板式無砟軌道溫度場和溫度梯度監測試驗分析

尤明熙，高　亮，趙國堂，肖　宏

（1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京　100044；2.中國鐵路總公司，北京　100844）

?

板式無砟軌道溫度場和溫度梯度監測試驗分析

尤明熙1，高亮1，趙國堂2，肖宏1

（1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044；2.中國鐵路總公司，北京100844）

摘要為研究板式無砟軌道溫度場和溫度梯度分布規律，通過對北京地區CRTSⅡ型板式無砟軌道結構實尺模型進行溫度監測，以春夏季監測數據為樣本，分析了無砟軌道溫度場分布和軌道結構各層溫度梯度變化規律。分析結果表明：軌道板陽面和陰面溫度存在明顯差異，同一時刻溫差最大為9. 73℃；軌道結構各層溫度最大（小）值出現時間存在滯后性，引起垂向溫度不均勻分布，使結構各層間溫度梯度存在較大差異，監測期間板表到板中溫度梯度最大為121. 43℃/m，板表到板底溫度梯度最大為78. 08℃/m，經統計最大正溫度梯度是最大負溫度梯度的2. 55倍左右，板中溫度梯度最大（小）值是板底溫度梯度最大（小）值的1. 4倍左右。

關鍵詞無砟軌道；溫度場；溫度梯度；陽面；陰面

縱連板式無砟軌道結構在溫度荷載影響下會產生較大的應力和變形，計算無砟軌道溫度荷載效應時應考慮整體升溫和溫度梯度［1］。軌道結構均勻升溫或降溫時，軌道板會產生沿長度和寬度方向的伸長或收縮變形，而軌道結構的垂向溫差是導致軌道板（或道床板）上拱、砂漿層離縫、層間黏結性能減弱的主要原因，研究發現軌道結構各層間的溫差對結構變形影響很大［2-3］。為得到無砟軌道各層結構的溫度分布，開展了一系列的無砟軌道溫度場監測試驗，得到CRTSⅡ型板式無砟軌道縱連階段和運營線路橋上的溫度場分布特征和溫度變化規律，并對溫度場監測方法進行了概括總結，研究表明軌道結構各層溫度變化呈規律性和周期性［4-6］。在開展監測試驗的同時，借鑒混凝土路面的溫度場分析方法［7］，對無砟軌道溫度場和溫度傳遞規律的理論研究也已開展。

目前對無砟軌道溫度場陰陽面的差異和軌道結構溫度梯度分析較少。本文以北京交通大學軌道試驗場地內建造的CRTSⅡ型板式無砟軌道實尺模型溫度監測數據為依據，對無砟軌道溫度場和溫度梯度分陽面和陰面進行分析。

1　監測方案

1. 1測點布置

軌道板垂向溫度呈非線性分布［8］，且溫度拐點出現在CA砂漿層，因此考慮在軌道板和砂漿層垂向上加密布置溫度測點；橫向上分陽面、中部、陰面布置溫度測點。考慮到僅有一塊軌道板，板端和板角溫度也會存在差異，因此在軌道板板端和板角也布置溫度測點。溫度測點布置如圖1所示，1#測點全天接受陽光照射，定義為陽面；3#測點受無砟軌道位置、太陽照射角度和鋼軌遮擋影響，僅在黃昏時受太陽照射，定義為陰面。

1#，2#，3#測點位置均垂向布置9個溫度傳感器，其布置情況為：軌道板5個，傳感器間隔50 mm；CA砂漿層2個，傳感器間隔15 mm；支承層2個，傳感器間隔75 mm。4#，5#測點位置均垂向布置7個傳感器，其布置情況為：只布置在軌道板和砂漿層。6#測點位置垂向布置5個傳感器，其布置情況為：只布置在軌道板。垂向溫度傳感器分布如圖2所示。

1. 2無砟軌道建造

監測工點選在北京交通大學軌道試驗場地，為保證監測數據的準確性，采用與現場施工十分相近的方法建造CRTSⅡ型板式無砟軌道。采用模筑法施工的支承層尺寸為6 800 mm×3 300 mm×300 mm。CA砂漿組成包括砂漿干料、瀝青、減水劑和消泡劑，軌道板為場內預制板。軌道板吊裝前，預先在支承層上設置8個尺寸為100 mm×100 mm×30 mm的砂漿支撐塊，用于軌道板的支撐。采用與現場施工方式相近的“先封邊后灌注”的方法灌注CA砂漿。無砟軌道建造流程如圖3所示。

圖1　溫度測點布置

圖2　垂向溫度傳感器分布

圖3　無砟軌道建造流程

1. 3測試儀器選擇

溫度傳感器有許多種類，不同傳感器的測試精度也不同。文獻［2］應用光纖光柵式溫度傳感器對CRTSⅡ型板式無砟軌道進行溫度監測；文獻［3］應用熱電阻式溫度傳感器對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道進行溫度監測。

本試驗采用數字式溫度傳感器對CRTSⅡ型板式無砟軌道進行溫度監測。該傳感器測溫范圍為- 55～125℃，在- 10～85℃之間精度為±0. 5℃，基本特點是體積小、抗干擾、高精度，不受導線長度限制，直接將溫度轉化為數字信號傳遞以減小傳導誤差。傳感器安裝到位后正常運行的無砟軌道溫度監測系統見圖4。

圖4　完成的無砟軌道溫度監測系統

2　無砟軌道溫度場分布規律

2. 1垂向溫度場特征

以2015年3月—8月春夏兩季溫度監測數據為樣本進行分析，選取7月9日為例，其典型溫度場如圖5所示。軌道板板表溫度變化范圍涵蓋整個軌道結構垂向各層的溫度變化范圍。無論陰面還是陽面，軌道板表面溫度最小值出現在每天5：00～7：00，表面溫度最大值出現在13：00～16：00，板底最大（小）值出現時間相對板表滯后約3 h。軌道結構各層溫度最小值出現時間隨著深度減小而滯后，最大值出現時間隨著深度的增加而滯后。

春季常溫條件下結構各層溫度變化范圍：板表18℃左右，板底10℃左右，支承層5℃左右；夏季高溫條件下結構各層溫度變化范圍：板表15℃左右，板底7℃左右，支承層3℃左右。統計可知隨著氣候溫度的升高，軌道結構最大日溫度變化范圍有縮小趨勢。

根據垂向溫度場分布，在8：00到18：00之間，板表溫度較高，其余時間結構內部溫度較高，軌道結構垂向出現負溫差的時間較長，出現正溫差的時間較短。

2. 2陽面和陰面溫度場差異

監測期間，軌道板板表陽面和陰面溫差最大9. 73℃，出現在8月10日10點左右，最小- 4. 12℃，出現在6月19日5點左右；板底陽面和陰面溫差最大7. 27℃，最小- 1. 76℃。由圖6陽面、中部和陰面橫向溫度分布可知，板表溫度較高時陽面和陰面出現正溫差，結構內部溫度較高時出現負溫差，此時板中部溫度最高。

圖5　垂向溫度場分布特征

圖6　橫向溫度場分布特征

按陽面、中部和陰面3部分分別統計軌道板板表和板底溫度最大（小）值，見表1。監測期間3部分板表和板底溫度最大值都出現在7月12日，板表陽面最大值比中部高1. 25℃，比陰面高2. 06℃；板底陽面最大值比中部高1. 93℃，比陰面高3. 25℃。3部分溫度最小值數值接近，板表6. 5℃左右，板底10℃左右，出現時間不同但接近。

表1　軌道板溫度最值統計

3　無砟軌道溫度梯度特征

一個封閉物體的不同結構層之間在溫度分布不均勻時產生層間溫差，因此層間會通過熱傳遞進行熱交換，直到層間溫度分布均勻。層間熱傳遞的路徑中兩點直線距離最短。定義溫度梯度為兩點溫差與兩點距離的比值。溫度梯度是矢量，具有方向性。本研究重點關注無砟軌道垂向溫度梯度，得到同一時刻溫度梯度計算公式如下：

式中：T為溫度，℃；y為垂向距離，m。

3. 2溫度梯度變化規律

經計算監測期間支承層溫度梯度較小，在5℃/m左右，因此重點研究陽面、中部和陰面軌道板板表到板中、板表到板底的溫度梯度，其中板表到板中溫度梯度簡稱板中溫度梯度，板表到板底溫度梯度簡稱板底溫度梯度。

根據式（1）計算，監測期間陽面、中部和陰面的溫度梯度數值較接近，變化規律近似相同，每天呈周期性變化。以軌道板中部板中、板底垂向溫度梯度月變化曲線為例表示出垂向溫度梯度變化規律，見圖7。

軌道板3部分板中垂向溫度梯度日變化規律相同，見圖8，板底溫度梯度也有相似規律。在9：00—19：00為正溫度梯度，持續約10 h；19：00—24：00和0：00—9：00為負溫度梯度，持續約14 h。正溫度梯度最大值出現時間為12：00—15：00之間，負溫度梯度最值出現時間具有隨機性。

3. 3溫度梯度統計分析

總而言之，幼兒園一日活動對幼兒園的兒童教育非常重要，一日保教活動的開展與具體的規范細則對幼兒園教師行為的規范起著重要的作用。隨著社會的迅速發展，幼兒園的一日活動也要不斷地完善其教學計劃，提高教學效果。

統計軌道板陽面、中部和陰面的垂向溫度梯度最大（小）值，并比較溫度梯度值之間的倍數關系，如表2所示。

圖7　軌道板垂向溫度梯度月變化曲線

圖8　軌道板板中垂向溫度梯度日變化曲線

表2　軌道板溫度梯度最大（小）值統計

監測期間陽面溫度梯度整體較大，板中最大正溫度梯度在100～120℃/m，最大負溫度梯度在- 45～- 35℃/m；板底最大正溫度梯度在70～80℃/m，最大負溫度梯度在- 35～- 25℃/m。

從倍數關系上看，經統計分析最大正溫度梯度是最大負溫度梯度（絕對值）的2. 55倍左右；板中溫度梯度是板底溫度梯度的1. 4倍左右。

以5℃/m為一個區間統計正負溫度梯度出現的頻率，并按陽面、中部和陰面繪制板中垂向溫度梯度頻率分布圖，如圖9、圖10所示。

圖9　軌道板板中垂向溫度梯度分布統計

由圖9可知，板中溫度梯度主要分布在- 30～15℃/m之間，占總體的70％以上。負溫度梯度占總體60％以上，是正溫度梯度的1. 5～2. 0倍。由溫度梯度分布統計曲線知，陽面和中部的溫度梯度頻率分布幾乎相同，陰面分布趨勢與陽面和中部相同，但數值上差異較大。

圖10　軌道板板底垂向溫度梯度分布統計

3部分溫度梯度出現頻率最高的區間相同，為-25～-20℃/m，陽面頻率為17. 46％，中部17. 97％，陰面14. 20％；溫度梯度＞100℃/m的頻率，陽面1. 44％，中部0. 09％，陰面0. 26％，由此可知陽面易產生較大的正溫度梯度。

由圖10可知，板底溫度梯度主要分布在- 25～15℃/m之間，占總體的70％以上。負溫度梯度占總體60％左右，是正溫度梯度的1. 5～2. 0倍。軌道板陽面和中部的溫度梯度頻率分布相近，陰面的分布存在較大差異。

陽面和中部溫度梯度出現頻率最高的區間為- 20～- 15℃/m，陽面頻率為21. 42％，中部18. 08％；陰面溫度梯度出現頻率最高區間為- 15～- 10℃/m，占17. 57％；溫度梯度＞70℃/m的頻率，陽面1. 08％，中部0. 45％，陰面0. 57％。

4　結論

1）軌道板板表溫度變化范圍涵蓋軌道結構垂向各層的溫度變化范圍。結構各層溫度最大（小）值出現時間存在滯后性，板底最大（小）值相對板表滯后約3 h，這是產生非線性溫度分布的原因之一。

2）同一時刻，軌道板陽面和陰面溫度存在明顯差異，板表陽面和陰面溫差最大9. 73℃，板底溫差最大7. 27℃。在溫度最大（小）值方面，陽面和陰面差異較小。經統計分析軌道板陽面易產生較大正溫度梯度。

3）軌道板各部分溫度梯度主要分布在- 30～15℃/m之間，每天呈周期性變化。從單天軌道結構溫度場分布規律估算負溫度梯度出現頻率是正溫度梯度的1. 4倍；根據監測數據計算，負溫度梯度出現頻率是正溫度梯度的1. 5～2倍。

4）軌道結構垂向各層之間溫度梯度差異較大，經分析板中溫度梯度最大值為121. 43℃/m，最小值為- 45. 75℃/m；板底溫度梯度最大值為78. 08℃/m，最小值為- 32. 12℃/m。經統計最大正溫度梯度約是最大負溫度梯度的2. 55倍，板中溫度梯度最大（小）值是板底的1. 4倍左右。

參考文獻

［1］高亮，趙磊，曲村，等.路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道設計方案比較分析［J］.同濟大學學報（自然科學版），2013（6）：848-855.

［2］韓志剛，孫立. CRTSⅡ型板式軌道軌道板溫度測量與變形分析［J］.鐵道標準設計，2011（10）：41-44.

［3］楊榮山，萬章博，劉學毅，等. CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道冬季溫度場試驗［J］.西南交通大學學報，2015（3）：454-460.

［4］王玉澤，王森榮.高速鐵路無砟軌道監測技術［J］.鐵道標準設計，2015（8）：1-9.

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

［6］李東昇，董亮，姜子清，等.橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結構的溫度荷載特征試驗研究［J］.鐵道建筑，2015（9）：106-110.

［7］李嘉，朱偉平，黃新顏.非均布溫度條件下CRCP + AC復合式路面溫度應力分析［J］.湖南大學學報（自然科學版），2009（10）：13-18.

［8］尤明熙，蔡小培，高亮，等.基于監測的CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度傳遞仿真分析［J］.鐵道建筑，2015（11）：104-107.

（責任審編周彥彥）

Analysis of Monitoring test for Slab-type Ballastless Track Temperature Field and Temperature Gradient

YOU Mingxi1，GAO Liang1，ZHAO Guotang2，XIAO Hong1
（1. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2. China Railway Corporation，Beijing 100844，China）

AbstractFor studying the distribution law of slab-type ballastless track temperature field and temperature gradient，the change rules of ballastless track temperature field distribution and temperature gradient of each layer of the track structure were analyzed through the temperature monitoring of CRT SⅡslab-type ballastless track structure full scale model in Beijing region and taking the spring and summer monitoring datas as samples. Analysis results show that there are obvious differences between sunny side temperature and shady side temperature of the track slab and the maximum temperature difference is 9. 73℃at a same time，there is time lag in the maximum（minimum）temperature of each layer of the track structure，which could cause uneven temperature distribution and big difference between the temperature gradient of each layer of the track structure，during the monitoring the maximum temperature gradient from slab surface to middle of slab is 121. 43℃/m while the maximum temperature gradient from slab surface to slab bottom is 78. 08℃/m，through statistical analysis maximum positive temperature gradient is about 2. 55 times as much as the maximum negative temperature gradient and maximum（minimum）temperature gradient in the middle of slab is 1. 4 times as much as maximum（minimum）temperature gradient in the slab bottom.

Key wordsBallastless track；T emperature field；T emperature gradient；Sunny side；Shady side

中圖分類號U213. 2+42；U213. 2+44

文獻標識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 01

文章編號：1003-1995（2016）05-0001-06

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-03-23

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡介：尤明熙（1991—），男，碩士研究生。