趙磊，周凌宇，張營(yíng)營(yíng)，袁亞慧，鄒蒞凡，余志武, 2

高溫季節(jié)橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道溫度分布試驗(yàn)研究

趙磊1，周凌宇1，張營(yíng)營(yíng)1，袁亞慧1，鄒蒞凡1，余志武1, 2

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2. 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

為研究高溫季節(jié)高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的溫度分布規(guī)律，制作CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道－預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁1: 4縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過(guò)開(kāi)展夏季典型高溫天氣的溫度試驗(yàn)，分析高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度分布變化規(guī)律，研究無(wú)砟軌道橫、豎向溫度分布型式。結(jié)果表明：在非陽(yáng)光直射條件下，高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道豎向溫度分布、溫差分布和溫度梯度分布均呈“S”形非線性分布，且呈周期性變化；軌道板與CA砂漿層間豎向溫度梯度為正溫度梯度，最不利豎向負(fù)溫度梯度發(fā)生于CA砂漿層與底座板層間；CA砂漿內(nèi)部豎向溫度梯度最顯著，最大值為27.0 ℃/m；無(wú)砟軌道橫向溫度分布呈拋物線型，三維溫度分布呈馬鞍形曲面。

高速鐵路橋；CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道；高溫天氣；模型試驗(yàn)；溫度分布

溫度變化是無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生離縫、不平順[1?3]等病害的最主要因素之一，溫度分布對(duì)無(wú)砟軌道的溫度作用效應(yīng)影響巨大[4?5]。近年來(lái)對(duì)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)分布的研究日漸增多[6?7]，但大部分研究主要針對(duì)路基上的無(wú)砟軌道[8?9]，且研究方法主要為基于有限元的數(shù)值分析法和基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的統(tǒng)計(jì)分析法。劉付山等[10]利用有限元建立路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道數(shù)值模型，研究了溫度隨時(shí)間變化以及太陽(yáng)輻射等因素對(duì)軌道板溫度分布的影響；閆斌等[11]建立了無(wú)砟軌道溫度分析有限元模型，研究了CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的豎向溫度分布；由于模型缺少確切的水泥乳化瀝青砂漿熱力學(xué)參數(shù)，數(shù)值模擬研究存在較大缺陷。戴公連等[12]基于溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，探索了CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道在路線超高段的橫、豎向溫度變化特征，但由于溫度傳感器數(shù)量布置不足，因此對(duì)橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的三維溫度分布研究仍然存在不足。此外，高亮等[13]也利用有限元模型分析了溫度梯度、整體溫度及極端溫度作用下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的受力變形規(guī)律。綜述而言，現(xiàn)有關(guān)于無(wú)砟軌道溫度分布的研究手段仍然以有限元分析為主，缺乏更進(jìn)一步的模型試驗(yàn)研究，有關(guān)水泥乳化瀝青砂漿和箱梁對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道溫度分布帶來(lái)的巨大影響仍沒(méi)有引起足夠的重視。同時(shí)，目前無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)分布的試驗(yàn)研究較少，且均為針對(duì)太陽(yáng)照射于無(wú)砟軌道表面的非均勻受熱狀態(tài)的溫度場(chǎng)[6, 12]，涉及多云天氣全路段、高鐵場(chǎng)站、公鐵兩用橋上等非陽(yáng)光直射條件下的無(wú)砟軌道溫度分布規(guī)律研究則沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。一般情況下，陽(yáng)光直射條件下的無(wú)砟軌道溫度梯度的變化主要由太陽(yáng)照射直接引起，此時(shí)軌道板上表面溫度高，底座板下表面溫度低，豎向溫度差最大，豎向溫度梯度對(duì)結(jié)構(gòu)性能起主導(dǎo)作用。而在非陽(yáng)光直射條件下，無(wú)砟軌道溫度變化主要通過(guò)大氣進(jìn)行熱傳導(dǎo)，此時(shí)豎向、橫向溫差及對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響尚待深入研究?；诖耍疚慕⒏咚勹F路CRTSⅡ型縱連板式無(wú)砟軌道?橋梁結(jié)構(gòu)體系1:4縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用密集布置的新型溫度傳感元件和溫控系統(tǒng)開(kāi)展夏季極端高溫天氣高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的溫度分布試驗(yàn)研究，為我國(guó)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)作用效應(yīng)研究和設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型選取與制作

本文選取我國(guó)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道+32 m型通用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁(雙線)為原型結(jié)構(gòu)，根據(jù)形狀相似原則設(shè)計(jì)制作1:4縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀？s尺模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ退没炷良癈A砂漿等材料均與原型梁保持一致，滿足線膨脹系數(shù)和彈性模量的相似常數(shù)為1，模型與原型結(jié)構(gòu)的約束條件保持一致，滿足邊界條件的相似性，在自重等作用下，模型與原型結(jié)構(gòu)跨中上、下邊緣處混凝土的應(yīng)力相等，滿足應(yīng)力相似常數(shù)為1，具體物理量相似關(guān)系如表1所示。

考慮到CA砂漿的施工灌注及傳感器布設(shè)(需在CA砂漿內(nèi)布置3層傳感器)，CA砂漿層厚度制作保持與原型結(jié)構(gòu)相同(30 mm)；縮尺模型截面如圖2。

表1 物理量相似關(guān)系

單位：mm

單位：mm

1.2 主要材料參數(shù)

箱梁和軌道板的混凝土為C50，底座板為C30。CA砂漿材料實(shí)測(cè)強(qiáng)度及彈性模量等滿足要求，配合比如表2所示。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

在橋梁支座和跨中的無(wú)砟軌道截面均分別密集地預(yù)埋了3列7層共21枚JMT-36B型高精度半導(dǎo)體溫度傳感器，如圖3所示。

表2 CA砂漿配合比

單位：mm

為了確保模型制作過(guò)程中各傳感位置的精確固定，經(jīng)過(guò)定位測(cè)量后，將溫度傳感器與無(wú)砟軌道中分布鋼筋進(jìn)行定位綁扎，確保傳感器位置固定。圖3層間溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可同時(shí)代表上、下兩層結(jié)構(gòu)接觸面的溫度；溫度采集設(shè)備為JMZX-3001型綜合測(cè)試儀，精度±0.1 ℃。

1.4 測(cè)試方案

我國(guó)鐵路規(guī)范[14]給出了全國(guó)夏季七月份平均氣溫圖，數(shù)據(jù)顯示中南地區(qū)平均氣溫達(dá)28 ℃，是我國(guó)平均氣溫最高的幾個(gè)區(qū)域之一，因此，選擇夏季典型的高溫天氣，在我國(guó)中南地區(qū)開(kāi)展溫度試驗(yàn)可獲取該地區(qū)高溫季節(jié)最不利溫度作用效應(yīng)。

試驗(yàn)選擇在長(zhǎng)沙市，在天氣晴朗且連續(xù)數(shù)日氣溫保持年度極高溫度38 ℃的時(shí)間段，以代表我國(guó)中南地區(qū)典型高溫時(shí)段。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通風(fēng)良好，可準(zhǔn)確地模擬夏季極高溫度狀態(tài)下高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道外部均勻受熱狀態(tài)的溫度分布。試驗(yàn)連續(xù)開(kāi)展24 h(09:00至次日09:00)，每半小時(shí)測(cè)試1次溫度結(jié)果。

2 豎向溫度分布及規(guī)律

2.1 溫度變化曲線

試驗(yàn)當(dāng)日天氣晴朗，通風(fēng)良好，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度均勻；15:30時(shí)室外氣溫達(dá)到最高值38.0 ℃，地表溫度達(dá)到最大值44.5 ℃。由于室內(nèi)環(huán)境避免了太陽(yáng)光直接照射，結(jié)構(gòu)表面受熱均勻，屬于均勻溫度場(chǎng)，因此試驗(yàn)測(cè)得的無(wú)砟軌道在橋梁支座和跨中截面的溫度數(shù)據(jù)基本一致，故本文僅列出跨中截面測(cè)試結(jié)果，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁控Q向溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)溫度?時(shí)間曲線

圖4顯示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭車(chē)h(huán)境氣溫在32.6℃～36.2 ℃之間大致呈正弦曲線式周期性變化。無(wú)砟軌道各結(jié)構(gòu)層內(nèi)的溫度變化趨勢(shì)總體上保持一致，均隨環(huán)境氣溫大致呈正弦曲線式周期型變化，但結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度明顯滯后于環(huán)境氣溫。軌道板上表面最高溫度達(dá)到37.5 ℃，并始終高于其它結(jié)構(gòu)層溫度和環(huán)境氣溫。無(wú)砟軌道各層溫度從上到下大致呈遞減趨勢(shì)；底座板中部溫度僅次于軌道板頂面溫度且大部分時(shí)間均高于其他層溫度，高溫作用效應(yīng)顯著。

2.2 豎向溫度梯度變化規(guī)律

分析和比較本文無(wú)砟軌道各結(jié)構(gòu)層內(nèi)的溫度梯度，如圖5(a)。結(jié)果表明：各結(jié)構(gòu)層內(nèi)部溫度梯度呈周期性變化且均為正(規(guī)范[15]規(guī)定上熱下冷為正，反之為負(fù))?？s尺模型中豎向溫度梯度在軌道板內(nèi)最大值為19.5 ℃/m，在CA砂漿內(nèi)最大值為27.0 ℃/m，在底座板內(nèi)較小且變化不明顯，說(shuō)明CA砂漿的豎向溫度梯度最大且變化最顯著，因此縮尺模型中CA砂漿層受豎向溫度梯度作用影響最大。

將軌道板與CA砂漿層間、CA砂漿層與底座板層間中部溫度梯度變化曲線繪出如圖5(b)所示。結(jié)果表明：試驗(yàn)全過(guò)程軌道板與CA砂漿層間為正溫度梯度，最小為10.0 ℃/m，最大為22.5 ℃/m；CA砂漿層與底座板間均為負(fù)溫度梯度，最小為?15.0 ℃/m，最大為?25.0 ℃/m。最不利豎向正溫度梯度發(fā)生于軌道板與CA砂漿層間，而最不利豎向負(fù)溫度梯度發(fā)生于CA砂漿層與底座板層間。根據(jù)物體熱脹冷縮原理分析可以推測(cè)軌道板與CA砂漿層間容易產(chǎn)生中部上拱、離縫，而CA砂漿層與底座板層間容易產(chǎn)生邊緣剝離、翹曲。

2.3 豎向溫度分布

將試驗(yàn)全過(guò)程豎向溫度分布繪制如圖6所示。

由圖6可知，不同時(shí)刻，無(wú)砟軌道豎向溫度分布呈“S”形，且各層內(nèi)局部豎向溫度分布均具有非線性特征；在10:00前后各層溫度值最小，20:00～00:00時(shí)各層溫度值則較高。圖中CA砂漿內(nèi)曲線平緩，溫度低于軌道板和底座板中部溫度，表明CA砂漿熱交換效率明顯低于采用混凝土材料的軌道板和底座板，因此CA砂漿層具有溫度傳遞阻滯效應(yīng)(相對(duì)于軌道板和底座板)，并對(duì)底座板形成了保溫作用。

圖6 豎向溫度分布曲線

將本文溫度最高時(shí)刻(20:00)的豎向溫度分布曲線同文獻(xiàn)[11]進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 豎向溫度分布對(duì)比圖

圖7表明：本文的溫度分布為“S”形，不同于文獻(xiàn)[11]的分布形式。主要原因一方面為文獻(xiàn)[11]的有限元數(shù)值模型缺少CA砂漿熱力學(xué)參數(shù)，未考慮CA砂漿層對(duì)豎向溫度分布的影響；另一方面，本文為室內(nèi)均勻溫度環(huán)境，溫度變化范圍也相應(yīng)地小于文獻(xiàn)[11]采用的室外環(huán)境。此外，CA砂漿與混凝土熱傳導(dǎo)性能的較大差異也是本文“S”形豎向溫度分布的重要原因，這一差異也是我國(guó)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道溫度分布及離縫病害程度等與其他類型無(wú)砟軌道不同的主要原因。實(shí)際工程應(yīng)用中，受CA砂漿層溫度傳遞阻滯效應(yīng)的影響，含CA砂漿層的無(wú)砟軌道非常容易出現(xiàn)層間離縫，因此，在無(wú)砟軌道溫度效應(yīng)設(shè)計(jì)和研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注CA砂漿層；同時(shí)為了使溫度荷載下各層材料協(xié)調(diào)變形，在今后的無(wú)砟軌道發(fā)展中宜使各層材料的熱傳導(dǎo)性能盡可能一致。

2.4 豎向溫差分布

將試驗(yàn)全過(guò)程不同時(shí)刻無(wú)砟軌道豎向溫差和溫度梯度分布繪制如圖8所示。圖8(a)顯示：無(wú)砟軌道豎向溫差分布呈“S”形；CA砂漿層曲線平緩，溫差變化顯著，進(jìn)一步表明CA砂漿層具有溫度傳遞阻滯效應(yīng)，使無(wú)砟軌道豎向溫差分布進(jìn)一步復(fù)雜化。

(a) 豎向溫差分布；(b) 豎向溫度梯度分布

圖8(b)可知：結(jié)構(gòu)的豎向溫度梯度分布仍為“S”形；最大梯度值為28.0 ℃/m，發(fā)生于06:00；CA砂漿內(nèi)溫度梯度變化顯著，表明CA砂漿層受溫度梯度作用非常顯著。

將本文溫度最高時(shí)刻(20:00)的豎向溫差分布曲線同文獻(xiàn)[6]CRTSⅠ型無(wú)砟軌道及文獻(xiàn)[12] CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的豎向溫差分布曲線作對(duì)比分析，如圖9所示。

圖9 豎向溫差分布對(duì)比圖

圖9給出了文獻(xiàn)[6]最大溫差11.5 ℃，文獻(xiàn)[12]最大溫差10.5 ℃，本文最大溫差1.9 ℃。圖9中兩參考文獻(xiàn)給出的溫差分布曲線較為接近，表明在室外條件下，CRTSII型無(wú)砟軌道與CRTSⅠ型無(wú)砟軌道豎向溫差分布型式近似。本文得到的溫差分布為“S”形，與文獻(xiàn)[12]不同，主要原因一方面為文獻(xiàn)[12]研究條件為現(xiàn)場(chǎng)太陽(yáng)直射的室外環(huán)境，地表溫度和溫差大，而本文研究條件為室內(nèi)環(huán)境，溫度和溫差變化范圍也相應(yīng)較??；另一方面，文獻(xiàn)[12]的研究對(duì)象為超高段無(wú)砟軌道，測(cè)點(diǎn)布置不均勻，且未在CA砂漿層布置溫度測(cè)點(diǎn)，忽略了CA砂漿層的影響，而本文測(cè)點(diǎn)布置充分考慮了CA砂漿層的影響，因此溫差分布呈完整和均勻的“S”形曲線。此外，由于本文無(wú)砟軌道設(shè)置于橋上，研究結(jié)果與現(xiàn)有路基上無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)文獻(xiàn)[8?9]結(jié)果略有不同，因此箱梁對(duì)無(wú)砟軌道底部的溫度補(bǔ)償作用也可能是產(chǎn)生這一結(jié)果的另一個(gè)因素。

3 橫向溫度分布及規(guī)律

3.1 橫向溫度分布

將試驗(yàn)中無(wú)砟軌道溫度最高時(shí)刻(20:00)的橫向溫度分布和等溫線繪出如圖10所示。由于模型未受太陽(yáng)直射，因此無(wú)砟軌道表面均勻受熱，結(jié)構(gòu)對(duì)稱部位溫度相同。

圖10(a)結(jié)果表明：無(wú)砟軌道溫度最高時(shí)刻(20:00)，軌道板中間溫度高于邊緣，橫向溫度分布呈凸形拋物線型，最大正溫差0.8 ℃(規(guī)定中間溫度大于邊緣時(shí)溫差為正，反之為負(fù))；CA砂漿的中、下層中間溫度小于邊緣，橫向溫度分布呈凹形拋物線型，最大負(fù)溫差達(dá)?0.5 ℃；底座板中、下層中間溫度高于邊緣，橫向溫度分布呈凸形拋物線型，最大正溫差0.7 ℃。圖10(b)結(jié)果表明：溫度最高時(shí)刻(20:00)，無(wú)砟軌道橫向具有2個(gè)高溫核心，一個(gè)位于軌道板上表面中間，一個(gè)位于底座板的中間部位；軌道板和CA砂漿等溫線總體呈凹形，底座板等溫線呈凸形，此時(shí)軌道板和底座板中間溫度略高于邊緣，熱量蓄積在底座板中部，因受CA砂漿的覆蓋保溫而難以消散，進(jìn)一步表明CA砂漿具有隔熱保溫效應(yīng)，阻隔上下層熱量交換。

綜上分析得到：由于CA砂漿的隔熱和保溫性能，溫度在CA砂漿層傳遞受阻，熱量難以在該層橫、豎向傳導(dǎo)，因此氣溫升高時(shí)，結(jié)構(gòu)外部溫度大于內(nèi)部，使橫向溫度呈凹形拋物線分布，而氣溫降低時(shí)，已經(jīng)充分吸熱升溫的CA砂漿層內(nèi)部熱量難以向外部傳導(dǎo)，對(duì)軌道板和底座板中部形成持續(xù)供熱和保溫效應(yīng)，從而使無(wú)砟軌道橫截面產(chǎn)生2個(gè)高溫核心，溫度作用效應(yīng)也變得更加復(fù)雜。此外，由于箱梁頂板(底座板下部)溫度始終高于環(huán)境氣溫，故箱梁不但阻隔了底座板中部的熱量向外傳導(dǎo)，而且在氣溫下降的情況下還能向底座板持續(xù)供熱保溫，因此，試驗(yàn)過(guò)程中底座板下部的中間溫度始終高于邊緣。

3.2 橫向溫差及溫度梯度變化規(guī)律

將高速鐵路橋上CRTSII型無(wú)砟軌道橫向溫差及溫度梯度時(shí)變曲線繪制如圖11所示。

圖11(a)表明：無(wú)砟軌道各層橫向溫差總體上呈周期性變化；軌道板受橫向正溫差作用，溫差值自上而下逐漸降低，最大正溫差1.1 ℃；CA砂漿層主要受橫向負(fù)溫差作用，最大負(fù)溫差?0.5 ℃，產(chǎn)生于CA砂漿層中部；底座板主要受橫向正溫差作用，溫差值自上而下逐漸減小，最大正溫差1.1 ℃，產(chǎn)生于底座板中部。

(a) 橫向溫差變化曲線；(b) 橫向溫度梯度變化曲線

圖11(b)結(jié)果表明：無(wú)砟軌道各層橫向溫度梯度變化趨勢(shì)與橫向溫差相同；軌道板主要受橫向正溫度梯度作用，溫度梯度自上而下逐漸減小，最大值為3.5 ℃/m；CA砂漿層主要受橫向負(fù)溫度梯度作用，最大值為?1.7 ℃/m，產(chǎn)生于CA砂漿層中部；底座板主要受橫向正溫度梯度作用，該作用值自上而下逐漸減小，最大為3.7 ℃/m，產(chǎn)生于底座板 中部。

橫向溫差和溫度梯度變化結(jié)果表明：夏季高溫天氣下，無(wú)砟軌道軌道板和底座板主要受橫向正溫度梯度作用，CA砂漿則由于受自身隔熱保溫性能的影響而主要受負(fù)溫度梯度作用，因此無(wú)砟軌道中溫度作用效應(yīng)非常復(fù)雜。上述結(jié)果可見(jiàn)，軌道板與CA砂漿層界面處、CA砂漿與底座板界面處的橫向正、負(fù)溫度梯度反差非常顯著，軌道板與CA砂漿界面、CA砂漿與底座板界面處均具有由橫向溫度梯度效應(yīng)引起層間橫向滑移的趨勢(shì)，因此，CA砂漿對(duì)橫向溫度梯度效應(yīng)的影響不可忽視。

4 三維溫度分布

將無(wú)砟軌道溫度最高時(shí)刻(20:00)為代表時(shí)刻，將無(wú)砟軌道沿橫向?qū)挾?、豎向深度(距頂面距離)和溫度整理為三維分布曲面，如圖12。

圖12 三維溫度分布曲面

圖12將本文橫、豎向溫度分布整合，結(jié)果表明無(wú)砟軌道橫、豎向整體溫度分布呈非常顯著的馬鞍形三維曲面。由于橫、豎向溫差數(shù)值為同一量級(jí)，因此橫向溫度作用效應(yīng)與豎向溫度作用效應(yīng)對(duì)高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道具有同等的作用效應(yīng)。

總體上，CA砂漿因具有比混凝土更顯著的隔熱、保溫性能，對(duì)無(wú)砟軌道各層溫度傳遞產(chǎn)生阻滯效應(yīng)，使無(wú)砟軌道層間橫、豎向溫度作用效應(yīng)進(jìn)一步復(fù)雜化，故CA砂漿是無(wú)砟軌道橫、豎向三維溫度分布呈復(fù)雜的馬鞍形曲面的主要因素；因此為了使溫度荷載下各層材料協(xié)調(diào)變形，以減少服役期間的修復(fù)次數(shù)，防止無(wú)砟軌道出現(xiàn)顯著離縫和翹曲等影響高速列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性的劣化現(xiàn)象，無(wú)砟軌道各層材料的選擇宜使其熱傳導(dǎo)性能盡可能一致。

5 溫度梯度效應(yīng)分析

本文研究對(duì)象為縮尺模型，溫度梯度效應(yīng)與原型結(jié)構(gòu)存在比例關(guān)系，可將縮尺模型溫度梯度研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為實(shí)尺結(jié)構(gòu)的溫度梯度。參考我國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[15]及文獻(xiàn)[7]，溫度梯度可按式(1)計(jì)算：

式中：Δ表示任意兩點(diǎn)間的溫差，℃；為該兩點(diǎn)間的距離，m。

根據(jù)表1物理量相似關(guān)系，原型結(jié)構(gòu)中軌道板及底座板的橫、豎向溫度梯度應(yīng)為縮尺模型的1/4；由于縮尺模型中CA砂漿厚度與原型結(jié)構(gòu)一致(保持原厚度30 mm利于鋪設(shè)傳感器)，因此豎向溫度梯度相同。此外，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腃A砂漿層橫向?qū)挾纫舶?:4進(jìn)行了縮尺，所以原型結(jié)構(gòu)中CA砂漿層的橫向溫度梯度也為縮尺模型的1/4。根據(jù)以上分析并結(jié)合式(1)，可將圖5中縮尺模型的溫度梯度轉(zhuǎn)換為原型結(jié)構(gòu)的溫度梯度，如圖13所示。

根據(jù)圖13結(jié)果，對(duì)比圖5結(jié)果可以得到，原型結(jié)構(gòu)與縮尺模型的豎向溫度梯度變化規(guī)律是一致的，同理可得到橫向溫度梯度變化規(guī)律也是一致的。此外，圖13(a)顯示，在與縮尺模型對(duì)應(yīng)的原型結(jié)構(gòu)中，軌道板層內(nèi)豎向溫度梯度最大值為4.9 ℃/m；底座板內(nèi)最大豎向溫度梯度為3.0 ℃/m；CA砂漿層內(nèi)最大豎向溫度梯度為27.0 ℃/m；結(jié)果表明原型結(jié)構(gòu)中CA砂漿層是豎向溫度梯度作用最顯著的結(jié)構(gòu)層。圖13(b)顯示，在原型結(jié)構(gòu)中，軌道板與CA砂漿層間最大豎向溫度梯度為7.8 ℃/m；CA砂漿層與底座板間最大豎向溫度梯度為?8.7 ℃/m，表明在非陽(yáng)光直射條件下，橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道層間負(fù)溫度梯度作用效應(yīng)比正溫度梯度作用效應(yīng)更為顯著。

(a) 各層內(nèi)溫度梯度；(b) 層間溫度梯度

總體上，本文結(jié)果可為我國(guó)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)作用效應(yīng)的后續(xù)研究提供參考。在開(kāi)展溫度試驗(yàn)研究方面，無(wú)砟軌道?橋梁結(jié)構(gòu)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ统杀镜?，可行性好，能有效地反?yīng)無(wú)砟軌道溫度分布情況；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境類似溫室作用，夏季陽(yáng)光照射實(shí)驗(yàn)室外墻，室內(nèi)升降溫明顯，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通風(fēng)良好的條件下開(kāi)展溫度試驗(yàn)是模擬無(wú)砟軌道24 h整體升降溫的有效辦法，因此可采用縮尺結(jié)構(gòu)模型開(kāi)展相關(guān)的溫度試驗(yàn)研究，并利用后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究進(jìn)行對(duì)比分析。

6 結(jié)論

1) CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道各層溫度從上到下大致呈遞減趨勢(shì)，最大值為37.5 ℃，底座板中部溫度僅次于軌道板頂面溫度且大部分時(shí)間均高于其他層溫度，高溫作用效應(yīng)顯著。

2) 無(wú)砟軌道各結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度呈周期性變化；CA砂漿層內(nèi)最大豎向溫度梯度可達(dá)27.0 ℃/m，是豎向溫度梯度作用最顯著的結(jié)構(gòu)層。

3) 高溫季節(jié)時(shí)，在非陽(yáng)光直射條件下，無(wú)砟軌道最不利豎向正溫度梯度發(fā)生于軌道板與CA砂漿層間，最不利豎向負(fù)溫度梯度發(fā)生于CA砂漿層與底座板層間，相比之下負(fù)溫度梯度作用效應(yīng)更為顯著。

4) 橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道豎向溫度、溫差和溫度梯度呈“S”形分布，橫向溫度分布呈拋物線型，三維分布呈馬鞍形曲面。

5) CA砂漿與混凝土熱傳導(dǎo)性能差異大使得無(wú)砟軌道層間溫度梯度作用顯著，建議無(wú)砟軌道各層材料的選擇宜使其熱傳導(dǎo)性能盡可能一致。

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Experimental study on temperature distribution of CRTSⅡ ballastless track on high-speed railway bridge in summer

ZHAO Lei1, ZHOU Lingyu1, ZHANG Yingying1, YUAN Yahui1, ZOU Lifan1, YU Zhiwu1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory of High Speed Railway Construction Technology, Changsha 410075, China)

To study the temperature distribution of CRTSⅡ ballastless track on high-speed railway (HRB) bridge in summer, a 1:4 scale test model of ballastless track with prestressed concrete simply supported box girder structure was constructed. Through the temperature test under typical high temperature weather in laboratory, the uniform temperature distribution of CRTSII ballastless track structure on high speed railway bridge was analysed, and the distribution of transverse and vertical temperature about the ballastless track was studied. The results show that: Under non-direct sunlight conditions, the temperature difference distribution and temperature gradient distribution of CRTS II ballasted track on high speed railway bridge are all “S” type and change periodically. The vertical temperature gradient between track slab and CA mortar is positive temperature gradient, and the most unfavorable vertical negative temperature gradient occurs between CA mortar and bottom base. The vertical temperature gradient of CA mortar is the most significant part in the track with a maximum value of 27.0 ℃/m.The transverse temperature distribution of CRTSⅡ ballastless track on HRB bridge is parabolic and the three- dimensional temperature distribution is saddle-shaped surface.

high-speed railway bridge; CRTSⅡ ballastless track; hot weather; model test; temperature distribution

U213.244

A

1672 ? 7029(2021)02 ? 0287 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20201000

2020?10?22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578546，U1434204，U1934217)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2020zzts157)；湖南省研究生教育創(chuàng)新工程和專業(yè)能力提升工程項(xiàng)目(CX20200368)

周凌宇(1973?)，男，湖南長(zhǎng)沙人，教授，博士，從事鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)研究；E?mail：zhoulingyu@csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)