高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道温度梯度试验研究

刘伟斌，王继军，杨全亮，王梦，赵勇

(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2．铁道部经济规划研究院，北京100038)

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道温度梯度试验研究

刘伟斌1，王继军1，杨全亮2，王梦1，赵勇1

(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2．铁道部经济规划研究院，北京100038)

根据现场监测数据，对高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道复合轨道板温度梯度变化规律、温度梯度与太阳日辐射强度、日最高气温等环境因素的相关性进行了统计分析。研究结果表明:复合轨道板最大正、负温度梯度分别为0.69，0.35℃/cm;日最大正温度梯度一般出现在14:00—15:00，日最大负温度梯度一般出现在5:00—8:00;春夏季复合轨道板的温度梯度较其他季节大;复合轨道板正、负温度梯度均呈非线性分布，10:00—12:00非线性分布特性更为显著;日最大正温度梯度与日太阳辐射总量、日最高气温相关性较好，可根据本文获得的回归方程推测不同地区复合轨道板的日最大正温度梯度。

无砟轨道 复合轨道板 温度梯度 变化规律

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国近几年研发的新型无砟轨道结构形式，主要由钢轨、扣件、预制轨道板、自密实混凝土层及底座等构成，CRTSⅢ型板式无砟轨道总体采用单元方案，即路基、桥梁、隧道地段轨道板及底座均采用分段式结构，其中自密实混凝土层与预制轨道板通过板底门形钢筋连接形成复合轨道板，厚度为310 mm，是CRTSⅢ型板式无砟轨道结构主要承载部件。

已有研究表明［1-6］，在温度梯度作用下，轨道板将出现翘曲变形和翘曲应力，易使轨道板与水泥沥青砂浆填充层产生离缝，形成结构初始缺陷;对于CRTSⅢ型板式无砟轨道，温度梯度幅值对复合轨道板拉应力影响显著，温度梯度为0.75℃/cm时与0.45℃/cm时相比较，板底拉应力增大40%。另外，我国高速铁路设计规范［7］规定，无砟轨道温度梯度取值为0.45℃/cm，这一取值主要是基于国外工程实践。我国地域辽阔，气候环境复杂，全国范围内取一定值显然不甚合理。因此，掌握CRTSⅢ型板式无砟轨道复合轨道板温度梯度特征，对于优化结构设计，提高设计合理性具有重要意义。本文通过对现场监测数据的统计分析，获得了复合轨道板的温度梯度特性，并建立了温度梯度与日最高气温、太阳日辐射总量等气象参数的关系，以便于估算不同地区复合轨道板合理温度梯度取值。

1 试验概况

针对某客运专线CRTSⅢ型板式无砟轨道试验段开展了复合轨道板温度场的长期监测，监测工点位于路基地段，温度传感器布置在复合轨道板平面中心位置，竖向布置7层，层间距约50 mm，如图1所示。长期监测系统可自动采集温度、变形等数据，采集频率为1次/h。数据监测时间为2013年4月—2014年4月，基于GPRS进行数据传输，可实现数据的无线传输及在线监测。

图1 复合轨道板温度传感器预埋位置(单位:mm)

2 复合轨道板温度梯度变化规律

受太阳辐射强度、气温及风速等气象因素的影响，复合轨道板上下产生温差(即温度梯度)，进而引起轨道板的翘曲变形和温度应力。温度梯度是计算复合轨道板温度应力的关键参数，是一个比较复杂的随机变量。本文借鉴相关文献［8］的统计方法对监测数据进行分析，以获得复合轨道板温度梯度的变化规律。

2.1 温度梯度日变化规律

2013年4月—2014年4月监测数据表明，复合轨道板最大正温度梯度为0.69℃/cm，出现在2013年5月11日(晴天);最大负温度梯度为0.35℃/cm，出现在2013年8月7日(雨天)。

如图2所示，晴天时，复合轨道板温度梯度日变化过程大致可分为4个阶段。距轨道板顶面1 cm处与复合轨道板板底之间的温度梯度，在一天内依次经历了负温度梯度(板顶温度低于板底)阶段、零温度梯度阶段、正温度梯度(板顶温度高于板底)阶段、零温度梯度阶段。晴天时，每天的循环周期基本相同，正、负温度梯度所占时段基本上各12 h，但日最大正温度梯度约为负温度梯度的2倍。

图2 晴天时复合轨道板温度梯度日变化曲线(2013-5-11)

雨天或有雪覆盖条件下，由于太阳辐射热较弱，日气温变动也较小，复合轨道板温度梯度一般呈现为负温度梯度，如图3所示。

图3 雨天时复合轨道板温度梯度日变化曲线(2013-8-7)

复合轨道板日最大正温度梯度及日最大负温度梯度出现时间分布如图4所示。日最大正温度梯度一般出现在14:00—15:00，占全年统计天数的75%;日最大负温度梯度一般出现在5:00—8:00，占全年统计天数的62%，相对集中在6:00—7:00。

2.2 温度梯度季节变化规律

基于本线监测数据，全年范围内复合轨道板日最大温度梯度及日最小温度梯度统计结果如图5所示。由图5可见，春夏季产生的日最大正温度梯度及日最大负温度梯度较其他季节大，且日最大正温度梯度较其他季节大的趋势更显著。

全年范围内复合轨道板每一时刻温度梯度统计结果如图6所示。负温度梯度主要集中在0.02～0.2℃/cm，占全部负温度梯度的97.5%;正温度梯度主要集中在0.02～0.5℃/cm，占全部正温度梯度的94%。相对于负温度梯度，正温度梯度的分布更为离散。

复合轨道板日最大温度梯度统计表明，超过规范值的天数为95 d，约占全年天数的26%;复合轨道板每一时刻温度梯度统计表明，超过规范值的频次占14.7%。因此，设计高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道复合轨道板时，应根据不同地区气候条件适当修正温度梯度的取值。

图4 复合轨道板日最大正温度梯度和日最大负温度梯度出现时间分布

2.3 温度竖向分布规律

晴天时，复合轨道板不同深度处的温度分布情况如图7所示。由图可知，复合轨道板正、负温度梯度均呈非线性分布，不同时刻非线性分布的程度有一定差异，10:00～12:00非线性分布特性更为显著。随着距复合轨道板表面距离的增加，温度变化逐渐趋缓，受气温及太阳辐射等气象因素的影响变小。竖向温度的非线性分布可抵消板底部分拉应力［9］，在设计复合轨道板时应修正温度梯度非线性分布引起的应力。

图5 复合轨道板日最大温度梯度和日最小温度梯度分布

图6 复合轨道板每一时刻温度梯度分布

图7 复合轨道板不同深度处的温度分布

3 复合轨道板温度梯度与太阳辐射、气温的关系

谢国忠［10］等人研究表明，影响水泥混凝土路面最大温度梯度值的气象因素主要为太阳辐射、气温和风速。风速受局部环境诸多因素的影响，波动较大，在回归分析时通常采用常数风速来代表，回归公式中该因素可不列入。本文基于当地日太阳辐射总量Q、日最高气温Tmax与复合轨道板日最大正温度梯度Tg进行回归分析，结果如表1所示。

表1 日最大温度梯度回归结果

由表1可知，日最大正温度梯度与日太阳辐射总量相关性较好，与日最高气温相关性不明显，综合日太阳辐射总量、日最高气温两个气象因素获得的回归方程如下式所示，与文献［10］中回归方程比较接近。可采用本文的回归方程推测不同地区复合轨道板的日最大正温度梯度。

4 结论与建议

本文根据现场实测数据，对高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道复合轨道板温度梯度变化规律及其与太阳日辐射总量、日最高气温等环境因素的相关性进行了统计分析，得到以下主要结论及建议:

1)复合轨道板最大正温度梯度为0.69℃/cm，出现在晴天;最大负温度梯度为0.35℃/cm，出现在雨天。

2)复合轨道板一天内出现一次最大正温度梯度和一次最大负温度梯度，两次零温度梯度。晴天时，正、负温度梯度所占时段基本上各12 h;日最大正温度梯度一般出现在14:00～15:00，日最大负温度梯度一般出现在5:00～8:00。

3)复合轨道板春夏季产生的日最大正温度梯度及日最大负温度梯度较其他季节大，且日最大正温度梯度较其他季节大的趋势更显著。负温度梯度主要集中在0.02～0.2℃/cm，正温度梯度主要集中在0.02～0.5℃/cm。

4)由于温度梯度幅值对轨道板翘曲应力影响显著，高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道复合轨道板设计时，建议采用本文回归方程适当修正不同地区复合轨道板温度梯度的取值，并依据温度梯度非线性分布引起的内应力修正温度应力。

5)为使本文获得的相关结论纳入设计规范，应开展不同地区复合轨道板温度场的监测，进一步验证其合理性。

［1］王继军，尤瑞林，王梦，等．单元板式无砟轨道结构轨道板温度翘曲变形研究［J］．中国铁道科学，2010，31(3):9-14．

［2］刘钰，陈攀，赵国堂．CRTSⅡ型板式无砟轨道结构早期温度场特征研究［J］．中国铁道科学，2014，35(1):1-6．

［3］陈伯靖，秦超红，周建，等．大单元双块式无砟轨道温度特性分析［J］．铁道建筑，2013(2):88-91．

［4］王继军．温度与列车荷载作用下高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道结构受力特性研究［D］．北京:中国铁道科学研究院，2013．

［5］黄林．CRTSⅢ型板式轨道翘曲变形及层间连接试验研究［D］．成都:西南交通大学，2014．

［6］刘钰，赵国堂．CRTSⅡ型板式无砟轨道结构层间早期离缝研究［J］．中国铁道科学，2013，34(4):1-7．

［7］中华人民共和国铁道部．TB 10020—2009高速铁路设计规范(试行)［S］北京:中国铁道出版社，2009．

［8］坪川将丈，水上純一，斎藤泰．空港コンクリート舗装の版上下面温度差頻度分布に関する考察［C］//第65回年次学術講演会講演概要集．北海道札幌市:(社)土木学会，2010．

［9］严作人．刚性路面中非线性温度分布产生的内应力分析［J］．华东公路，1985(1):32-38．

［10］谢国忠，袁宏，姚祖康．水泥混凝土路面最大温度梯度值［J］．华东公路，1982(6):9-20．

Experimental study on temperature gradient for CRTSⅢslab-type ballastless track on high speed railway

LIU Weibin1，WANG Jijun1，YANG Quanliang2，WANG Meng1，ZHAO Yong1
(1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Economic and Planning Research Institute of MOR，Beijing 100038，China)

According to the field monitoring data，the composite track plate temperature gradient variation of high speed railway CRT SⅢslab-type ballastless track and correlation among such environmental factors as temperature gradient，daily solar radiation intensity and the daily maximum temperature were analyzed．T he research results showed that the maximum positive and negative temperature gradient of composite track slab are 0.69℃/cm and 0.35℃/cm respectively，daily maximum positive temperature gradient appears in 14:00～15:00，daily maximum negative temperature gradient generally appears in 5:00～8:00，temperature gradient amplitude in spring is larger than the one in other seasons，the positive and negative temperature gradient of composite track slab shows a nonlinear distribution which is obvious in 10:00～12:00，the relevance among daily maximum positive temperature gradient，daily total solar radiation and daily maximum temperature is good．According to the regression equation presented in this paper，the daily maximum positive temperature gradients of composite track plate in different regions could be deduced．

Ballastless track;Composite track plate;T emperature gradient;Variation

U213．2+44

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．29

1003-1995(2015)03-0103-04

(责任审编葛全红)

2014-12-10;

2015-01-20

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G008-A-4，2013G003-A-2)

刘伟斌(1981—)，男，河北灵寿人，助理研究员。