蘭州地區連續梁橋上無砟軌道溫度場研究

侯兵港

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070）

無砟軌道是目前中國高速鐵路建設所使用的主要結構形式，具有高平順性、高穩定性、耐久性好以及后期維修工作少等優點。CRTSⅢ型板式無砟軌道是由中國自主研發的新型板式無砟軌道，在服役時，它長期與空氣直接接觸，結構溫度變化受環境變化的影響較大。中國不同地域的太陽輻射、風速、大氣溫度等差異較大。目前針對西部地區軌道結構溫度場受太陽輻射和環境溫度的影響研究較少。所以本文以2020 年大氣溫度最高值和最低值出現時間為選取蘭州地區2020-07-06、2020-12-30 的氣象環境資料作為基礎來探究夏季和冬季連續梁橋上無砟軌道結構的溫度場變化規律。

1 太陽輻射計算及結構參數

太陽與地面的位置關系會隨時間變化而改變，主要以太陽赤緯角、太陽時角、太陽方位角、太陽高度角和太陽入射角5 個要素來描述太陽與地面的時間-空間關系[1]。據此計算得到隨時間變化的太陽輻射，而直接照射到結構表面的太陽輻射會經過大氣的衰減，其強度與大氣透明度系數和橋梁走向有關，結構物吸收的有效輻射與結構物表面對太陽輻射的吸收效率有關[2]。本文考慮環境溫度和太陽輻射對整體結構溫度場的影響，定義橋梁走向為南北方向，計算出一天之內太陽對結構的有效輻射，然后定義結構的初始溫度場。通過結構與外界環境之間的熱輻射、熱對流和熱傳導來分析結構的溫度場變化。

混凝土結構表面太陽輻射吸收系數取0.66，蘭州地區2020-07-06 大氣透明度系數為0.68，2020-12-30大氣透明度系數為0.66。

本文以某連續梁橋（80 m+128 m+80 m）為工程背景，采用有限元軟件建立三維實體模型，其中軌道板尺寸為5 600 mm×2 500 mm×200 mm，密度為2 500 kg/m3，比熱容為950 J/（kg·℃），導熱系數為1.84 W/（m·℃）。自密實混凝土層尺寸為5 600 mm×2 500 mm×100 mm，密度為2 550 kg/m3，比熱容為800 J/（kg·℃），導熱系數為1.22 W/（m·℃）。底座板采用單元板形式，尺寸為5 600 mm×2 900 mm×200 mm，單元板之間間隔為7 cm。密度為2 500 kg/m3，比熱容為850 J/（kg·℃），導熱系數為1.0 W/（m·℃）。

箱梁室內空氣溫度在一天內基本保持不變，與之接觸的箱室內表面溫度變化幅度也不大，所以在進行溫度場分析時可不考慮箱室內表面的輻射換熱[3]。結構分析時初始溫度場選擇混凝土結構整體溫度分布較均勻的時刻，取日出時刻氣溫作為結構初始溫度[4]。2020-07-06 日出時刻為06：00，氣溫為22 ℃；2020-12-30 日出時刻為08：00，氣溫為-12 ℃。

連續梁橋主跨跨中位置如圖1 所示。Q、QD 分別為頂板、底板的中間位置。GY 為東側軌道結構中間位置。

圖1 連續梁橋主跨跨中位置示意圖

2 蘭州地區橋梁結構溫度場

2020-07-06 蘭州地區夏季橋梁頂板溫度時程曲線如圖2 所示。2020-07-06 蘭州地區夏季橋梁底板溫度時程曲線底板溫度時程曲線如圖3 所示。Qa、Qb、QDa、QDb 分別為頂板外表面、頂板內表面、底板外表面、底板內表面。

圖2 2020-07-06 頂板溫度時程曲線

圖3 2020-07-06 底板溫度時程曲線

蘭州地區夏季橋梁頂板外表面溫度在15：00 左右達到最大值47.9 ℃，底板外表面溫度在16：00 左右達到最大值33.6 ℃。由于頂板所受輻射包括太陽直射、大氣散射，而底板受到的輻射是地表反射和大氣散射，并不受太陽直射，地表反射比太陽直射的強度要小許多，所以頂板溫度變化更加劇烈。由于底板外表面受到地表長波輻射的作用，導致底板外表面溫度達到最大值比頂板外表面溫度達到最大值時滯后約1 h。

2020-12-30 蘭州地區冬季橋梁頂板溫度時程曲線如圖4 所示。2020-12-30 蘭州地區冬季橋梁底板溫度時程曲線底板溫度時程曲線如圖5 所示。

圖4 2020-12-30 頂板溫度時程曲線

圖5 2020-12-30 底板溫度時程曲線

冬季橋梁頂板與底板的溫度變化趨勢雖不一致，底板溫度達到最大值時間比頂板滯后約0.5 h，但其溫度最大值差距不大，均接近于一天之內的最高大氣溫度。原因是由于冬季太陽輻射較弱，橋梁整體結構的溫度變化主要由大氣溫度所影響，底板所受到的地表反射與頂板所受到的太陽直射的差距并不能使橋梁頂板和底板的溫度差出現較大的變化。

3 蘭州地區軌道結構溫度場

2020-07-06 軌道結構溫度時程曲線如圖6 所示。沿深度方向溫度時程曲線如圖7 所示。GY 為東側軌道結構中間位置，GYa 為軌道板頂面、GYb 為軌道板底面、GYc 為自密實混凝土層底面、GYd 為底座板底面、GYe 為橋梁頂板深度方向0.4 m 處。

圖6 2020-07-06 軌道結構溫度時程曲線

圖7 2020-07-06 沿深度方向溫度時程曲線

夏季蘭州地區軌道結構頂面溫度最大值達到48.9 ℃，出現在15：00 左右，與橋梁頂板溫度達到最大值時刻基本一致。沿深度方向各點溫度變化與軌道板頂面溫度變化相比具有一定的滯后性，且溫度變化數值越來越小，這是由于隨著深度增加，太陽輻射被上面的結構層吸收阻擋后，抵達相應深度時強度越來越弱。

2020-12-30 軌道結構溫度時程曲線如圖8 所示。沿深度方向溫度時程曲線如圖9 所示。

圖8 2020-12-30 軌道結構溫度時程曲線

圖9 2020-12-30 沿深度方向溫度時程曲線

冬季蘭州地區軌道結構溫度場的變化規律和夏季相似，軌道板頂面溫度最大值為-6.2 ℃，出現在14：00 左右，接近一天之內的最高氣溫。由此可知冬季軌道板頂面溫度與大氣溫度密切相關，這是由于蘭州地區冬季太陽輻射強度較低，再經過大氣散射、云層吸收、軌道結構表面反射等作用，真正能被軌道結構吸收的太陽輻射有限，此時太陽輻射對軌道結構溫度場的影響是比較輕微的。

4 結論

夏季蘭州地區橋梁頂板和底板最高溫度分別為47.9 ℃、33.6 ℃，軌道頂面在15：00 左右達到溫度最大值48.9 ℃，與橋梁頂面溫度最高值出現時間基本一致。冬季蘭州地區橋梁頂板和底板溫度最大值差距并不明顯，且接近一天之中的大氣最高溫度，軌道結構頂面溫度最大值也接近一天之內的最高氣溫。這表明冬季太陽輻射較弱，與大氣溫度相比不能使結構溫度場發生大的改變。分析蘭州地區的夏、冬季橋上無砟軌道結構溫度場變化規律，發現夏季對結構溫度場起主導作用的是太陽輻射，冬季對結構溫度場起決定作用的是大氣溫度。