秋季橋上縱連板式無(wú)砟軌道豎向溫差試驗(yàn)研究

戴公連，蘇海霆，閆 斌

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

秋季橋上縱連板式無(wú)砟軌道豎向溫差試驗(yàn)研究

戴公連，蘇海霆?，閆 斌

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

通過(guò)對(duì)某客運(yùn)專線曲線段簡(jiǎn)支梁橋上縱連板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的連續(xù)觀測(cè)，研究了秋季多種天氣情況下曲線橋上無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)的時(shí)變規(guī)律.基于統(tǒng)計(jì)擬合，提出適用于我國(guó)典型地區(qū)縱連板式無(wú)砟軌道秋季豎向溫度荷載模式.研究表明：軌道結(jié)構(gòu)晝夜溫度變化劇烈，表面最高溫差可達(dá)16.0 ℃，平均日溫差達(dá)8.0 ℃；隨著距表面深度的增加，軌道結(jié)構(gòu)溫度變化幅值逐漸減小，峰值出現(xiàn)時(shí)間不斷滯后；底座板底面最大日溫差為1.5 ℃，平均為0.8 ℃；縱連板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的豎向溫差可擬合為指數(shù)曲線，其曲線形式與中國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的箱梁豎向溫差分布曲線在形式上較為相似.

鐵路橋梁；鐵道工程；軌道結(jié)構(gòu)；溫度分布；試驗(yàn)分析

橋上CRTSⅡ型縱連板式無(wú)砟軌道具有高平順性、維修少和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，在我國(guó)京津城際、京滬、滬昆等客運(yùn)專線上得到廣泛應(yīng)用[1-4].由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較小[5-8]，在太陽(yáng)輻射和環(huán)境熱交換的作用下，軌道板和底座板中將出現(xiàn)豎向非線性溫差[9]，該溫差是導(dǎo)致軌道板上拱、窄接縫開(kāi)裂和砂漿層離縫的主要原因[10-11].

關(guān)于縱連板式無(wú)砟軌道豎向溫度分布規(guī)律，既有研究中通常按軌道板和底座板整體升降溫考慮[12]，或按現(xiàn)行橋梁規(guī)范中的橋梁豎向溫差考慮，而研究對(duì)象也多局限于軌道板[13].事實(shí)上，由于南北地區(qū)氣候差異懸殊，各地?zé)o砟軌道溫度場(chǎng)分布規(guī)律并不相同.且橋上無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)還與箱梁存在熱交換，其溫度分布規(guī)律極為復(fù)雜.此外，對(duì)于曲線段橋上無(wú)砟軌道，存在超高的底座板溫度場(chǎng)分布情況尚不明確.

為研究曲線段橋上無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)豎向分布情況，本文對(duì)圓曲線上某簡(jiǎn)支梁橋上縱連板式無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，研究其豎向溫度分布規(guī)律，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的整理與分析提出適用于簡(jiǎn)支箱梁橋上CRTSⅡ板式無(wú)砟軌道的豎向溫度荷載模式.

1 橋上無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 工程背景

以某客運(yùn)專線圓曲線上簡(jiǎn)支梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑴y(cè)試橋上縱連板式無(wú)砟軌道中的溫度分布情況.該橋位于北緯28°，東經(jīng)115°，亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，橋下為田地，橋梁軸線走向?yàn)?7.5°, 測(cè)試截面位于簡(jiǎn)支梁固定支座附近軌道板接縫處，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示.

圖1 軌道板底座板測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

采用北京基康BGK-3700電阻式溫度計(jì)進(jìn)行溫度測(cè)試，使用自動(dòng)采集儀進(jìn)行自動(dòng)采集存儲(chǔ)，采樣頻率為0.5 h，使用GPRS無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，溫度觀測(cè)貫穿無(wú)砟軌道整個(gè)施工過(guò)程(大致分為3個(gè)階段：① 底座板施工完成，無(wú)遮擋；② 底座板上放置軌道板未灌注瀝青砂漿；③ 軌道板與底座板之間灌注瀝青砂漿，形成完整的軌道結(jié)構(gòu)).軌道板鋪設(shè)完成時(shí)間為2013年10月4日.

2 縱連板式無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)分布規(guī)律

2.1 無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)日變化規(guī)律

為研究軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度日變化規(guī)律，以截面Ⅱ?yàn)槔x取10月5日、10月10日、10月11日、10月12日和10月13日5個(gè)晴天的觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2.F點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)為軌道板頂部溫度，G點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)為軌道板底部溫度，H點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)為底座板頂部溫度，J點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)為底座板底部溫度.其變化規(guī)律如圖2所示，5天中各點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)基本相同，由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低，各測(cè)點(diǎn)溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間存在滯后.

時(shí)刻(a) 軌道板頂溫度5日變化規(guī)律

時(shí)刻(b) 軌道板底溫度5日變化規(guī)律

時(shí)刻(c) 底座板頂溫度5日變化規(guī)律

時(shí)刻(d) 底座板底溫度5日變化規(guī)律

對(duì)于軌道板頂面，其溫度最小值一般出現(xiàn)在早上7:00，最大值一般出現(xiàn)在14:30，日變化幅值一般為16 ℃；軌道板底溫度最小值一般出現(xiàn)在早上7:30，最大值出現(xiàn)在下午15:30，日變化幅值一般為12 ℃；底座板頂溫度最小值一般出現(xiàn)在上午10:30，最大值出現(xiàn)在21:00，日變化幅值一般為2.8 ℃，底座板底部溫度最小值一般出現(xiàn)在下午14:00，最大值出現(xiàn)在凌晨4:30左右，日變化幅值一般為1 ℃.隨著軌道結(jié)構(gòu)深度的增加，溫度變化幅值不斷降低且溫度變化趨勢(shì)不斷滯后，結(jié)構(gòu)頂面至底面峰值時(shí)刻滯后10 h.

2.2 溫差日變化規(guī)律

為研究軌道結(jié)構(gòu)中溫差的日變化規(guī)律，以10月11日為例，將截面Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ溫差隨時(shí)間變化情況匯總于圖3.

溫度/℃

(a) 截面Ⅰ溫差日變化規(guī)律

(b) 截面Ⅱ溫差日變化規(guī)律

(c) 截面Ⅲ溫差日變化規(guī)律

可以看出，軌道板結(jié)構(gòu)沿深度方向的溫差主要有3種模式，21:00—7:00為負(fù)梯度溫度，軌道結(jié)構(gòu)在7:00附近出現(xiàn)最大負(fù)梯度分布，9:00時(shí)上下溫度較為一致，此后至晚上21:00出現(xiàn)正溫差，軌道結(jié)構(gòu)在15:00附近出現(xiàn)最大正梯度分布，循環(huán)往復(fù).

2.3 日最大溫差分布

從本文監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)分析(10月5日至11月5日)，最大的正負(fù)梯度分布如圖4所示.

軌道板結(jié)構(gòu)秋季中豎向最大正溫差出現(xiàn)在10月11日中午2:30，軌道結(jié)構(gòu)中部(截面Ⅱ)最大值為14.7 ℃.當(dāng)天天氣晴朗，氣溫21～32 ℃(當(dāng)?shù)貧庀缶职l(fā)布)，云量較少，上表面接受到太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，升溫迅速，因混凝土的導(dǎo)熱性差，熱量向下傳遞緩慢，軌道板底部溫度峰值滯后軌道板頂部溫度峰值約2 h.

軌道板溫度自出現(xiàn)最大溫差后(中午2：30)開(kāi)始下降，并在17:00左右(落日時(shí)間前0.5～1 h)，軌道板頂部與底部溫度趨于一致，此后軌道板頂部溫度低于底部溫度，第二天早晨6:30左右溫度開(kāi)始回升(日出后0.5～1 h)，并于早上8:00左右，與底座板頂部溫度趨于一致，之后開(kāi)始高于頂部溫度.軌道結(jié)構(gòu)秋季中豎向最大負(fù)溫差出現(xiàn)在10月16日早上6:00，當(dāng)日天氣多云，氣溫14～21 ℃，云量較多，夜間氣溫下降較大，表層溫度因接觸大氣溫度下降較快，軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度降低較慢，從而產(chǎn)生負(fù)溫差，至早上6:00出現(xiàn)最大負(fù)溫差，軌道結(jié)構(gòu)中部(截面Ⅱ)產(chǎn)生最大負(fù)溫差為10.0 ℃.

(a) 軌道結(jié)構(gòu)秋季最大正溫差分布

(b) 軌道結(jié)構(gòu)秋季最大負(fù)溫差分布

2.4 溫差平均分布

本文所用溫度數(shù)據(jù)中晴天天數(shù)共計(jì)15 d，多云或陰天天數(shù)共計(jì)14 d，雨天天數(shù)共計(jì)2 d，各截面不同天氣狀況下的平均溫差分布如圖5所示，對(duì)于截面Ⅱ正溫差，晴天平均值為14 ℃，多云或陰天情況下為8 ℃，雨天為4 ℃；對(duì)于負(fù)溫差，晴天平均值為6 ℃左右，多云或陰天時(shí)為4 ℃，雨天為2 ℃.

(a) 軌道結(jié)構(gòu)秋季晴天天氣平均正溫差

(c) 軌道結(jié)構(gòu)秋季雨天天氣正溫差

(d) 軌道結(jié)構(gòu)秋季晴天天氣平均負(fù)溫差

(e) 軌道結(jié)構(gòu)多云天氣平均負(fù)溫差

(f) 軌道結(jié)構(gòu)雨天天氣平均負(fù)溫差

3 曲線段上無(wú)砟軌道豎向溫度荷載模式

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整理和擬合，軌道結(jié)構(gòu)豎向溫差分布擬合曲線如圖6所示，因截面Ⅲ側(cè)面也能夠接收陽(yáng)光輻射，所以正溫差中采用截面Ⅰ和截面Ⅱ溫度值的平均擬合第一條曲線，采用截面Ⅲ的溫度值單獨(dú)擬合一條曲線，負(fù)溫差中采用3個(gè)截面的溫度平均值擬合曲線，對(duì)測(cè)試時(shí)間內(nèi)最大溫差和晴天平均梯度分別進(jìn)行回歸擬合，得到典型地區(qū)秋季豎向溫差荷載模式.

(a) 軌道結(jié)構(gòu)最大正溫差

(b) 軌道結(jié)構(gòu)晴天平均正溫差

(c) 軌道結(jié)構(gòu)最大負(fù)溫差

(d) 軌道結(jié)構(gòu)晴天平均負(fù)溫差

由圖上可知最大正豎向溫差曲線為：

T1,2=19.65×e-7.87y和T3=23.39×e-5.50y.

(1)

晴天平均正溫差曲線為：

T1,2=15.85×e-7.81y，T3=18.89×e-6.39y.

(2)

式中：T1,2為對(duì)截面Ⅰ和Ⅱ擬合的溫度(單位℃)分布；T3為對(duì)截面Ⅲ擬合的溫度(單位℃)分布；y為距離頂面距離(單位m).

擬合得到最大負(fù)溫差曲線為：

T=-12.57×e-4.37y.

(3)

晴天平均負(fù)溫差曲線：

T=-8.06×e-4.3y.

(4)

式中:T為擬合溫度(單位℃)分布;y為距離頂面距離(單位m).擬合結(jié)果中相關(guān)系數(shù)的平方均在0.9以上，說(shuō)明擬合結(jié)果較為可靠.

以上擬合曲線與中國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中箱梁豎向溫差指數(shù)分布曲線形式相近[14].

4 結(jié) 論

對(duì)我國(guó)中部地區(qū)某客運(yùn)專線曲線段簡(jiǎn)支梁上縱連板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的觀測(cè)和分析表明：

1) 軌道結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)輻射影響下，頂面溫度變化迅速，隨著距表面距離的增加，溫度變化幅值不斷減小，峰值出現(xiàn)時(shí)間不斷滯后.

2) 軌道板表面最高溫差可達(dá)16 ℃，平均日溫差達(dá)8 ℃，底座板底面最大日溫差為1.5 ℃，平均為0.8 ℃.

3) 軌道結(jié)構(gòu)豎向梯度分布日變化規(guī)律隨陽(yáng)光輻射變化明顯，呈現(xiàn)周期性變化.秋季無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)頂?shù)酌孀畲笳郎夭钜话愠霈F(xiàn)在14:00，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中部最大正溫差達(dá)14.7 ℃，最大負(fù)溫差一般出現(xiàn)在早上6:00，為10.0 ℃.

4) 橋上縱連板式無(wú)砟軌道豎向溫差分布曲線符合指數(shù)分布規(guī)律，與中國(guó)鐵路規(guī)定的箱梁豎向溫差分布的指數(shù)曲線形式上相近.對(duì)于不同緯度、不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度地區(qū)無(wú)砟軌道豎向溫差分布情況，還需進(jìn)一步的觀測(cè)與分析.

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Experimental Study on the Vertical Temperature Gradient of Longitudinally Connected Slab Ballastless Track on Bridge in Autumn

DAI Gong-lian,SU Hai-ting?, YAN Bin

(School of Civil Engineering, Central South Univ, Changsha, Hunan 410075, China)

Based on the results of continuous observations of the longitudinally connected ballastless track on curved bridges, the time-dependent deformations of vertical temperature gradient in different kinds of weather were discussed. Based on statistics and curve-fitting, raised temperature load models were fit for typical areas in our country. The analysis results reveal that the changing of the temperature in the track structure is fast, the temperature changing value of surface was 16.0℃ in maximum and 8.0℃ in average, the temperature changing value became small, and the time of maximum temperature come late with the increase of distance to surface, and at the bottom of the track structure, the temperature changing value was 1.5 ℃ in maximum, 0.8 ℃ in average, the fitting curve of vertical temperature gradient in longitudinally connected ballastless track on curve bridge can be exponential curve, and the distribution law matches the provisions about the vertical temperature gradient of the code for the design of railway bridges and culverts in China.

railroad bridges; railroad engineering; track structure; temperature distribution; experimental analysis

1674-2974(2015)03-0094-06

2014-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378503)，National Natural Science Foundation of China(51378503); 高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1334203); 中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M552158)

戴公連(1964-)，男，河南夏邑人，中南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail:suhaiting 1988@gmail.com

U213.912

A