太陽輻射對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板表面溫度影響的試驗研究

?

太陽輻射對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板表面溫度影響的試驗研究

萬章博1，楊榮山1，任勃1，王晨2，趙坪銳1

(1.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；

2.江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013)

摘要:無砟軌道是由鋼筋混凝土材料構成的復合結構，受日照和氣溫影響很大。通過試驗測得成都地區試驗場地的氣溫、太陽輻射強度以及CRTS I型雙塊式無砟軌道道床板表面的溫度，分析道床板表面溫度隨太陽輻射強度的變化關系，研究道床板表面放熱系數的取值；分析太陽輻射強度對道床板表面溫度的影響，建立道床板表面溫度極值與氣溫極值、太陽輻射所引起的溫度增量極值以及其他環境因素所引起的溫度變化值之間的關系，并給出相應計算參數的建議值，為無砟軌道道床板內部溫度場分布及無砟軌道溫度應力研究提供試驗基礎。

關鍵詞：太陽輻射；雙塊式無砟軌道；道床板；氣溫；表面溫度

隨著我國高速鐵路的快速發展，無砟軌道得到廣泛應用。與傳統有砟軌道相比，無砟軌道利用整體性更好的混凝土或瀝青材料代替散體道砟，具有更好的保持持久高精度幾何形位的能力。目前，我國高速鐵路上采用的無砟軌道大都采用混凝土制作，包括CRTS I，II和III型板式軌道與CRTS I和II型雙塊式軌道[1-2]。無砟軌道是由鋼筋混凝土材料構成的復合結構物，受溫度的影響較大。無砟軌道在其壽命周期范圍內，除需要承受反復的列車荷載作用外，還承受溫度的交替變化作用。設計時一般將無砟軌道溫度分為溫度升降和溫度梯度2種溫度荷載，分別計算伸縮應力和翹曲應力[3]。無砟軌道設計中必須考慮溫度的影響，某些情況下還成為設計的控制性因素[4]。混凝土結構的溫度受日照和氣溫影響很大，日照升溫所引起的溫度應力是引起混凝土裂縫的原因之一，朱伯芳等[5-6]對水工混凝土的由日照所引起的溫度問題進行了大量研究，得出了許多有價值的結論。Sungchul等[7-8]研究了混凝土路面的路表放熱系數及其影響因素，分析了太陽輻射的影響因素及材料的太陽輻射吸收率。Kyle等[9-11]分析了太陽輻射及日照溫度效應對混凝土橋梁結構、橋墩的影響以及溫度荷載下大跨度橋梁與無砟道岔的相互作用。無砟軌道結構雖然是混凝土結構，但與大壩、公路路面、橋梁等受太陽輻射的外部條件有明顯區別，不能照搬其他領域的研究成果。混凝土軌道板(或道床板)作為無砟軌道的最上層結構，直接受日照和氣溫的影響，為明確太陽輻射強度對無砟軌道結構表面溫度的影響，本文通過對成都地區CRTS I雙塊式無砟軌道試驗場地內道床板表面溫度，太陽輻射強度以及氣溫的測量，建立了太陽輻射強度，氣溫以及道床板表面溫度之間的對應關系，為無砟軌道溫度場的研究提供試驗基礎。

1試驗方案及測點布置

無砟軌道結構溫度變化受太陽輻射和混凝土表面散熱條件的影響很大，道床板處于軌道結構的最上層，也是對太陽輻射最敏感的結構，本文選取CRTS I型雙塊式無砟軌道道床板作為試驗對象。在成都地區試驗場地現場澆筑了1∶1的實體模型，模型中道床板的尺寸為5 500 mm×2 800 mm×250 mm；支承層尺寸為5 500 mm×3 400 mm×300 mm，分別在道床板板面沿線路縱向和橫向布設10個測點，并在相應測點處布設了溫度傳感器，同時道床板內1～7號測點沿垂向方向均布設了3個溫度傳感器。其中測點6和7位于道床板板中處，測點3，4，8和10位于板角處，測點1，2，5和9位于板邊處。溫度傳感器采用穩定性較好的Pt100熱電阻傳感器，測量精度為0.1 ℃，采用自動采集儀進行溫度采集，數據采樣頻率為30 min，測試數據估讀1位，取2位小數。為記錄試驗場地的氣象條件(本文主要記錄氣溫及太陽輻射強度)，在試驗模型左邊安置了PH自動氣象站。試驗測點具體布置及現場試驗模型如圖1～3所示。

圖1　道床板表面溫度測點布置Fig.1 Layout of temperature testing points on the surface of deck slab

圖2　道床板板內溫度測點布置Fig.2 Layout of temperature testing points inside of the deck slab

圖3　現場試驗模型Fig.3 On-site testing model

2道床板溫度隨太陽輻射強度的變化曲線

選取冬季(2014-01)實測的試驗數據進行分析，得到如圖4所示的道床板表面溫度隨太陽輻射強度變化的曲線。其中前者是道床板典型位置(板中、板邊、板角)處表面溫度隨太陽輻射強度變化曲線，后者是取前者中部分天數的溫度及輻射強度變化詳細圖。由圖4可知，道床板表面溫度，大氣溫度及太陽輻射強度呈現出以日為單位的周期性變化，整體上道床板表面的溫度比大氣溫度高，大氣溫度最大值較太陽輻射強度最大值滯后約0.5 h，道床板表面溫度最大值較氣溫最大值滯后約0.5 h。對于道床板而言，由于板角、板邊、板中的邊界條件不同，板角與外部環境有3個接觸面、板邊2個接觸面、板中1個接觸面，因此其與大氣溫度之間的熱交換強度也不同，從而典型位置處的溫度也不同，其中板角處的溫度最大，板邊次之，板中最小，板角處溫度的變化相對板邊、板中大。由于測試時間為冬季(2014-01)，太陽輻射強度均在350 w/m2以內，且成都地區冬季溫度變化相對較緩慢，大氣溫度及道床板表面的溫度變化幅度較小。

圖4　道床板表面溫度隨太陽輻射強度變化曲線Fig.4 Changing curves of the surface temperature of deck slab with the change of solar radiation intensity

3道床板表面放熱系數的確定

無砟軌道是自然條件下的帶狀混凝土結構，長期暴露于陽光之下，太陽輻射對軌道結構的溫度影響很大。由文獻[5]知，當混凝土與空氣接觸時，經過混凝土表面的熱量為

(1)

假定經過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度T和氣溫Tα之差成正比，即有

(2)

式中:β為表面放熱系數,kJ/(m2·h·℃)。

太陽輻射到混凝土表面的熱量有2部分，一部分被混凝土吸收，另一部分被混凝土表面反射。單位時間內單位面積上，設太陽輻射總熱量為S，其中設被混凝土吸收的部分為R，剩余被反射的部分為S-R。于是考慮從日照后條件后的公式(2)為

(3)

即

(4)

比較式(3)～(4)可知，日照相當于周圍空氣的溫度增高了

ΔT=R/β

(5)

式中：β的數值與風速有密切的關系，對于粗糙表面和光滑表面其數值也不一樣，顯然β取值的確定非常重要。根據文獻[5]可知，可采用2種反算的方法來求取混凝土表面放熱系數β，即線性插值法和二次插值法，二次插值法的計算精度優于線性插值法，但是其需要在混凝土表面附近有3支溫度傳感器，本試驗道床板內雖設有3支溫度傳感器，但是第3支傳感器位于道床板表面以下200 mm處，道床板總厚度為250 mm，不滿足相應的條件，因此采用線性插值法來反算道床板表面放熱系數。

線性插值法公式如下：

(6)

式中：β為混凝土表面放熱系數即道床板表面的放熱系數；λ為混凝土的導熱系數，根據文獻[5]，本文取λ=10 kJ/(m·h·℃)；Ta0為環境的氣溫；Ta和Tb分別為道床板表面附近的溫度，a和b為距離。選擇1～7號測點進行計算，根據實測數據，按照公式(6)進行分析，經計算及統計分析可知，線性插值計算的結果有一定的離散性，計算結果大都分布于10～250 kJ/(m2·h·℃)，分布于此區間的概率高達78.53%，因此舍去小部分(約21.47%)離散性較大的數據，對剩余數據進行統計分析，得到如表1所示的統計結果。由表1可知，道床板表面放熱系數的取值大都分布于10～250 kJ/(m2·h·℃)，各測點平均值為76.28 kJ/(m2·h·℃)。文獻[5]中指出，當混凝土與空氣接觸時，放熱系數β=40～80 kJ/(m2·h·℃)，顯然所求取的β滿足取值條件，即本文道床板表面放熱系數取β=76.28 kJ/(m2·h·℃)。本文選取的測試時間為冬季(2014-01)，其中部分月份的數據由于采集儀器出現故障未采集，但是并不影響對道床板表面放熱系數β的分析研究。

4太陽輻射強度對道床板表面溫度的影響

大氣溫度相當于給了道床板一個設定的溫度環境，在道床板(混凝土結構)自身的導熱性能、太陽輻射及其他環境因素影響的共同作用下形成了道床板的溫度。由式(5)可知，日照即太陽輻射相當于使道床板周圍空氣溫度增高了ΔT=R/β℃，其中R=αs·S，S為總太陽輻射強度，αs為混凝土表面對太陽輻強度的吸收系數，即黑度系數，其與物體表面的光滑程度、色澤等有關。文獻[12]中指出，對于采用復木復合板作為模板的清水混凝土，建議混凝土表面吸收系數取0.5左右，試驗場地的道床板經過了打磨處理，本文取道床板的吸收系數αs=0.48。

將太陽輻射所引起的溫度增值與試驗所測得的大氣溫度值相加，研究考慮太陽輻射條件下無砟軌道道床板表面溫度的變化情況。實際的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構中，道床板是縱連的，支承層在一定范圍內是分離的，更引起關注的是縱連道床板板中的溫度變化情況，因此取1，2，6和7號測點進行分析，其中1和2號測點為沿線路縱向板邊中點，6和7號測點作為線路中心線的中點，即板面中心點。將太陽輻射所引起的溫度與大氣溫度相加，同時分別取1和2號測點，6和7號測點溫度的平均值作為道床板表面板邊中點的溫度及表面中心點的溫度，通過對實測數據的分析，可得如圖5所示的考慮太陽輻射條件下道床板表面溫度與大氣溫度之間的變化關系。由圖5可知，考慮太陽輻射后，氣溫加上太陽輻射所引起的溫度增值與道床板表面板中及板邊中點的溫度均相差不多，相比之下，道床板表面的溫度略大。

為進一步分析太陽輻射強度對道床板表面溫度的影響，分析道床板表面溫度、大氣溫度、太陽輻射所引起的溫度增值之間的關系，取上述指標的極值進行對比分析。當道床板取溫度極小值時，太陽輻射強度為0，因此本文不考慮太陽輻射對道床板表面溫度極小值的影響。

由圖5可知，考慮太陽輻射強度后，道床板表面板邊中點的溫度和表面中心點處的溫度相差不大，因此本文取1，2，6和7號測點溫度極大值的平均值作為道床板表面的溫度極值。分別取每一天的道床板表面溫度極大值、氣溫極大值、太陽輻射所引起溫度增量的極大值進行對比分析，得到如圖6、圖7所示的分析結果。由圖6可知，成都地區冬季條件下，道床板表面溫度極大值、氣溫極大值加輻射增量極大值以及太陽輻射強度極大值呈現出一定的周期性變化；整體上道床板表面溫極大值度較氣溫極大值加輻射增量極大值大，兩者之間的最大差值可達4.89 ℃。

(a)道床板表面板邊中點溫度與氣溫的變化關系；(b)道床板表面中心點溫度與氣溫的變化關系圖5　考慮太陽輻射道床板表面中心點溫度與氣溫的變化曲線Fig.5 Changing curves of surface temperature of deck slab and air temperature in consideration of the solar radiation intensity

圖7是道床板表面板中溫度極大值與氣溫極大值加太陽輻射所引起的增量極大值以及兩者差值的關系，數據有一定的離散性，從太陽輻射強度較強(R≥250 w/m2)、較弱(R <250 w/m2)2個方面進行分析。當太陽輻射強度較強時，輻射所引起的溫度增值較大；當太陽輻射強度較弱時，輻射引起的溫度增值較小。由圖7可就冬季條件下太陽輻射強度強、弱情況，提出如下道床板溫度計算關系式：

當太陽輻射強度較強(R≥250 w/m2)，道床板溫度極大值可按下式計算：

T道床板=T氣溫+T輻射+ΔT強

(7)

圖6　道床板表面溫度極大值與氣溫極大值加太陽輻射增量極大值之間的關系Fig.6 Relationship between the maximum temperature of deck slab and the maximum temperature of air in addition to the increment caused by solar radiation

圖7　道床板表面溫度極大值與氣溫極大值加太陽輻射增量極大值差值之間的關系Fig.7 Relationship of temperature differences between the maximum temperature of deck slab and the maximum temperature of air in addition to the increment caused by solar radiation

當太陽輻射強度較弱(R <250 w/m2)，道床板溫度極大值可按下式計算：

T道床板=T氣溫+T輻射+ΔT弱

(8)

式(1)～(2)中，T道床板，T氣溫和T輻射分別為道床板溫度極大值、氣溫極大值以及太陽輻射所引起的溫度增量極大值，ΔT強、弱為環境因素及混凝土自身與外界環境之間的熱變換所引起的溫度值。冬季條件下，當太陽輻射強度較強(R≥250 w/m2)時，建議取ΔT強=4.15 ℃，當太陽輻射強度較弱(R<250 w/m2)時，建議取ΔT弱=1.52 ℃。式(7)～(8)是依據成都地區冬季條件下現場試驗實測值提出的，由于試驗條件限制，試驗僅進行了1個月的測試，對于其他地區而言，由于太陽輻射量的不同，區域氣象條件不同，運用上述公式時應進行修正。

5結論

1)道床板表面溫度、氣溫以及太陽輻射強度均呈現出以日為單位的周期性變化，大氣溫度最大值較太陽輻射強度最大值滯后約0.5 h，道床板表面溫度較氣溫滯后約0.5 h，由于邊界條件不同，板角、板邊、板中與周邊環境的熱交換也不同，板角溫度變化最大，板邊次之，板中最小，相對最穩定；

2)道床板表面放熱系數有一定的離散性，大部分都分布于10～250 kJ/(m2·h·℃)，經統計分析，本文道床板表面放熱系數取β=76.28 kJ/(m2·h·℃)，考慮太陽輻射后，道床板表面溫度極大值較氣溫極大值加太陽輻射所引起溫度增量的極大值大，兩者之間最大差值可達4.89 ℃；

3)冬季條件下，不同太陽輻射強度下道床板溫度的極大值(T道床板)可由氣溫極大值(T氣溫)、太陽輻射所引起的溫度增量值(T輻射)以及其他環境因素和混凝土自身與環境之間熱交換所引起的溫度變化值(ΔT強、弱)進行表示，本文給出了相應的計算公式及ΔT強、弱的建議值。

參考文獻：

[1] 楊榮山，劉學毅.軌道工程[M].北京:人民交通出版社,2013.

YANG Rongshan, LIU Xueyi. Track engineering[M]. Beijing: China Communication Press, 2013.

[2] 何華武.無砟軌道技術[M].北京:中國鐵道出版社, 2005.

HE Huawu. Technology of ballastless track[M]. Beijing: China Railway Press, 2005.

[3] 劉學毅，趙坪銳，楊榮山，等.客運專線無砟軌道設計理論與方法[M].成都:西南交通大學出版社, 2010.

LIU Xueyi, ZHAO Pingrui, YANG Rongshan, et al. Design theory and methods of ballastless track[M]. Chengdu:Southwest Jiaotong University Press, 2010.

[4] 趙坪銳，劉學毅. 連續道床板溫度應力計算方法及參數分析[J].鐵道建筑，2008(10):81-85.

ZHAO Pingrui, LIU Xueyi. Calculating method and parameter analysis of temperature stress of continuous track slab[J]. Railway Engineering, 2008(10):81-85.

[5] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.

ZHU Bofang.Temperature and temperature stress control of mass concrete[M]. Beijing: China Electric Power Press, 1999.

[6] 龔召熊. 水工混凝土的溫控與防裂[M].北京:中國水利電力出版社,1999.

GONG Zhaoxiong. Temperature control and crack prevention of hydraulic concrete[M]. Beijing: China Electric Power Press, 1999.

[7] Sungchul Yang. A temperature prediction model in new concrete pavement and a new test method for concrete fracture parameters[D]. American: Texas A & M University, 1996.

[8] 韓子東.道路結構溫度場研究[D].西安:長安大學,2001.

HAN Zidong. Research on temperature field of road structure[D]. Xi ’an： Chang’an University, 2001.

[9] 凱爾別克 F. 太陽輻射對橋梁結構的影響[M].劉興法，譯. 北京:中國鐵道出版社,1981.

Kyle Buick F. The effect of solar radiation on the bridge structures[M]. LIU Xingfa，Translate. Beijing: China Railway Press, 1981.

[10] 胡立華，李德建，陳建平，等. 酉水大橋大跨度連續箱梁橋斜交高墩日照溫度效應分析[J].鐵道科學與工程學報,2013,10(2):23-29.

HU Lihua, LI Dejian, CHEN Jianping, et al. High skew pier sunlight temperature effect analysis of Youshui large span continuous box girder bridge[J]. Journal of Railway Sicience and Engineering. 2013,10(2):23-29.

[11] 曾志平，陳秀方，趙國藩. 溫度荷載作用下大跨度橋梁與無砟道岔相互作用研究[J].鐵道科學與工程學報,2007,4(4):12-16.

ZENG Zhiping, CHEN Xiufang, ZHAO Guofan. Study on the interaction between long span bridge and ballastless turnout under temperature force[J]. Journal of Railway Sicience and Engineering,2007,4(4):12-16.

[12] 張建榮，徐向東，劉文燕.混凝土表面太陽輻射吸收系數測試研究[J].建筑科學,2006,22(1):42-45.

ZHANG Jianrong, XU Xiangdong, LIU Wenyan. A test study on solar radiation absorption coefficient of concrete surface[J]. Building Science,2006,22(1):42-45.

Experimental study on the impact of solar radiation intensity on the surface

temperature of deck slab for CRTS I twin-block ballastless track

WAN Zhangbo1, YANG Rongshan1, REN Bo1, WANG Chen2, ZHAO Pingrui1

(1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：Ballastless track is a composite structure constituted by reinforced concrete material, which is greatly influenced by the sunshine and air temperature. Based on the in-site experiments in winter, the in-site air temperature, solar radiation intensity and the surface temperature of deck slab of CRTS I twin-block ballastless track were acquired in Chengdu, based on the analyses of in-site data, to obtain the relationship of the surface temperature of deck slab changing with the solar radiation intensity and the value of heat transfer coefficients of deck slab, initially establish the correlation among the maximum surface temperature of deck slab, the air temperature, the increment caused by solar radiation intensity and the changing temperature caused by other environment influencing factors. Also, the suggested values of relative parameters were given, which provides an experimental basis for the study of distribution of internal temperature field of deck slab and the temperature stress of ballastless track.

Key words：solar radiation intensity; twin-block ballastless track; deck slab; air temperature; surface temperature

中圖分類號：U213.2

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)01-0001-06

通訊作者：楊榮山(1975-)，男，河北容城人，副教授，博士，從事軌道結構與軌道動力學的研究；E-mail:yrs123@sohu.com

基金項目：國家重點基礎研究發展現劃(“973”計劃)項目(2013CB036202)；國家自然科學基金資助項目(51278431，51008258)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(SWJTU12CX065)

*收稿日期：2014-08-20