持續高溫環境下橋上CRTSⅢ型無砟軌道熱響應分析

中圖分類號：U213.9 文獻標志碼：A

Thermal Response Analysis of the CRTS II Type Ballastless Trackon Bridge Under Sustained High Temperature Environment

ZhangPengfei'，YuLu’，JiangHaoyu'，ZhaiLihua2，LiuShuyu' （1.State KeyLaboratoryofRailTransit InfrastructurePerformance MonitoringandGuarantee，East China Jiaotong University Nanchang 33oo13，China; 2.KeyLaboratory ofRoad and Traffic Engineering of the Ministry ofEducation，Tongji University，Shanghai 201804）

Abstract： Based on the theory of heat transferand the mechanics of beam-slab-rail interaction，a refined thermomechanical coupling model for the bridge-mounted CRTs II type ballastless track seamless lines was establishedto simulatethe temperature field，longitudinal forces，and displacement variationsof the track structure components under sustained high temperature environment ranging from 2～10 days.The findings elucidate a direct correlation between the escalation of sustained high temperature periods and the continual increase in temperature within the track structure， with an accentuated phenomenon of heat accumulation at deeper vertical strata. Additionally， there is a progressive reduction in the magnitude of the maximum positive temperature gradient， while the maximum negative temperature gradient experiences a gradual increase.Moreover， the longitudinal forces exertedon the stelrailsand the longitudinal displacements of the track structure exhibit a cumulative pattern with the extensionofthe high-temperature regimen.Incontrast，the longitudinalstresses within thetrack slabs， self-compacting concrete layers and slab demonstrate a decremental trend in correlation with the duration days.

Key words：sustained high temperature;； CRTS II balastless track on the bridge;seamless track; thermal re-sponse

Citation format：ZHANG PF， YUL，JIANG HY， et al. Thermal response analysis of the CRTS Il type ballastless track on bridge under sustained high temperature environment[J]. Journal of East China Jiaotong University，2025，42（4）： 80-87.

CRTSⅡ型無砟軌道因其在安全性、經濟性、耐久性以及施工維護方面的優勢，已逐步確立為我國新建高速鐵路主型無砟軌道結構[1-2]。夏季持續高溫天氣在我國較為普遍，根據氣象數據統計，華東、華中區域七八月份氣溫超過 35^°C ，此類高溫過程持續時間超過3d的占比 22%～38% 3]。由于軌道結構具有導熱性差的特性，高溫環境下其內部將產生巨大的無法釋放的溫度應力，橋上CRTSⅡ型無砟軌道無縫線路的穩定性和可靠性仍面臨一系列挑戰。當溫度應力超過一定閥值時，可能誘發軌道板翹曲、層間離縫以及軌道板和底座板的開裂現象[45]，甚至導致有的軌道結構層間離縫尺寸超過 3mm^[6] ，這些結構損傷不僅會影響軌道的正常使用，還會降低無砟軌道無縫線路的穩定性和可靠性，進而威脅到行車安全。

在探討無砟軌道溫度效應方面，國內外學者進行了廣泛的研究。戴公連等-8專注于橋上縱連式無砟軌道，進行了多季節的溫度監測，揭示了其溫度場的動態變化規律，并基于統計方法建立了溫度荷載的分布模型。Zhou等建立CRTSⅢ型板式無砟軌道在環境溫度作用下的垂直變形分析模型，通過現場試驗驗證模型。Song[1等結合了氣象數據和軌道多層結構特性，提出了無砟軌道結構熱變形和界面分離分析方法。Li等在橋梁上設立了溫度場監測系統，詳細分析了影響混凝土結構性能的關鍵因素，并揭示了環境溫度與軌道板溫度之間的關系。Ou等分析了大氣環境下的無砟軌道結構溫度場的分布規律。萬章博等[13通過試驗手段，研究了太陽輻射對道床板表面溫度的影響，并給出了相關的計算參數建議。Li等[4基于混凝土的損傷塑性特性，模擬了軌道板在日溫變化下的損傷過程。Cai等5研究了板軌在日溫度變化條件下的變形和界面應力，以及初始溫度和施工季節產生的影響。張鵬飛等[對橋上軌道結構在復雜條件下的力學與變形特性進行了深人研究。Liu等通過實驗研究了自然環境下CRTSⅢ型無砟軌道的溫度特性，并提出了相應的溫度場分析方法及其對軌道結構的影響。也有學者[18-20]通過構建有限元模型，計算了不同時間下溫度梯度引起的軌道板翹曲應力和位移。目前學者對無砟軌道結構溫度效應研究多以瞬態結構溫差或單日溫度曲線為加載工況，而對于持續高溫對橋上無砟軌道無縫線路溫度效應的分析，仍處于探索階段。

本研究通過探究無縫線路持續高溫環境下的熱響應，揭示其工作機理和性能變化規律，有助于提高無縫線路持續高溫環境下的穩定性和可靠性。

1傳熱學理論與精細化熱-結構耦合模型

1.1 傳熱學理論

日照下，橋上無砟軌道無縫線路的熱傳遞主要有熱輻射、熱對流、熱傳導，可通過三維瞬態導熱微分方程模擬其熱傳遞特性

式中： T 為結構表面溫度， ^°C：t 為試驗期橋梁運營時間， d;ρ，c ，分別為混凝土材料的密度，比熱容，導熱系數。

太陽輻射 q 由太陽直射、散射和地面反射輻射組成，共同影響橋上無砟軌道熱效應。表達式為

式中： I_DM，I₀，I_DH ， I_Rθ 分別為太陽常數，太陽直射 輻射，太陽散射輻射，地面反射輻射； h，i，P ， R_e 分別 為太陽高度角，太陽入射角，大氣透明度，地面短波 反射率； θ 為地面反射傾斜角度。

對流換熱形成的熱流密度 q_c 與對流熱交換系數 h_c 的關系可通過相應的數學表達式來描述

q_c=h_c（T-T_a）

式中： T_a 為空氣溫度。

表面熱輻射能力 F₁ 計算式為

F₁=εC₀（273+T）⁴

式中： ε 為物體的發射率，混凝土一般取0.88； C₀ 為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，取 5.67×10^-8W/（m²?K⁴） 。

對于傾角為 θ 的傾斜面，其表面上所受到的大氣輻射 F_aθ 計算式為

式中： ε_a 為大氣輻射系數。

對于傾角為 θ 的傾斜面，其表面上所受到的地面輻射 F_bθ 計算式為

混凝土表面至內部的熱流密度 q_r 計算式為

可改寫成如下表達形式

q_r=h_r（T_a-T）-q_ra

h_r=ε[4.8+0.075（T_a-5）]

式中： h_r 為輻射熱交換系數； q_ra 為輻射換熱中與 T 無關的一個分項。

推算可得傳熱邊界條件為

式中： T_a^′ 為綜合大氣溫度。

h=h_c+h_r

T_a^′=T_a+（a_sI_s-q_ra）/h

式中： a_s 為表面短波輻射吸收率； I_s 為太陽總輻射；

h 為綜合換熱系數。

1.2精細化熱-結構耦合模型

基于傳熱學理論和梁-板-軌相互作用原理，采用Ansys有限元軟件構建了考慮CRTSI型板式無砟軌道各細部結構尺寸和力學特性的7跨簡支梁橋上無縫線路精細化熱-結構耦合模型，如圖1所示。采用間接熱-應力耦合分析方法，即將熱分析結果映射為結構體荷載，實現熱分析與結構分析的耦合。模型各結構參數如表1所示。

模型采用了BEAM188梁單元（一種有限元梁單元）模擬CHN60鋼軌，全線扣件采用WJ-8型常阻力扣件。采用SOLID70實體單元（一種有限元實體單元）模擬軌道板、自密實混凝土、簡支箱梁結構。

1.3 模型驗證

為驗證模型準確性，采用文獻[22]中的工況3進行加載，計算得到橋上軌道結構縱向應力對比如表2所示。

從表2可知，相同工況3下，本文得到的軌道板、自密實混凝土最大縱向應力與文獻[21相近，誤差較小，模型準確性良好。

圖1 7×32m 簡支梁橋結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of a 7×32m simplysupportedbeambridgemodel

表1結構參數表

Tab.1 Tableofstructural parameter

表2結構縱向應力計算結果對比

Tab.2 Calculationresultscomparison of longitudinal forceof the structure

2環境參數與初始條件

氣象學定義日最高氣溫超過 35^°C 為高溫，連續3d則觸發黃色預警[22]。基于此，對于橋上CRTSI型板式無砟軌道的持續高溫定義為連續3d日最高氣溫在 35°C 以上，同時日溫差小于 10^°C 。選取南昌市境內某橋上CRTSII型板式無砟軌道無縫線路為研究對象，以2019年7月25日實測數據為例，最高和最低氣溫分別為 37，28^°C ，模擬循環加載 10d □

日氣溫變化模擬示意圖如圖2所示。為避免初始溫度選取不當造成影響，設定的初始條件為施加邊界條件后首個計算日的結果，后續分析僅基于從第2天起的溫度場計算數據進行。

圖2日氣溫變化模擬示意圖

Fig.2Diagramofdailyambienttemperature change

3溫度場規律分析

3.1 軌道結構溫度變化規律

持續高溫環境下垂向溫度變化時程曲線如圖3所示。為了便于分析，選取每天06：00與16：00典型時刻進行分析，持續高溫環境下06：00與16：00時垂向溫度變化曲線如圖4所示。

由圖3、圖4可知，距離軌道板頂面越深，溫度變化曲線的波動幅度受持續高溫時程影響越大。其中，由于軌道板頂面直接與外界環境接觸，故受持續高溫時程影響最小，溫度最大值增加達 3.9^°C ：溫度最小值增加達 2.5°C ；軌道板中部溫度最大值增加 7.5^°C ，溫度最小值增加 5.1°C ；軌道板底部溫度最大值增加 9.5^°C ，溫度最小值增加 7.0°C ；混凝土中部溫度最大值增加 10.0° ，溫度最小值增加7.6^°C ；混凝土底部溫度最大值增加 10.7^°C ，溫度最小值增加 8.3°C 。

圖3垂向溫度變化時程曲線

Fig.3Vertical temperature variation chronogram

圖4持續高溫環境下垂向溫度變化曲線 Fig.4Verticaltemperaturevariationcurveunder sustainedhightemperatureenvironment

綜上所述，隨著持續高溫的時程延長，無砟軌道無法在當天完成熱溫差循環，結構溫度持續升高。隨著軌道結構垂向深度的增加，熱量積聚現象更為明顯，溫度升高幅度更大，溫度升高幅度在2.5～10.7^°C 。

3.2 溫度梯度變化規律

持續高溫環境下垂向溫度梯度變化時程曲線如圖5所示。由圖5與表3、表4可知：隨著循環天數的增加，最大負溫度梯度逐漸增大，相較于第2天，第10天軌道板中部最大負溫度梯度增大82.88% ，軌道板底面最大負溫度梯度增大 135.36% 自密實混凝土底面最大負溫度梯度增大 250.37% ：隨著循環周期的累積，最大正溫度梯度呈現遞減趨勢。相較于第2天，第10天軌道板中部最大正溫度梯度減小 15.85% ，軌道板底面最大正溫度梯度減小20.97% ，自密實混凝土底面最大正溫度梯度減小25.76% 。隨著軌道結構縱深方向的延伸，其溫度梯度逐漸減小。

4熱響應分析

在單日高溫時段，每日的16：00軌道板所受應力會達到頂峰，同時其軌道結構中的無縫線路也會經歷顯著的受力和位移增大。因此，選定16：00這一時間點，來詳細分析持續高溫環境下無砟軌道無縫線路的縱向應力和變形情況。圖6展示了各構件縱向應力與位移的分布規律，而關于這些構件縱向應力和位移的數據，具體可參見表5和表6。 F_t 為鋼軌最大縱向應力，正值為拉力，負值為壓力； S_ts，S_scc，S_bp 分別為軌道板，自密實混凝土層，底座板最大縱向應力； D_r，D_ts，D_scc，D_b 分別為鋼軌，軌道板，自密實混凝土層，橋梁梁體最大縱向位移。

圖5持續高溫環境下垂向溫度梯度變化時程曲線 Fig.5Chronogramofvertical temperature gradient variationundersustainedhightemperatureenvironment

表4不同持續天數影響下正溫度梯度極值

表3不同持續天數影響下負溫度梯度極值

Tab.4Maximum extremes of positive temperature gradientsinfluencedbyvaryingdurations℃/m

由圖6和表5，表6可知，持續高溫作用下，隨著加載時長的增加，橋上無砟軌道無縫線路各軌道構件縱向受力與位移變化趨勢相似，僅在極值上存在變化。其中，隨著加載天數的持續累積，鋼軌縱向應力與整個軌道結構的位移均呈現出累積增長的趨勢。然而，與此相反，軌道板、自密實混凝土、底座板縱向應力卻逐漸減小，這與加載天數的增加呈負相關。由于軌道板上表面直接與外部環境接觸，故表面溫度最大值相對穩定，幾乎不受加載天數的影響。然而下部結構溫度最大值卻隨著持續天數的不斷增加而增加，這種變化從軌道板至底座板逐層加劇，導致層間溫差逐漸縮小。因此，軌道板、自密實混凝土層和底座板縱向應力也隨之減小。

由于初始條件的顯著影響，在加載的初始階段，各軌道結構在受力和變形方面均表現出較大的變化幅度。然而，隨著持續天數的持續增加，這些變化幅度逐漸趨于穩定，顯示出一種減緩的趨勢。以第2天、第6天、第10天計算結果為例，在相同的時間間隔下，第6天鋼軌縱向應力，軌道板應力相較于第2天分別增加了 23.2%，21.1% ，而第10天相較于第6天僅增加了 2.60%，4.46% ；第6天鋼軌縱向位移、軌道板位移相較于第2天增加了 9.22%，21.2% 而第10天相較于第6天僅增加了 0.57%，2.37% 。

表5各構件縱向應力最大值

表6各構件縱向位移最大值

5 結論

1）隨著持續高溫時程延長，無砟軌道無法在當天完成熱溫差循環，軌道結構溫度持續升高。隨著軌道結構垂向深度的增加，熱量積聚現象更為明顯，溫度升高幅度更大，溫度升高幅度在 2.5～10.7^°C 。

2）持續高溫天數的增加，最大正溫度梯度呈現減小趨勢，減小比例極值為 25.76% ；最大負溫度梯度則逐漸增大，增大比例極值為 250.37% 。溫度梯度變化在自密實混凝土中比軌道板滯后 2h □

3）隨著持續高溫加載天數的不斷增加，鋼軌縱向應力與各軌道結構縱向位移不斷累積，呈現不斷增加的趨勢，軌道板、自密實混凝土、底座板縱向應力隨著加載天數的增加而不斷減小，故夏季持續高溫需要加強對無砟軌道無縫線路的監測與養護。

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第一作者：張鵬飛（1975一），男，教授，博士，博士生導師，研究方向為橋上無砟軌道無縫線路設計理論及關鍵技術。E-mail：zhangpf4236@163.com。

通信作者：翟利華（1979一），男，正高級工程師，博士研究生，研究方向為軌道交通工程綠色建造技術。E-mail：zhaili-hua@gmdi.cn。

（責任編輯：姜紅貴）