖7。

圖6 不同時刻軌道板頂面溫度橫向分布

圖7 15：00時不同軌道結(jié)構(gòu)層溫度橫向分布

從圖6 可知，①4#和6#測點(diǎn)（軌道板左右兩端）溫度高于5#測點(diǎn)（軌道板中間）溫度，橫向溫度呈現(xiàn)兩邊大中間小的規(guī)律。這是由于軌道板在白天受太陽輻射影響的較大，頂面和側(cè)面均與外界進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致側(cè)邊溫度變化比中間位置劇烈。②軌道結(jié)構(gòu)溫度沿橫向呈非對稱分布。上午4#測點(diǎn)溫度高于6#測點(diǎn)，而下午4#測點(diǎn)溫度低于6#測點(diǎn)，2 測點(diǎn)最大溫差為0.5 ℃。這是由于軌道結(jié)構(gòu)表面吸收太陽輻射熱量受太陽與軌道結(jié)構(gòu)相對位置影響較大，上午東端的4#測點(diǎn)位于陽面，西端的6#測點(diǎn)位于陰面，下午則恰恰相反。

從圖7 可知，各結(jié)構(gòu)層的測點(diǎn)橫向溫差隨深度增加而逐漸減少，其中軌道板頂面橫向溫差最大，為0.7 ℃。

雖然冬季軌道結(jié)構(gòu)溫度變化不明顯，但從總體規(guī)律可以看出CRTSⅢ型軌道豎向溫度梯度大于橫向溫度梯度，對結(jié)構(gòu)溫度影響起主導(dǎo)作用。

3 不同天氣下溫度規(guī)律

太陽輻射強(qiáng)度是影響無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化的主要因素［11］。無云晴天的太陽輻射最強(qiáng)，而陰雨天太陽輻射較弱，內(nèi)部溫度變化小。選取2019 年1 月1 日（雨天）、1 月17 日（陰天）、1 月28 日（晴天）下午15：00 時5#測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，分析不同天氣下溫度變化規(guī)律，見圖8。

圖8 不同天氣下軌道結(jié)構(gòu)豎向溫度分布曲線

從圖8可知，晴天軌道結(jié)構(gòu)豎向溫度梯度較大，最大溫差9.9 ℃；陰雨天溫度隨深度變化不明顯，甚至出現(xiàn)軌道板頂面溫度低于底座板溫度的情況。這是由于陰雨天太陽輻射較弱，外界氣溫成為影響軌道結(jié)構(gòu)溫度梯度的主要因素，而陰雨天時氣溫低于軌道結(jié)構(gòu)底部的溫度，出現(xiàn)負(fù)溫度梯度。

4 豎向溫度梯度預(yù)估模型

通常情況下溫度現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測周期為1～2 年，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理得到的最大溫度梯度值適用性有限，僅可用于研究區(qū)域的溫度效應(yīng)分析，無法適用于氣候條件不同的地區(qū)，因此根據(jù)實(shí)測無砟軌道溫度數(shù)據(jù)并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)建立豎向溫度梯度預(yù)估模型更具有實(shí)用性。

考慮日氣溫差和太陽輻射總量影響，謝國忠等［12］建立了溫度梯度二元回歸模型并用于水泥混凝土路面溫度梯度預(yù)測。而賀曉東［13］認(rèn)為綜合考慮太陽輻射總量和日氣溫差2個因素的二元公式得到的最大溫度梯度結(jié)果很不穩(wěn)定，且日氣溫差受太陽輻射影響較大。劉偉斌［7］采用日最高氣溫和太陽輻射總量推測了復(fù)合板日最大溫度梯度，但日最大溫度梯度與日最高氣溫的決定系數(shù)只有0.56。因此，本文僅考慮日輻射總量因素的影響，建立日最大溫度梯度預(yù)估模型。

根據(jù)當(dāng)?shù)厝仗栞椛淇偭康臍庀筚Y料，計(jì)算冬季（2018年11月～2019年1月）每天的最大溫度梯度值并降序排列，進(jìn)行一元回歸分析。由于軌道板與自密實(shí)混凝土層結(jié)合成復(fù)合板，在其范圍內(nèi)豎向溫度受外界環(huán)境影響較大，故選取復(fù)合板溫度梯度進(jìn)行回歸分析。其冬季日最大正溫度梯度ΔT為

式中：Q為日輻射總量；R2為決定系數(shù)。

5 結(jié)論

本文在昌贛客運(yùn)專線線外建立了CRTSⅢ型無砟軌道溫度場監(jiān)測實(shí)尺模型，分析冬季無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度分布規(guī)律并提出了豎向溫度梯度預(yù)估模型。結(jié)論如下：

1）軌道結(jié)構(gòu)日溫度隨氣溫周期性變化，最大正溫差出現(xiàn)在15：00，最小負(fù)溫差出現(xiàn)在8：00；由于混凝土導(dǎo)熱性能差，軌道結(jié)構(gòu)的溫度變化沿豎向有明顯的滯后性。

2）軌道結(jié)構(gòu)溫度沿豎向呈非線性變化，隨著深度增加，溫度變化斜率逐漸減?。卉壍澜Y(jié)構(gòu)橫向溫度分布受太陽與軌道結(jié)構(gòu)相對位置影響較大，呈現(xiàn)兩邊大中間小的規(guī)律；軌道結(jié)構(gòu)豎向溫度梯度大于橫向溫度梯度，對結(jié)構(gòu)溫度影響起主導(dǎo)作用。

3）軌道結(jié)構(gòu)在晴天溫度梯度較大，陰雨天較小，受外界氣溫影響甚至出現(xiàn)負(fù)溫度梯度。

4）對CRTSⅢ型無砟軌道復(fù)合板結(jié)構(gòu)溫度梯度與日輻射總量進(jìn)行一元回歸分析，建立冬季豎向溫度梯度預(yù)估模型，為進(jìn)一步研究不同氣候條件下CRTSⅢ型無砟軌道的溫度梯度提供了參考。