高溫季節橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度分布試驗研究

趙磊，周凌宇，張營營，袁亞慧，鄒蒞凡，余志武, 2

高溫季節橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度分布試驗研究

趙磊1，周凌宇1，張營營1，袁亞慧1，鄒蒞凡1，余志武1, 2

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

為研究高溫季節高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道的溫度分布規律，制作CRTSⅡ型板式無砟軌道－預應力混凝土簡支箱梁1: 4縮尺試驗模型。通過開展夏季典型高溫天氣的溫度試驗，分析高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結構的溫度分布變化規律，研究無砟軌道橫、豎向溫度分布型式。結果表明：在非陽光直射條件下，高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道豎向溫度分布、溫差分布和溫度梯度分布均呈“S”形非線性分布，且呈周期性變化；軌道板與CA砂漿層間豎向溫度梯度為正溫度梯度，最不利豎向負溫度梯度發生于CA砂漿層與底座板層間；CA砂漿內部豎向溫度梯度最顯著，最大值為27.0 ℃/m；無砟軌道橫向溫度分布呈拋物線型，三維溫度分布呈馬鞍形曲面。

高速鐵路橋；CRTSⅡ型板式無砟軌道；高溫天氣；模型試驗；溫度分布

溫度變化是無砟軌道結構產生離縫、不平順[1?3]等病害的最主要因素之一，溫度分布對無砟軌道的溫度作用效應影響巨大[4?5]。近年來對無砟軌道溫度場分布的研究日漸增多[6?7]，但大部分研究主要針對路基上的無砟軌道[8?9]，且研究方法主要為基于有限元的數值分析法和基于現場測試的統計分析法。劉付山等[10]利用有限元建立路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道數值模型，研究了溫度隨時間變化以及太陽輻射等因素對軌道板溫度分布的影響；閆斌等[11]建立了無砟軌道溫度分析有限元模型，研究了CRTSⅡ型板式無砟軌道的豎向溫度分布；由于模型缺少確切的水泥乳化瀝青砂漿熱力學參數，數值模擬研究存在較大缺陷。戴公連等[12]基于溫度監測數據統計，探索了CRTSⅡ型板式無砟軌道在路線超高段的橫、豎向溫度變化特征，但由于溫度傳感器數量布置不足，因此對橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道的三維溫度分布研究仍然存在不足。此外，高亮等[13]也利用有限元模型分析了溫度梯度、整體溫度及極端溫度作用下CRTSⅡ型板式無砟軌道的受力變形規律。綜述而言，現有關于無砟軌道溫度分布的研究手段仍然以有限元分析為主，缺乏更進一步的模型試驗研究，有關水泥乳化瀝青砂漿和箱梁對CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度分布帶來的巨大影響仍沒有引起足夠的重視。同時，目前無砟軌道溫度場分布的試驗研究較少，且均為針對太陽照射于無砟軌道表面的非均勻受熱狀態的溫度場[6, 12]，涉及多云天氣全路段、高鐵場站、公鐵兩用橋上等非陽光直射條件下的無砟軌道溫度分布規律研究則沒有相關報道。一般情況下，陽光直射條件下的無砟軌道溫度梯度的變化主要由太陽照射直接引起，此時軌道板上表面溫度高，底座板下表面溫度低，豎向溫度差最大，豎向溫度梯度對結構性能起主導作用。而在非陽光直射條件下，無砟軌道溫度變化主要通過大氣進行熱傳導，此時豎向、橫向溫差及對結構性能的影響尚待深入研究。基于此，本文建立高速鐵路CRTSⅡ型縱連板式無砟軌道?橋梁結構體系1:4縮尺試驗模型，利用密集布置的新型溫度傳感元件和溫控系統開展夏季極端高溫天氣高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道的溫度分布試驗研究，為我國無砟軌道溫度場作用效應研究和設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 模型選取與制作

本文選取我國CRTSⅡ型板式無砟軌道+32 m型通用預應力混凝土簡支箱梁(雙線)為原型結構，根據形狀相似原則設計制作1:4縮尺試驗模型。縮尺模型結構如圖1所示。

試驗模型所用混凝土及CA砂漿等材料均與原型梁保持一致，滿足線膨脹系數和彈性模量的相似常數為1，模型與原型結構的約束條件保持一致，滿足邊界條件的相似性，在自重等作用下，模型與原型結構跨中上、下邊緣處混凝土的應力相等，滿足應力相似常數為1，具體物理量相似關系如表1所示。

考慮到CA砂漿的施工灌注及傳感器布設(需在CA砂漿內布置3層傳感器)，CA砂漿層厚度制作保持與原型結構相同(30 mm)；縮尺模型截面如圖2。

表1 物理量相似關系

單位：mm

單位：mm

1.2 主要材料參數

箱梁和軌道板的混凝土為C50，底座板為C30。CA砂漿材料實測強度及彈性模量等滿足要求，配合比如表2所示。

1.3 測點布置

在橋梁支座和跨中的無砟軌道截面均分別密集地預埋了3列7層共21枚JMT-36B型高精度半導體溫度傳感器，如圖3所示。

表2 CA砂漿配合比

單位：mm

為了確保模型制作過程中各傳感位置的精確固定，經過定位測量后，將溫度傳感器與無砟軌道中分布鋼筋進行定位綁扎，確保傳感器位置固定。圖3層間溫度測點數據可同時代表上、下兩層結構接觸面的溫度；溫度采集設備為JMZX-3001型綜合測試儀，精度±0.1 ℃。

1.4 測試方案

我國鐵路規范[14]給出了全國夏季七月份平均氣溫圖，數據顯示中南地區平均氣溫達28 ℃，是我國平均氣溫最高的幾個區域之一，因此，選擇夏季典型的高溫天氣，在我國中南地區開展溫度試驗可獲取該地區高溫季節最不利溫度作用效應。

試驗選擇在長沙市，在天氣晴朗且連續數日氣溫保持年度極高溫度38 ℃的時間段，以代表我國中南地區典型高溫時段。實驗室內通風良好，可準確地模擬夏季極高溫度狀態下高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道外部均勻受熱狀態的溫度分布。試驗連續開展24 h(09:00至次日09:00)，每半小時測試1次溫度結果。

2 豎向溫度分布及規律

2.1 溫度變化曲線

試驗當日天氣晴朗，通風良好，實驗室內溫度均勻；15:30時室外氣溫達到最高值38.0 ℃，地表溫度達到最大值44.5 ℃。由于室內環境避免了太陽光直接照射，結構表面受熱均勻，屬于均勻溫度場，因此試驗測得的無砟軌道在橋梁支座和跨中截面的溫度數據基本一致，故本文僅列出跨中截面測試結果，試驗模型中部豎向溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 試驗溫度?時間曲線

圖4顯示，試驗模型周圍環境氣溫在32.6℃～36.2 ℃之間大致呈正弦曲線式周期性變化。無砟軌道各結構層內的溫度變化趨勢總體上保持一致，均隨環境氣溫大致呈正弦曲線式周期型變化，但結構內溫度明顯滯后于環境氣溫。軌道板上表面最高溫度達到37.5 ℃，并始終高于其它結構層溫度和環境氣溫。無砟軌道各層溫度從上到下大致呈遞減趨勢；底座板中部溫度僅次于軌道板頂面溫度且大部分時間均高于其他層溫度，高溫作用效應顯著。

2.2 豎向溫度梯度變化規律

分析和比較本文無砟軌道各結構層內的溫度梯度，如圖5(a)。結果表明：各結構層內部溫度梯度呈周期性變化且均為正(規范[15]規定上熱下冷為正，反之為負)。縮尺模型中豎向溫度梯度在軌道板內最大值為19.5 ℃/m，在CA砂漿內最大值為27.0 ℃/m，在底座板內較小且變化不明顯，說明CA砂漿的豎向溫度梯度最大且變化最顯著，因此縮尺模型中CA砂漿層受豎向溫度梯度作用影響最大。

將軌道板與CA砂漿層間、CA砂漿層與底座板層間中部溫度梯度變化曲線繪出如圖5(b)所示。結果表明：試驗全過程軌道板與CA砂漿層間為正溫度梯度，最小為10.0 ℃/m，最大為22.5 ℃/m；CA砂漿層與底座板間均為負溫度梯度，最小為?15.0 ℃/m，最大為?25.0 ℃/m。最不利豎向正溫度梯度發生于軌道板與CA砂漿層間，而最不利豎向負溫度梯度發生于CA砂漿層與底座板層間。根據物體熱脹冷縮原理分析可以推測軌道板與CA砂漿層間容易產生中部上拱、離縫，而CA砂漿層與底座板層間容易產生邊緣剝離、翹曲。

2.3 豎向溫度分布

將試驗全過程豎向溫度分布繪制如圖6所示。

由圖6可知，不同時刻，無砟軌道豎向溫度分布呈“S”形，且各層內局部豎向溫度分布均具有非線性特征；在10:00前后各層溫度值最小，20:00～00:00時各層溫度值則較高。圖中CA砂漿內曲線平緩，溫度低于軌道板和底座板中部溫度，表明CA砂漿熱交換效率明顯低于采用混凝土材料的軌道板和底座板，因此CA砂漿層具有溫度傳遞阻滯效應(相對于軌道板和底座板)，并對底座板形成了保溫作用。

圖6 豎向溫度分布曲線

將本文溫度最高時刻(20:00)的豎向溫度分布曲線同文獻[11]進行對比，如圖7所示。

圖7 豎向溫度分布對比圖

圖7表明：本文的溫度分布為“S”形，不同于文獻[11]的分布形式。主要原因一方面為文獻[11]的有限元數值模型缺少CA砂漿熱力學參數，未考慮CA砂漿層對豎向溫度分布的影響；另一方面，本文為室內均勻溫度環境，溫度變化范圍也相應地小于文獻[11]采用的室外環境。此外，CA砂漿與混凝土熱傳導性能的較大差異也是本文“S”形豎向溫度分布的重要原因，這一差異也是我國CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度分布及離縫病害程度等與其他類型無砟軌道不同的主要原因。實際工程應用中，受CA砂漿層溫度傳遞阻滯效應的影響，含CA砂漿層的無砟軌道非常容易出現層間離縫，因此，在無砟軌道溫度效應設計和研究中應重點關注CA砂漿層；同時為了使溫度荷載下各層材料協調變形，在今后的無砟軌道發展中宜使各層材料的熱傳導性能盡可能一致。

2.4 豎向溫差分布

將試驗全過程不同時刻無砟軌道豎向溫差和溫度梯度分布繪制如圖8所示。圖8(a)顯示：無砟軌道豎向溫差分布呈“S”形；CA砂漿層曲線平緩，溫差變化顯著，進一步表明CA砂漿層具有溫度傳遞阻滯效應，使無砟軌道豎向溫差分布進一步復雜化。

(a) 豎向溫差分布；(b) 豎向溫度梯度分布

圖8(b)可知：結構的豎向溫度梯度分布仍為“S”形；最大梯度值為28.0 ℃/m，發生于06:00；CA砂漿內溫度梯度變化顯著，表明CA砂漿層受溫度梯度作用非常顯著。

將本文溫度最高時刻(20:00)的豎向溫差分布曲線同文獻[6]CRTSⅠ型無砟軌道及文獻[12] CRTSⅡ型板式無砟軌道的豎向溫差分布曲線作對比分析，如圖9所示。

圖9 豎向溫差分布對比圖

圖9給出了文獻[6]最大溫差11.5 ℃，文獻[12]最大溫差10.5 ℃，本文最大溫差1.9 ℃。圖9中兩參考文獻給出的溫差分布曲線較為接近，表明在室外條件下，CRTSII型無砟軌道與CRTSⅠ型無砟軌道豎向溫差分布型式近似。本文得到的溫差分布為“S”形，與文獻[12]不同，主要原因一方面為文獻[12]研究條件為現場太陽直射的室外環境，地表溫度和溫差大，而本文研究條件為室內環境，溫度和溫差變化范圍也相應較小；另一方面，文獻[12]的研究對象為超高段無砟軌道，測點布置不均勻，且未在CA砂漿層布置溫度測點，忽略了CA砂漿層的影響，而本文測點布置充分考慮了CA砂漿層的影響，因此溫差分布呈完整和均勻的“S”形曲線。此外，由于本文無砟軌道設置于橋上，研究結果與現有路基上無砟軌道溫度場文獻[8?9]結果略有不同，因此箱梁對無砟軌道底部的溫度補償作用也可能是產生這一結果的另一個因素。

3 橫向溫度分布及規律

3.1 橫向溫度分布

將試驗中無砟軌道溫度最高時刻(20:00)的橫向溫度分布和等溫線繪出如圖10所示。由于模型未受太陽直射，因此無砟軌道表面均勻受熱，結構對稱部位溫度相同。

圖10(a)結果表明：無砟軌道溫度最高時刻(20:00)，軌道板中間溫度高于邊緣，橫向溫度分布呈凸形拋物線型，最大正溫差0.8 ℃(規定中間溫度大于邊緣時溫差為正，反之為負)；CA砂漿的中、下層中間溫度小于邊緣，橫向溫度分布呈凹形拋物線型，最大負溫差達?0.5 ℃；底座板中、下層中間溫度高于邊緣，橫向溫度分布呈凸形拋物線型，最大正溫差0.7 ℃。圖10(b)結果表明：溫度最高時刻(20:00)，無砟軌道橫向具有2個高溫核心，一個位于軌道板上表面中間，一個位于底座板的中間部位；軌道板和CA砂漿等溫線總體呈凹形，底座板等溫線呈凸形，此時軌道板和底座板中間溫度略高于邊緣，熱量蓄積在底座板中部，因受CA砂漿的覆蓋保溫而難以消散，進一步表明CA砂漿具有隔熱保溫效應，阻隔上下層熱量交換。

綜上分析得到：由于CA砂漿的隔熱和保溫性能，溫度在CA砂漿層傳遞受阻，熱量難以在該層橫、豎向傳導，因此氣溫升高時，結構外部溫度大于內部，使橫向溫度呈凹形拋物線分布，而氣溫降低時，已經充分吸熱升溫的CA砂漿層內部熱量難以向外部傳導，對軌道板和底座板中部形成持續供熱和保溫效應，從而使無砟軌道橫截面產生2個高溫核心，溫度作用效應也變得更加復雜。此外，由于箱梁頂板(底座板下部)溫度始終高于環境氣溫，故箱梁不但阻隔了底座板中部的熱量向外傳導，而且在氣溫下降的情況下還能向底座板持續供熱保溫，因此，試驗過程中底座板下部的中間溫度始終高于邊緣。

3.2 橫向溫差及溫度梯度變化規律

將高速鐵路橋上CRTSII型無砟軌道橫向溫差及溫度梯度時變曲線繪制如圖11所示。

圖11(a)表明：無砟軌道各層橫向溫差總體上呈周期性變化；軌道板受橫向正溫差作用，溫差值自上而下逐漸降低，最大正溫差1.1 ℃；CA砂漿層主要受橫向負溫差作用，最大負溫差?0.5 ℃，產生于CA砂漿層中部；底座板主要受橫向正溫差作用，溫差值自上而下逐漸減小，最大正溫差1.1 ℃，產生于底座板中部。

(a) 橫向溫差變化曲線；(b) 橫向溫度梯度變化曲線

圖11(b)結果表明：無砟軌道各層橫向溫度梯度變化趨勢與橫向溫差相同；軌道板主要受橫向正溫度梯度作用，溫度梯度自上而下逐漸減小，最大值為3.5 ℃/m；CA砂漿層主要受橫向負溫度梯度作用，最大值為?1.7 ℃/m，產生于CA砂漿層中部；底座板主要受橫向正溫度梯度作用，該作用值自上而下逐漸減小，最大為3.7 ℃/m，產生于底座板 中部。

橫向溫差和溫度梯度變化結果表明：夏季高溫天氣下，無砟軌道軌道板和底座板主要受橫向正溫度梯度作用，CA砂漿則由于受自身隔熱保溫性能的影響而主要受負溫度梯度作用，因此無砟軌道中溫度作用效應非常復雜。上述結果可見，軌道板與CA砂漿層界面處、CA砂漿與底座板界面處的橫向正、負溫度梯度反差非常顯著，軌道板與CA砂漿界面、CA砂漿與底座板界面處均具有由橫向溫度梯度效應引起層間橫向滑移的趨勢，因此，CA砂漿對橫向溫度梯度效應的影響不可忽視。

4 三維溫度分布

將無砟軌道溫度最高時刻(20:00)為代表時刻，將無砟軌道沿橫向寬度、豎向深度(距頂面距離)和溫度整理為三維分布曲面，如圖12。

圖12 三維溫度分布曲面

圖12將本文橫、豎向溫度分布整合，結果表明無砟軌道橫、豎向整體溫度分布呈非常顯著的馬鞍形三維曲面。由于橫、豎向溫差數值為同一量級，因此橫向溫度作用效應與豎向溫度作用效應對高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道具有同等的作用效應。

總體上，CA砂漿因具有比混凝土更顯著的隔熱、保溫性能，對無砟軌道各層溫度傳遞產生阻滯效應，使無砟軌道層間橫、豎向溫度作用效應進一步復雜化，故CA砂漿是無砟軌道橫、豎向三維溫度分布呈復雜的馬鞍形曲面的主要因素；因此為了使溫度荷載下各層材料協調變形，以減少服役期間的修復次數，防止無砟軌道出現顯著離縫和翹曲等影響高速列車運行平穩性和安全性的劣化現象，無砟軌道各層材料的選擇宜使其熱傳導性能盡可能一致。

5 溫度梯度效應分析

本文研究對象為縮尺模型，溫度梯度效應與原型結構存在比例關系，可將縮尺模型溫度梯度研究結果轉化為實尺結構的溫度梯度。參考我國公路橋涵設計通用規范[15]及文獻[7]，溫度梯度可按式(1)計算：

式中：Δ表示任意兩點間的溫差，℃；為該兩點間的距離，m。

根據表1物理量相似關系，原型結構中軌道板及底座板的橫、豎向溫度梯度應為縮尺模型的1/4；由于縮尺模型中CA砂漿厚度與原型結構一致(保持原厚度30 mm利于鋪設傳感器)，因此豎向溫度梯度相同。此外，試驗模型的CA砂漿層橫向寬度也按1:4進行了縮尺，所以原型結構中CA砂漿層的橫向溫度梯度也為縮尺模型的1/4。根據以上分析并結合式(1)，可將圖5中縮尺模型的溫度梯度轉換為原型結構的溫度梯度，如圖13所示。

根據圖13結果，對比圖5結果可以得到，原型結構與縮尺模型的豎向溫度梯度變化規律是一致的，同理可得到橫向溫度梯度變化規律也是一致的。此外，圖13(a)顯示，在與縮尺模型對應的原型結構中，軌道板層內豎向溫度梯度最大值為4.9 ℃/m；底座板內最大豎向溫度梯度為3.0 ℃/m；CA砂漿層內最大豎向溫度梯度為27.0 ℃/m；結果表明原型結構中CA砂漿層是豎向溫度梯度作用最顯著的結構層。圖13(b)顯示，在原型結構中，軌道板與CA砂漿層間最大豎向溫度梯度為7.8 ℃/m；CA砂漿層與底座板間最大豎向溫度梯度為?8.7 ℃/m，表明在非陽光直射條件下，橋上CRTSⅡ型無砟軌道層間負溫度梯度作用效應比正溫度梯度作用效應更為顯著。

(a) 各層內溫度梯度；(b) 層間溫度梯度

總體上，本文結果可為我國無砟軌道溫度場作用效應的后續研究提供參考。在開展溫度試驗研究方面，無砟軌道?橋梁結構縮尺試驗模型成本低，可行性好，能有效地反應無砟軌道溫度分布情況；同時，實驗室環境類似溫室作用，夏季陽光照射實驗室外墻，室內升降溫明顯，在實驗室內通風良好的條件下開展溫度試驗是模擬無砟軌道24 h整體升降溫的有效辦法，因此可采用縮尺結構模型開展相關的溫度試驗研究，并利用后續的現場測試研究進行對比分析。

6 結論

1) CRTSⅡ型板式無砟軌道各層溫度從上到下大致呈遞減趨勢，最大值為37.5 ℃，底座板中部溫度僅次于軌道板頂面溫度且大部分時間均高于其他層溫度，高溫作用效應顯著。

2) 無砟軌道各結構層內溫度呈周期性變化；CA砂漿層內最大豎向溫度梯度可達27.0 ℃/m，是豎向溫度梯度作用最顯著的結構層。

3) 高溫季節時，在非陽光直射條件下，無砟軌道最不利豎向正溫度梯度發生于軌道板與CA砂漿層間，最不利豎向負溫度梯度發生于CA砂漿層與底座板層間，相比之下負溫度梯度作用效應更為顯著。

4) 橋上CRTSⅡ型無砟軌道豎向溫度、溫差和溫度梯度呈“S”形分布，橫向溫度分布呈拋物線型，三維分布呈馬鞍形曲面。

5) CA砂漿與混凝土熱傳導性能差異大使得無砟軌道層間溫度梯度作用顯著，建議無砟軌道各層材料的選擇宜使其熱傳導性能盡可能一致。

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Experimental study on temperature distribution of CRTSⅡ ballastless track on high-speed railway bridge in summer

ZHAO Lei1, ZHOU Lingyu1, ZHANG Yingying1, YUAN Yahui1, ZOU Lifan1, YU Zhiwu1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory of High Speed Railway Construction Technology, Changsha 410075, China)

To study the temperature distribution of CRTSⅡ ballastless track on high-speed railway (HRB) bridge in summer, a 1:4 scale test model of ballastless track with prestressed concrete simply supported box girder structure was constructed. Through the temperature test under typical high temperature weather in laboratory, the uniform temperature distribution of CRTSII ballastless track structure on high speed railway bridge was analysed, and the distribution of transverse and vertical temperature about the ballastless track was studied. The results show that: Under non-direct sunlight conditions, the temperature difference distribution and temperature gradient distribution of CRTS II ballasted track on high speed railway bridge are all “S” type and change periodically. The vertical temperature gradient between track slab and CA mortar is positive temperature gradient, and the most unfavorable vertical negative temperature gradient occurs between CA mortar and bottom base. The vertical temperature gradient of CA mortar is the most significant part in the track with a maximum value of 27.0 ℃/m.The transverse temperature distribution of CRTSⅡ ballastless track on HRB bridge is parabolic and the three- dimensional temperature distribution is saddle-shaped surface.

high-speed railway bridge; CRTSⅡ ballastless track; hot weather; model test; temperature distribution

U213.244

A

1672 ? 7029(2021)02 ? 0287 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20201000

2020?10?22

國家自然科學基金資助項目(51578546，U1434204，U1934217)；中南大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2020zzts157)；湖南省研究生教育創新工程和專業能力提升工程項目(CX20200368)

周凌宇(1973?)，男，湖南長沙人，教授，博士，從事鋼?混凝土組合結構研究；E?mail：zhoulingyu@csu.edu.cn

(編輯 蔣學東)