CRTSⅢ型無砟軌道冬季溫度場特性

潘勛 周小勇 陳鷹 倪林

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，武漢 430074；2.中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江湖州 313000）

我國高速鐵路無砟軌道主要采用混凝土結構。CRTSⅢ型無砟軌道由我國自主設計，被應用于多條鐵路線路［1］。其軌道結構包括CHN60型鋼軌、WJ-8扣件系統、CRTSⅢ型預制軌道板、自密實混凝土層、中間隔離層及混凝土底座板，如圖1所示。

圖1 CRTSⅢ型無砟軌道結構

由于混凝土材料導熱性能較差，內部溫度受太陽輻射、氣溫、熱對流等外界因素影響較大，軌道結構易形成白天“上熱下冷”（正溫度梯度）、夜間“上冷下熱”（負溫度梯度）的情況，導致軌道板發生翹曲變形，影響軌道行車安全及結構耐久性［2］。國內外學者針對無砟軌道溫度作用開展了大量研究。王森榮等［3］對CRTSⅠ型普通軌道板和框架型軌道板進行全天測量并分析了溫度翹曲應力；劉學毅［4］研究了國內外溫度翹曲應力計算理論與方法；劉鈺等［5］認為板面溫度對溫度梯度起控制作用，提出了減少CRTSⅡ型無砟軌道結構層間早期離縫的有效措施；歐祖敏等［6］基于熱工學原理，利用氣象數據得到無砟軌道結構豎向溫度場分布的計算模型；劉偉斌等［7］在CRTSⅢ型板式無砟軌道試驗段開展溫度場長期監測試驗，研究溫度梯度變化規律；李佳雨等［8］采用貝葉斯理論建立夏季無砟軌道溫度梯度預測模型。

既往研究針對CRTSⅢ型無砟軌道內部溫度場特性的內容相對較少。根據現有的維修檢查結果［9］，溫度應力會導致軌道結構開裂，溫度變形會導致軌道結構各層之間形成離縫。我國幅員遼闊，不同地區氣候差異大，因此研究不同地區CRTSⅢ型無砟軌道溫度場分布特點具有重要意義。

本文在昌贛客運專線線外預制場地布設無砟軌道溫度場自動監測系統，研究CRTSⅢ型無砟軌道結構溫度分布規律。

1 溫度場監測試驗

圖2 CRTSⅢ型無砟軌道溫度場監測現場

為了長期監測軌道板溫度場，在昌贛客運專線泰和段線外制作CRTSⅢ型無砟軌道1∶1 足尺模型并安裝溫度自動檢測系統，見圖2。模型中CRTSⅢ型預制軌道板（簡稱軌道板）尺寸為5 600 mm×2 500 mm ×200 mm，自密實混凝土現澆層為5 600 mm×2 500 mm×90 mm，底座板為5 600 mm×2 900 mm×200 mm。整個結構呈南北走向。監測時間從2018 年10 月開始，監測頻率為30 min/次。

由于試驗現場的CRTSⅢ型無砟軌道為單元板，考慮日照位置對板端、板角、板中和板側溫度的影響，在各部位均布置溫度測點，共7個，如圖3（a）所示。無砟軌道結構在豎向的溫度分布是非線性的，在底座板內分布比較均勻，溫度變化較小［10］。考慮層間可能出現溫度變化，在每個測點豎向布置6個溫度傳感器，分別位于軌道板的頂面、中部、底面，自密實混凝土層的頂面、底面，底座板中部，如圖3（b）所示。

圖3 CRTSⅢ型無砟軌道模型溫度傳感器布置（單位：mm）

2 軌道結構晴天溫度規律

2.1 溫度日變化規律

選取2019 年1 月的典型數據進行溫度日變化規律分析。由于軌道結構受大氣溫度、太陽輻射、空氣對流換熱等影響，同時考慮四周測點受日照位置影響較大，因此選取位于軌道結構中間的5#測點在晴天（22，23，26，27，28 日）時的數據進行分析。其溫度日變化規律見圖4。

由圖4可知：①軌道板、自密實混凝土層和底座板的溫度變化規律基本一致，均以日為單位周期性變化。②受日照影響，白天軌道板頂面溫度高于底面溫度，為正溫度梯度；夜間由于軌道板表面散熱快而內部降溫慢，呈負溫度梯度。③軌道板頂面和底面的最高溫度分別出現在15：00和17：00，自密實混凝土層和底座板的溫度在夜間陸續達到峰值，表明受混凝土導熱性的影響，軌道結構的溫度變化沿豎向有明顯的滯后性。④對比各層結構的日溫度變化幅度，軌道板頂面最大溫差為6.1℃（1月28日），同日自密實混凝土層最大溫差僅2.9℃。自軌道板表面沿豎向向下，溫度變化幅度逐漸減小。

圖4 軌道結構晴天溫度日變化曲線

2.2 溫度豎向分布規律

為研究無砟軌道溫度豎向分布規律，選取5#測點在日溫差最大的1 月28 日的實測數據進行分析，其不同時刻溫度豎向分布見圖5。

圖5 1月28日5#測點不同時刻溫度豎向分布

由圖5 可知：①軌道結構溫度沿豎向呈非線性變化，隨著深度增加，溫度變化斜率逐漸減小。②各結構層接觸位置溫度梯度有所突變，可近似按分段線性考慮軌道結構溫度梯度變化。③在全天各時刻，軌道板和自密實混凝土層的溫度梯度變化較大，其中00：00，08：00，20：00，24：00 的軌道結構溫度為負溫度梯度，12：00，15：00，17：00 為正溫度梯度。最大正、負溫度梯度分別出現在15：00和08：00，與軌道板頂面最高、最低溫度出現時間基本一致。而底座板溫度梯度幾乎不變，全天呈正溫度梯度狀態，表明底座板內溫度分布受外界環境影響較小。

2.3 溫度橫向分布規律

無砟軌道與太陽相對位置不斷變化，導致結構側邊在一天內可能處于陰面或陽面，影響橫向溫度變化。為研究軌道結構橫向溫度分布規律，選取4#—6#測點在1 月28 日的實測數據進行分析，其不同時刻軌道板頂面溫度橫向分布見圖6，15：00時不同軌道結構層溫度橫向分布見圖7。

圖6 不同時刻軌道板頂面溫度橫向分布

圖7 15：00時不同軌道結構層溫度橫向分布

從圖6 可知，①4#和6#測點（軌道板左右兩端）溫度高于5#測點（軌道板中間）溫度，橫向溫度呈現兩邊大中間小的規律。這是由于軌道板在白天受太陽輻射影響的較大，頂面和側面均與外界進行熱交換，導致側邊溫度變化比中間位置劇烈。②軌道結構溫度沿橫向呈非對稱分布。上午4#測點溫度高于6#測點，而下午4#測點溫度低于6#測點，2 測點最大溫差為0.5 ℃。這是由于軌道結構表面吸收太陽輻射熱量受太陽與軌道結構相對位置影響較大，上午東端的4#測點位于陽面，西端的6#測點位于陰面，下午則恰恰相反。

從圖7 可知，各結構層的測點橫向溫差隨深度增加而逐漸減少，其中軌道板頂面橫向溫差最大，為0.7 ℃。

雖然冬季軌道結構溫度變化不明顯，但從總體規律可以看出CRTSⅢ型軌道豎向溫度梯度大于橫向溫度梯度，對結構溫度影響起主導作用。

3 不同天氣下溫度規律

太陽輻射強度是影響無砟軌道結構內部溫度變化的主要因素［11］。無云晴天的太陽輻射最強，而陰雨天太陽輻射較弱，內部溫度變化小。選取2019 年1 月1 日（雨天）、1 月17 日（陰天）、1 月28 日（晴天）下午15：00 時5#測點溫度數據，分析不同天氣下溫度變化規律，見圖8。

圖8 不同天氣下軌道結構豎向溫度分布曲線

從圖8可知，晴天軌道結構豎向溫度梯度較大，最大溫差9.9 ℃；陰雨天溫度隨深度變化不明顯，甚至出現軌道板頂面溫度低于底座板溫度的情況。這是由于陰雨天太陽輻射較弱，外界氣溫成為影響軌道結構溫度梯度的主要因素，而陰雨天時氣溫低于軌道結構底部的溫度，出現負溫度梯度。

4 豎向溫度梯度預估模型

通常情況下溫度現場試驗監測周期為1～2 年，采用統計學原理得到的最大溫度梯度值適用性有限，僅可用于研究區域的溫度效應分析，無法適用于氣候條件不同的地區，因此根據實測無砟軌道溫度數據并結合當地氣象參數建立豎向溫度梯度預估模型更具有實用性。

考慮日氣溫差和太陽輻射總量影響，謝國忠等［12］建立了溫度梯度二元回歸模型并用于水泥混凝土路面溫度梯度預測。而賀曉東［13］認為綜合考慮太陽輻射總量和日氣溫差2個因素的二元公式得到的最大溫度梯度結果很不穩定，且日氣溫差受太陽輻射影響較大。劉偉斌［7］采用日最高氣溫和太陽輻射總量推測了復合板日最大溫度梯度，但日最大溫度梯度與日最高氣溫的決定系數只有0.56。因此，本文僅考慮日輻射總量因素的影響，建立日最大溫度梯度預估模型。

根據當地日太陽輻射總量的氣象資料，計算冬季（2018年11月～2019年1月）每天的最大溫度梯度值并降序排列，進行一元回歸分析。由于軌道板與自密實混凝土層結合成復合板，在其范圍內豎向溫度受外界環境影響較大，故選取復合板溫度梯度進行回歸分析。其冬季日最大正溫度梯度ΔT為

式中：Q為日輻射總量；R2為決定系數。

5 結論

本文在昌贛客運專線線外建立了CRTSⅢ型無砟軌道溫度場監測實尺模型，分析冬季無砟軌道結構溫度分布規律并提出了豎向溫度梯度預估模型。結論如下：

1）軌道結構日溫度隨氣溫周期性變化，最大正溫差出現在15：00，最小負溫差出現在8：00；由于混凝土導熱性能差，軌道結構的溫度變化沿豎向有明顯的滯后性。

2）軌道結構溫度沿豎向呈非線性變化，隨著深度增加，溫度變化斜率逐漸減小；軌道結構橫向溫度分布受太陽與軌道結構相對位置影響較大，呈現兩邊大中間小的規律；軌道結構豎向溫度梯度大于橫向溫度梯度，對結構溫度影響起主導作用。

3）軌道結構在晴天溫度梯度較大，陰雨天較小，受外界氣溫影響甚至出現負溫度梯度。

4）對CRTSⅢ型無砟軌道復合板結構溫度梯度與日輻射總量進行一元回歸分析，建立冬季豎向溫度梯度預估模型，為進一步研究不同氣候條件下CRTSⅢ型無砟軌道的溫度梯度提供了參考。