板式无砟轨道温度场和温度梯度监测试验分析

尤明熙，高　亮，赵国堂，肖　宏

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京　100044；2.中国铁路总公司，北京　100844）



板式无砟轨道温度场和温度梯度监测试验分析

尤明熙1，高亮1，赵国堂2，肖宏1

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.中国铁路总公司，北京100844）

摘要为研究板式无砟轨道温度场和温度梯度分布规律，通过对北京地区CRTSⅡ型板式无砟轨道结构实尺模型进行温度监测，以春夏季监测数据为样本，分析了无砟轨道温度场分布和轨道结构各层温度梯度变化规律。分析结果表明：轨道板阳面和阴面温度存在明显差异，同一时刻温差最大为9. 73℃；轨道结构各层温度最大（小）值出现时间存在滞后性，引起垂向温度不均匀分布，使结构各层间温度梯度存在较大差异，监测期间板表到板中温度梯度最大为121. 43℃/m，板表到板底温度梯度最大为78. 08℃/m，经统计最大正温度梯度是最大负温度梯度的2. 55倍左右，板中温度梯度最大（小）值是板底温度梯度最大（小）值的1. 4倍左右。

关键词无砟轨道；温度场；温度梯度；阳面；阴面

纵连板式无砟轨道结构在温度荷载影响下会产生较大的应力和变形，计算无砟轨道温度荷载效应时应考虑整体升温和温度梯度［1］。轨道结构均匀升温或降温时，轨道板会产生沿长度和宽度方向的伸长或收缩变形，而轨道结构的垂向温差是导致轨道板（或道床板）上拱、砂浆层离缝、层间黏结性能减弱的主要原因，研究发现轨道结构各层间的温差对结构变形影响很大［2-3］。为得到无砟轨道各层结构的温度分布，开展了一系列的无砟轨道温度场监测试验，得到CRTSⅡ型板式无砟轨道纵连阶段和运营线路桥上的温度场分布特征和温度变化规律，并对温度场监测方法进行了概括总结，研究表明轨道结构各层温度变化呈规律性和周期性［4-6］。在开展监测试验的同时，借鉴混凝土路面的温度场分析方法［7］，对无砟轨道温度场和温度传递规律的理论研究也已开展。

目前对无砟轨道温度场阴阳面的差异和轨道结构温度梯度分析较少。本文以北京交通大学轨道试验场地内建造的CRTSⅡ型板式无砟轨道实尺模型温度监测数据为依据，对无砟轨道温度场和温度梯度分阳面和阴面进行分析。

1　监测方案

1. 1测点布置

轨道板垂向温度呈非线性分布［8］，且温度拐点出现在CA砂浆层，因此考虑在轨道板和砂浆层垂向上加密布置温度测点；横向上分阳面、中部、阴面布置温度测点。考虑到仅有一块轨道板，板端和板角温度也会存在差异，因此在轨道板板端和板角也布置温度测点。温度测点布置如图1所示，1#测点全天接受阳光照射，定义为阳面；3#测点受无砟轨道位置、太阳照射角度和钢轨遮挡影响，仅在黄昏时受太阳照射，定义为阴面。

1#，2#，3#测点位置均垂向布置9个温度传感器，其布置情况为：轨道板5个，传感器间隔50 mm；CA砂浆层2个，传感器间隔15 mm；支承层2个，传感器间隔75 mm。4#，5#测点位置均垂向布置7个传感器，其布置情况为：只布置在轨道板和砂浆层。6#测点位置垂向布置5个传感器，其布置情况为：只布置在轨道板。垂向温度传感器分布如图2所示。

1. 2无砟轨道建造

监测工点选在北京交通大学轨道试验场地，为保证监测数据的准确性，采用与现场施工十分相近的方法建造CRTSⅡ型板式无砟轨道。采用模筑法施工的支承层尺寸为6 800 mm×3 300 mm×300 mm。CA砂浆组成包括砂浆干料、沥青、减水剂和消泡剂，轨道板为场内预制板。轨道板吊装前，预先在支承层上设置8个尺寸为100 mm×100 mm×30 mm的砂浆支撑块，用于轨道板的支撑。采用与现场施工方式相近的“先封边后灌注”的方法灌注CA砂浆。无砟轨道建造流程如图3所示。

图1　温度测点布置

图2　垂向温度传感器分布

图3　无砟轨道建造流程

1. 3测试仪器选择

温度传感器有许多种类，不同传感器的测试精度也不同。文献［2］应用光纤光栅式温度传感器对CRTSⅡ型板式无砟轨道进行温度监测；文献［3］应用热电阻式温度传感器对CRTSⅠ型双块式无砟轨道进行温度监测。

本试验采用数字式温度传感器对CRTSⅡ型板式无砟轨道进行温度监测。该传感器测温范围为- 55～125℃，在- 10～85℃之间精度为±0. 5℃，基本特点是体积小、抗干扰、高精度，不受导线长度限制，直接将温度转化为数字信号传递以减小传导误差。传感器安装到位后正常运行的无砟轨道温度监测系统见图4。

图4　完成的无砟轨道温度监测系统

2　无砟轨道温度场分布规律

2. 1垂向温度场特征

以2015年3月—8月春夏两季温度监测数据为样本进行分析，选取7月9日为例，其典型温度场如图5所示。轨道板板表温度变化范围涵盖整个轨道结构垂向各层的温度变化范围。无论阴面还是阳面，轨道板表面温度最小值出现在每天5：00～7：00，表面温度最大值出现在13：00～16：00，板底最大（小）值出现时间相对板表滞后约3 h。轨道结构各层温度最小值出现时间随着深度减小而滞后，最大值出现时间随着深度的增加而滞后。

春季常温条件下结构各层温度变化范围：板表18℃左右，板底10℃左右，支承层5℃左右；夏季高温条件下结构各层温度变化范围：板表15℃左右，板底7℃左右，支承层3℃左右。统计可知随着气候温度的升高，轨道结构最大日温度变化范围有缩小趋势。

根据垂向温度场分布，在8：00到18：00之间，板表温度较高，其余时间结构内部温度较高，轨道结构垂向出现负温差的时间较长，出现正温差的时间较短。

2. 2阳面和阴面温度场差异

监测期间，轨道板板表阳面和阴面温差最大9. 73℃，出现在8月10日10点左右，最小- 4. 12℃，出现在6月19日5点左右；板底阳面和阴面温差最大7. 27℃，最小- 1. 76℃。由图6阳面、中部和阴面横向温度分布可知，板表温度较高时阳面和阴面出现正温差，结构内部温度较高时出现负温差，此时板中部温度最高。

图5　垂向温度场分布特征

图6　横向温度场分布特征

按阳面、中部和阴面3部分分别统计轨道板板表和板底温度最大（小）值，见表1。监测期间3部分板表和板底温度最大值都出现在7月12日，板表阳面最大值比中部高1. 25℃，比阴面高2. 06℃；板底阳面最大值比中部高1. 93℃，比阴面高3. 25℃。3部分温度最小值数值接近，板表6. 5℃左右，板底10℃左右，出现时间不同但接近。

表1　轨道板温度最值统计

3　无砟轨道温度梯度特征

一个封闭物体的不同结构层之间在温度分布不均匀时产生层间温差，因此层间会通过热传递进行热交换，直到层间温度分布均匀。层间热传递的路径中两点直线距离最短。定义温度梯度为两点温差与两点距离的比值。温度梯度是矢量，具有方向性。本研究重点关注无砟轨道垂向温度梯度，得到同一时刻温度梯度计算公式如下：

式中：T为温度，℃；y为垂向距离，m。

3. 2温度梯度变化规律

经计算监测期间支承层温度梯度较小，在5℃/m左右，因此重点研究阳面、中部和阴面轨道板板表到板中、板表到板底的温度梯度，其中板表到板中温度梯度简称板中温度梯度，板表到板底温度梯度简称板底温度梯度。

根据式（1）计算，监测期间阳面、中部和阴面的温度梯度数值较接近，变化规律近似相同，每天呈周期性变化。以轨道板中部板中、板底垂向温度梯度月变化曲线为例表示出垂向温度梯度变化规律，见图7。

轨道板3部分板中垂向温度梯度日变化规律相同，见图8，板底温度梯度也有相似规律。在9：00—19：00为正温度梯度，持续约10 h；19：00—24：00和0：00—9：00为负温度梯度，持续约14 h。正温度梯度最大值出现时间为12：00—15：00之间，负温度梯度最值出现时间具有随机性。

3. 3温度梯度统计分析

总而言之，幼儿园一日活动对幼儿园的儿童教育非常重要，一日保教活动的开展与具体的规范细则对幼儿园教师行为的规范起着重要的作用。随着社会的迅速发展，幼儿园的一日活动也要不断地完善其教学计划，提高教学效果。

统计轨道板阳面、中部和阴面的垂向温度梯度最大（小）值，并比较温度梯度值之间的倍数关系，如表2所示。

图7　轨道板垂向温度梯度月变化曲线

图8　轨道板板中垂向温度梯度日变化曲线

表2　轨道板温度梯度最大（小）值统计

监测期间阳面温度梯度整体较大，板中最大正温度梯度在100～120℃/m，最大负温度梯度在- 45～- 35℃/m；板底最大正温度梯度在70～80℃/m，最大负温度梯度在- 35～- 25℃/m。

从倍数关系上看，经统计分析最大正温度梯度是最大负温度梯度（绝对值）的2. 55倍左右；板中温度梯度是板底温度梯度的1. 4倍左右。

以5℃/m为一个区间统计正负温度梯度出现的频率，并按阳面、中部和阴面绘制板中垂向温度梯度频率分布图，如图9、图10所示。

图9　轨道板板中垂向温度梯度分布统计

由图9可知，板中温度梯度主要分布在- 30～15℃/m之间，占总体的70％以上。负温度梯度占总体60％以上，是正温度梯度的1. 5～2. 0倍。由温度梯度分布统计曲线知，阳面和中部的温度梯度频率分布几乎相同，阴面分布趋势与阳面和中部相同，但数值上差异较大。

图10　轨道板板底垂向温度梯度分布统计

3部分温度梯度出现频率最高的区间相同，为-25～-20℃/m，阳面频率为17. 46％，中部17. 97％，阴面14. 20％；温度梯度＞100℃/m的频率，阳面1. 44％，中部0. 09％，阴面0. 26％，由此可知阳面易产生较大的正温度梯度。

由图10可知，板底温度梯度主要分布在- 25～15℃/m之间，占总体的70％以上。负温度梯度占总体60％左右，是正温度梯度的1. 5～2. 0倍。轨道板阳面和中部的温度梯度频率分布相近，阴面的分布存在较大差异。

阳面和中部温度梯度出现频率最高的区间为- 20～- 15℃/m，阳面频率为21. 42％，中部18. 08％；阴面温度梯度出现频率最高区间为- 15～- 10℃/m，占17. 57％；温度梯度＞70℃/m的频率，阳面1. 08％，中部0. 45％，阴面0. 57％。

4　结论

1）轨道板板表温度变化范围涵盖轨道结构垂向各层的温度变化范围。结构各层温度最大（小）值出现时间存在滞后性，板底最大（小）值相对板表滞后约3 h，这是产生非线性温度分布的原因之一。

2）同一时刻，轨道板阳面和阴面温度存在明显差异，板表阳面和阴面温差最大9. 73℃，板底温差最大7. 27℃。在温度最大（小）值方面，阳面和阴面差异较小。经统计分析轨道板阳面易产生较大正温度梯度。

3）轨道板各部分温度梯度主要分布在- 30～15℃/m之间，每天呈周期性变化。从单天轨道结构温度场分布规律估算负温度梯度出现频率是正温度梯度的1. 4倍；根据监测数据计算，负温度梯度出现频率是正温度梯度的1. 5～2倍。

4）轨道结构垂向各层之间温度梯度差异较大，经分析板中温度梯度最大值为121. 43℃/m，最小值为- 45. 75℃/m；板底温度梯度最大值为78. 08℃/m，最小值为- 32. 12℃/m。经统计最大正温度梯度约是最大负温度梯度的2. 55倍，板中温度梯度最大（小）值是板底的1. 4倍左右。

参考文献

［1］高亮，赵磊，曲村，等.路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道设计方案比较分析［J］.同济大学学报（自然科学版），2013（6）：848-855.

［2］韩志刚，孙立. CRTSⅡ型板式轨道轨道板温度测量与变形分析［J］.铁道标准设计，2011（10）：41-44.

［3］杨荣山，万章博，刘学毅，等. CRTSⅠ型双块式无砟轨道冬季温度场试验［J］.西南交通大学学报，2015（3）：454-460.

［4］王玉泽，王森荣.高速铁路无砟轨道监测技术［J］.铁道标准设计，2015（8）：1-9.

［5］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（1）：1-6.

［6］李东昇，董亮，姜子清，等.桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的温度荷载特征试验研究［J］.铁道建筑，2015（9）：106-110.

［7］李嘉，朱伟平，黄新颜.非均布温度条件下CRCP + AC复合式路面温度应力分析［J］.湖南大学学报（自然科学版），2009（10）：13-18.

［8］尤明熙，蔡小培，高亮，等.基于监测的CRTSⅡ型板式无砟轨道温度传递仿真分析［J］.铁道建筑，2015（11）：104-107.

（责任审编周彦彦）

Analysis of Monitoring test for Slab-type Ballastless Track Temperature Field and Temperature Gradient

YOU Mingxi1，GAO Liang1，ZHAO Guotang2，XIAO Hong1
（1. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2. China Railway Corporation，Beijing 100844，China）

AbstractFor studying the distribution law of slab-type ballastless track temperature field and temperature gradient，the change rules of ballastless track temperature field distribution and temperature gradient of each layer of the track structure were analyzed through the temperature monitoring of CRT SⅡslab-type ballastless track structure full scale model in Beijing region and taking the spring and summer monitoring datas as samples. Analysis results show that there are obvious differences between sunny side temperature and shady side temperature of the track slab and the maximum temperature difference is 9. 73℃at a same time，there is time lag in the maximum（minimum）temperature of each layer of the track structure，which could cause uneven temperature distribution and big difference between the temperature gradient of each layer of the track structure，during the monitoring the maximum temperature gradient from slab surface to middle of slab is 121. 43℃/m while the maximum temperature gradient from slab surface to slab bottom is 78. 08℃/m，through statistical analysis maximum positive temperature gradient is about 2. 55 times as much as the maximum negative temperature gradient and maximum（minimum）temperature gradient in the middle of slab is 1. 4 times as much as maximum（minimum）temperature gradient in the slab bottom.

Key wordsBallastless track；T emperature field；T emperature gradient；Sunny side；Shady side

中图分类号U213. 2+42；U213. 2+44

文献标识码A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 01

文章编号：1003-1995（2016）05-0001-06

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-03-23

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划（Z2013-G001；2014G001-A）

作者简介：尤明熙（1991—），男，硕士研究生。