基于人工環(huán)境下雙塊式無砟軌道溫度場試驗方法*

張亞可，胡錦琳，韋有信，朱雨欣，許雯，王博，莊晨，胡昊，施閱章

（江蘇省南京工程學院建筑工程學院 江蘇 南京 211167）

0 引言

嚴寒地區(qū)冬季寒冷氣溫低，晝夜溫差大的惡劣環(huán)境將對應(yīng)用于該類型地貌環(huán)境的雙塊式無砟軌道起到較大溫差變換和高溫度梯度的雙重作用，此類地區(qū)通常選用單元式無砟軌道結(jié)構(gòu)，以避免出現(xiàn)由于低溫環(huán)境以及大溫差環(huán)境造成的連續(xù)式混凝土結(jié)構(gòu)嚴重開裂等問題。

我國的無砟軌道大多采用混凝土材料的層狀結(jié)構(gòu)物，而且混凝土是一種感溫材料，所以無砟軌道受溫度變化的影響較大。無砟軌道結(jié)構(gòu)直接暴露在室外環(huán)境中，周圍變化的環(huán)境溫度會引起無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的周期性變化，由于澆筑的混凝土等感溫材料傳熱系數(shù)較低，導(dǎo)熱能力較差，無砟軌道表面的溫度變化要強于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化，形成較大的溫度梯度，從而引起結(jié)構(gòu)的翹曲變形，產(chǎn)生翹曲應(yīng)力，造成道床板的損壞和結(jié)構(gòu)破壞，嚴重時會影響到行車安全。因此對于無砟軌道，溫度場的響應(yīng)分析研究是極具研究意義的。

1 試驗準備

1.1 目的

在人工環(huán)境模擬下，利用紅外熱像儀，分別測出事先做好的分層處理的道床板試塊各表面的溫度值。

1.2 試驗方案

選擇雙塊式無砟軌道的道床板進行溫度測試。同時人工調(diào)節(jié)的外部環(huán)境溫度也在我們的溫度倉實驗室內(nèi)得到了很好的控制。利用已有的溫度倉和紅外熱像儀來檢測在人工模擬環(huán)境下，長時間控制在某一特定溫度值時，試塊表面的溫度分布以及溫度梯度值。

2 試驗操作

2.1 試塊制作

圖1 為我們的試塊制作模具，整體尺寸為4 500mm（長）*3 500mm（寬）*240mm（高）。下一步將模具內(nèi)部進行高度標記，首先在據(jù)模具底板位置標記一道高為40mm 的標記線，隨后又分別標記兩道高為80mm 和120mm 的標記線。現(xiàn)在模具上已經(jīng)有了三層標記線，在澆筑混凝土的過程中充分振蕩，使剛澆筑的混凝土剛好沒過標記線，便可得到高度為40mm、80mm 和120mm 的分層道床板試塊。

圖1 試塊制作模具

混凝土強度我們嚴格按照配合比來澆筑強度為C40 的混凝土，在混凝土成型時表面定會有凹凸不平的起伏存在，后期我們將會對試塊表面進行抹平處理，盡量向整體混凝土試塊的孔隙率靠攏。實驗過程中以盡量減少道床板分層試塊縫隙為核心主旨，先做出高度為40mm 的道床板分層試塊。40mm 高度的試塊脫模后粗略的在其表面上用薄薄一層的水泥砂漿找平，養(yǎng)護結(jié)束后在其表面貼上透明膠帶，膠帶表面和模具表面涂抹潤滑油，再放入模具中繼續(xù)澆滿混凝土，這樣就可以得到兩組高度不同的道床板分層試塊之間能夠無縫對接的標準試塊。隨后我們制作出兩組高度為120mm 的道床板分層試塊，4 組高度為80mm的道床板分層試塊，四組高度為40mm 的道床板分層試塊。

2.2 具體操作辦法

將兩塊高度為120mm 的道床板分層試塊疊在一起，組成高度為240mm 的標準道床板試塊，暫且標記為組別①；將兩塊高度為40mm 的道床板分層試塊和兩塊高度為80mm 的道床板分層試塊按照圖2 的疊加方式進行排列，暫且標記為組別②；同上，按照圖2 的疊加方式進行排列，暫且標記為組別③。其中，組別①與組別②③互為對照組，驗證縫隙對溫度的傳遞是否存在影響。組別②與組別三作為另一組對照組，驗證試驗準確性。

圖2 道床板分層試塊擺放方式及組別

首先，將溫度倉的溫度、濕度、光照強度等各項參數(shù)設(shè)置好，將2 個120mm 的試塊疊放形成整體試塊，擺放情況如圖2。將所有試塊放在已經(jīng)調(diào)好溫度的溫度倉中放置1h，利用紅外熱像儀測得組別①表面1、4、7 的溫度分布情況，繼續(xù)測組別②表面的1、2、4、5、7 的溫度分布情況，最后測得組別③表面的1、3、4、6、7。最終，將3 組試驗的數(shù)據(jù)匯總分析，得出整體各個層面的溫度分布情況。該實驗可以充分模擬自然環(huán)境下的道床板經(jīng)外部環(huán)境影響的情況，為了使試驗更具有說服性，使試驗的數(shù)據(jù)更加完美，需要做到兩次試驗開始時各個表層的溫度參數(shù)值保持一個相同的定值，當各個表層溫度都基本一致并有保持較長時間時，才可以開始試驗并改變試驗所需要的環(huán)境參數(shù)進行試驗。

2.3 紅外熱像圖數(shù)據(jù)提取

每組道床板分層試塊在溫度倉內(nèi)傳熱進行完全后，即溫度區(qū)域在一定值并保持較長時間后，用紅外熱像儀拍攝各個層面，并將各個層面的紅外熱像圖上傳至電腦進行分析。再次需要注意的是拍攝前應(yīng)預(yù)先設(shè)置好紅外熱像儀的拍攝參數(shù)，保持攝像儀與表面之間距離在1m 之內(nèi)且為一固定值，保證鏡頭水平面與試塊層面平行，確保數(shù)據(jù)分析時圖片尺寸與實際試塊尺寸比例始終相等。現(xiàn)建立溫度變化軸，如圖3 取紅外熱像圖內(nèi)試塊對角線連線作為橫軸，取中心點處與試塊長邊做垂線作為豎軸。在橫軸和豎軸上取六等分點Sp1 、Sp2、 Sp3、 Sp4、 Sp5，Sp6、 Sp7、 Sp8、 Sp9、Sp10、Sp11、Sp12、Sp13，依次連接點Sp1 和點Sp7 ，點Sp1 和點Sp13 ，以此類推，做出五條等分平行線，進而直觀的觀察出各個層面在x-y 方向的溫度梯度值以及橫豎方向上的傳熱變化趨勢。

根據(jù)上述內(nèi)容，一共有13 個點位，應(yīng)用軟件FLIRTools 便可獲得該13 個點位的溫度值，此方案能夠大大的降低成本，避免了原先復(fù)雜的預(yù)埋傳感器以及價格昂貴的分析軟件，依據(jù)此試驗方法便可以得到理想的數(shù)值。

3 道床板溫度場規(guī)律分析

3.1 道床板溫度隨外界溫度變化規(guī)律

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，將試塊表面溫度進行整理。當溫度倉設(shè)定溫度在40℃進行溫度加載，不難發(fā)現(xiàn)最高溫度往往出現(xiàn)在邊角處，為研究道床板溫度隨外界溫度變化規(guī)律，將試塊邊角處溫度及中心點溫度進行溫度梯度整合，整合內(nèi)容如下圖所示。

根據(jù)試驗可得：當溫度倉設(shè)定溫度值為40℃時，試塊表面橫向最高溫度可達39℃；表面豎向最大溫度可達37.5℃；表面邊緣與中心處最大溫差可達9.7℃。內(nèi)部豎向最大溫度可達38.9℃；最低溫度低至15.9℃；內(nèi)部橫向最大溫度可達38.9℃；最低溫度低至15.9℃，但內(nèi)部邊緣于中心處最大溫差變化相較于表面邊緣與中心處最大溫差大，最高可達13.9℃。

圖4、圖5 為道床板試塊溫度分布規(guī)律，參照圖3 分層試塊表面溫度點位選取示意圖，可以看出底面整體溫度要略低于表面溫度且表面溫度變化幅度大于底面溫度變化幅度。

圖4 道床板試塊表面選取點位溫度統(tǒng)計圖

圖5 道床板試塊底部選取點位溫度統(tǒng)計圖

圖6 分層試塊在FILRTools 中呈現(xiàn)的熱成像圖及點位具體數(shù)值

根據(jù)圖4 和圖5 中曲線以及測得數(shù)據(jù)可得，道床板內(nèi)部溫度變化受外部環(huán)境溫度影響較大，道床板邊緣部分較中間部分溫度高，尤其是試塊四邊角部分，更是達到試塊表面的最大溫度值，呈現(xiàn)出一種四周高，中心低的同心圓形態(tài)。道床板試塊上層溫度在溫度倉中接受試驗時，表面邊緣溫度值為該表面溫度最大值；道床板試塊下層溫度與試塊上層溫度差值較大，呈現(xiàn)出一種上部高，下部低的趨勢。根據(jù)紅外熱成像儀拍出的數(shù)據(jù)可得，試塊整體溫度變化范圍大體呈圓形圖案，如按照一定的溫度差值繪制等溫度線，可以看出各條等溫度線大概率成同心圓圖案排列。

3.2 道床板溫度梯度分布規(guī)律

為了分析道床板內(nèi)部溫度梯度的變化規(guī)律，選取道床板分層試塊同一溫度軸的同一監(jiān)測點與其上下表面不同深度處的測定點溫度。即如圖2所示，選取組別②和組別③兩組數(shù)據(jù)的同一點位，對于相同層面的不同數(shù)據(jù)則取平均值為準。如在組別②和組別③中選取同一點位，如sp13 點，由于組別②和組別③共同擁有層面1，所以取組別②和組別③兩組溫度數(shù)據(jù)的平均值為層面1 的點位值。根據(jù)所得數(shù)軸的曲線變化斜率來判斷道床板處不同位置中同一位點的溫度梯度。

由圖7 和圖8 可以表明，隨著距道床板表面深度的不斷增加，軌道內(nèi)部的溫度差值逐漸增大，邊緣部分的溫度變化斜率略低于中心部位的溫度變化斜率，呈現(xiàn)出一種邊緣部向中心部分溫度變化斜率逐漸增大的趨勢。這也表明，實際應(yīng)用中的雙塊式無砟軌道道床板內(nèi)部的溫度梯度變化值明顯大于邊緣部分的溫度梯度變化值。

圖7 分組試塊在加載一小時后各層面點位溫度值

4 結(jié)語

基于人工環(huán)境下的雙塊式無砟軌道道床板溫度場的一種新型的試驗方法，對道床板表面及其內(nèi)部進行溫度場響應(yīng)分析。借助紅外熱像儀以及紅外熱成像圖分析軟件FLIRTools，以及多點式橫豎交匯溫度變化軸研究方法的輔助，極大的減少了人工和成本，便捷了操作辦法，縮短了實驗周期與食鹽總時長。對此可以得到如下結(jié)論，為我國雙塊式無砟軌道提供理論依據(jù)。

（1） 無砟軌道受外界環(huán)境溫度變化影響較大，道床板表面及內(nèi)部有著較大的溫度梯度值。

（2） 在人工環(huán)境下的溫度場試驗分析過程中，道床板邊緣部分較中間部分溫度高，呈現(xiàn)出一種四周高，中心低的變化趨勢。道床板上層溫度比下層溫度值要高且溫度差值較大，呈現(xiàn)出一種上部高，下部低的變化趨勢。

（3） 在人工環(huán)境下的溫度場試驗分析過程中，隨著距道床板表面深度的不斷增加，溫度梯度的變化趨勢也隨之變大，道床板內(nèi)部溫度變化受外界環(huán)境溫度的影響也就越小。

（4） 在人工環(huán)境下的溫度場試驗分析過程中，道床板角部及邊緣部分的溫度梯度變化范圍要小于道床板中心部位的溫度變化范圍。道床板容易發(fā)生病害的地方極有可能出現(xiàn)在邊緣部分以及角部部分。

通過上述利用一種新的多點式橫豎交匯溫度變化軸方法，極大的減少了成本，節(jié)約了人力和時間。依據(jù)此方法得到的結(jié)論，如下建議：

（1） 無砟軌道道床板受外界環(huán)境溫度變化影響較大，建議在修建無砟軌道時首先考慮溫度對軌道的病害影響。

（2） 道床板的邊緣部分及角部分溫度梯度值較大，建議澆筑時重點注意此部分以及檢修時重點檢修此部分。

（3） 隨著距道床板表面溫度的距離不斷增加，道床板內(nèi)部的溫度梯度逐漸減小，建議完善無砟軌道尺寸結(jié)構(gòu)，研究出更加經(jīng)濟的新型軌道結(jié)構(gòu)。

圖8 分組試塊在加載兩小時后各層面點位溫度值