基于人工环境下双块式无砟轨道温度场试验方法*

张亚可，胡锦琳，韦有信，朱雨欣，许雯，王博，庄晨，胡昊，施阅章

（江苏省南京工程学院建筑工程学院 江苏 南京 211167）

0 引言

严寒地区冬季寒冷气温低，昼夜温差大的恶劣环境将对应用于该类型地貌环境的双块式无砟轨道起到较大温差变换和高温度梯度的双重作用，此类地区通常选用单元式无砟轨道结构，以避免出现由于低温环境以及大温差环境造成的连续式混凝土结构严重开裂等问题。

我国的无砟轨道大多采用混凝土材料的层状结构物，而且混凝土是一种感温材料，所以无砟轨道受温度变化的影响较大。无砟轨道结构直接暴露在室外环境中，周围变化的环境温度会引起无砟轨道结构内部温度的周期性变化，由于浇筑的混凝土等感温材料传热系数较低，导热能力较差，无砟轨道表面的温度变化要强于结构内部的温度变化，形成较大的温度梯度，从而引起结构的翘曲变形，产生翘曲应力，造成道床板的损坏和结构破坏，严重时会影响到行车安全。因此对于无砟轨道，温度场的响应分析研究是极具研究意义的。

1 试验准备

1.1 目的

在人工环境模拟下，利用红外热像仪，分别测出事先做好的分层处理的道床板试块各表面的温度值。

1.2 试验方案

选择双块式无砟轨道的道床板进行温度测试。同时人工调节的外部环境温度也在我们的温度仓实验室内得到了很好的控制。利用已有的温度仓和红外热像仪来检测在人工模拟环境下，长时间控制在某一特定温度值时，试块表面的温度分布以及温度梯度值。

2 试验操作

2.1 试块制作

图1 为我们的试块制作模具，整体尺寸为4 500mm（长）*3 500mm（宽）*240mm（高）。下一步将模具内部进行高度标记，首先在据模具底板位置标记一道高为40mm 的标记线，随后又分别标记两道高为80mm 和120mm 的标记线。现在模具上已经有了三层标记线，在浇筑混凝土的过程中充分振荡，使刚浇筑的混凝土刚好没过标记线，便可得到高度为40mm、80mm 和120mm 的分层道床板试块。

图1 试块制作模具

混凝土强度我们严格按照配合比来浇筑强度为C40 的混凝土，在混凝土成型时表面定会有凹凸不平的起伏存在，后期我们将会对试块表面进行抹平处理，尽量向整体混凝土试块的孔隙率靠拢。实验过程中以尽量减少道床板分层试块缝隙为核心主旨，先做出高度为40mm 的道床板分层试块。40mm 高度的试块脱模后粗略的在其表面上用薄薄一层的水泥砂浆找平，养护结束后在其表面贴上透明胶带，胶带表面和模具表面涂抹润滑油，再放入模具中继续浇满混凝土，这样就可以得到两组高度不同的道床板分层试块之间能够无缝对接的标准试块。随后我们制作出两组高度为120mm 的道床板分层试块，4 组高度为80mm的道床板分层试块，四组高度为40mm 的道床板分层试块。

2.2 具体操作办法

将两块高度为120mm 的道床板分层试块叠在一起，组成高度为240mm 的标准道床板试块，暂且标记为组别①；将两块高度为40mm 的道床板分层试块和两块高度为80mm 的道床板分层试块按照图2 的叠加方式进行排列，暂且标记为组别②；同上，按照图2 的叠加方式进行排列，暂且标记为组别③。其中，组别①与组别②③互为对照组，验证缝隙对温度的传递是否存在影响。组别②与组别三作为另一组对照组，验证试验准确性。

图2 道床板分层试块摆放方式及组别

首先，将温度仓的温度、湿度、光照强度等各项参数设置好，将2 个120mm 的试块叠放形成整体试块，摆放情况如图2。将所有试块放在已经调好温度的温度仓中放置1h，利用红外热像仪测得组别①表面1、4、7 的温度分布情况，继续测组别②表面的1、2、4、5、7 的温度分布情况，最后测得组别③表面的1、3、4、6、7。最终，将3 组试验的数据汇总分析，得出整体各个层面的温度分布情况。该实验可以充分模拟自然环境下的道床板经外部环境影响的情况，为了使试验更具有说服性，使试验的数据更加完美，需要做到两次试验开始时各个表层的温度参数值保持一个相同的定值，当各个表层温度都基本一致并有保持较长时间时，才可以开始试验并改变试验所需要的环境参数进行试验。

2.3 红外热像图数据提取

每组道床板分层试块在温度仓内传热进行完全后，即温度区域在一定值并保持较长时间后，用红外热像仪拍摄各个层面，并将各个层面的红外热像图上传至电脑进行分析。再次需要注意的是拍摄前应预先设置好红外热像仪的拍摄参数，保持摄像仪与表面之间距离在1m 之内且为一固定值，保证镜头水平面与试块层面平行，确保数据分析时图片尺寸与实际试块尺寸比例始终相等。现建立温度变化轴，如图3 取红外热像图内试块对角线连线作为横轴，取中心点处与试块长边做垂线作为竖轴。在横轴和竖轴上取六等分点Sp1 、Sp2、 Sp3、 Sp4、 Sp5，Sp6、 Sp7、 Sp8、 Sp9、Sp10、Sp11、Sp12、Sp13，依次连接点Sp1 和点Sp7 ，点Sp1 和点Sp13 ，以此类推，做出五条等分平行线，进而直观的观察出各个层面在x-y 方向的温度梯度值以及横竖方向上的传热变化趋势。

根据上述内容，一共有13 个点位，应用软件FLIRTools 便可获得该13 个点位的温度值，此方案能够大大的降低成本，避免了原先复杂的预埋传感器以及价格昂贵的分析软件，依据此试验方法便可以得到理想的数值。

3 道床板温度场规律分析

3.1 道床板温度随外界温度变化规律

根据实验数据，将试块表面温度进行整理。当温度仓设定温度在40℃进行温度加载，不难发现最高温度往往出现在边角处，为研究道床板温度随外界温度变化规律，将试块边角处温度及中心点温度进行温度梯度整合，整合内容如下图所示。

根据试验可得：当温度仓设定温度值为40℃时，试块表面横向最高温度可达39℃；表面竖向最大温度可达37.5℃；表面边缘与中心处最大温差可达9.7℃。内部竖向最大温度可达38.9℃；最低温度低至15.9℃；内部横向最大温度可达38.9℃；最低温度低至15.9℃，但内部边缘于中心处最大温差变化相较于表面边缘与中心处最大温差大，最高可达13.9℃。

图4、图5 为道床板试块温度分布规律，参照图3 分层试块表面温度点位选取示意图，可以看出底面整体温度要略低于表面温度且表面温度变化幅度大于底面温度变化幅度。

图4 道床板试块表面选取点位温度统计图

图5 道床板试块底部选取点位温度统计图

图6 分层试块在FILRTools 中呈现的热成像图及点位具体数值

根据图4 和图5 中曲线以及测得数据可得，道床板内部温度变化受外部环境温度影响较大，道床板边缘部分较中间部分温度高，尤其是试块四边角部分，更是达到试块表面的最大温度值，呈现出一种四周高，中心低的同心圆形态。道床板试块上层温度在温度仓中接受试验时，表面边缘温度值为该表面温度最大值；道床板试块下层温度与试块上层温度差值较大，呈现出一种上部高，下部低的趋势。根据红外热成像仪拍出的数据可得，试块整体温度变化范围大体呈圆形图案，如按照一定的温度差值绘制等温度线，可以看出各条等温度线大概率成同心圆图案排列。

3.2 道床板温度梯度分布规律

为了分析道床板内部温度梯度的变化规律，选取道床板分层试块同一温度轴的同一监测点与其上下表面不同深度处的测定点温度。即如图2所示，选取组别②和组别③两组数据的同一点位，对于相同层面的不同数据则取平均值为准。如在组别②和组别③中选取同一点位，如sp13 点，由于组别②和组别③共同拥有层面1，所以取组别②和组别③两组温度数据的平均值为层面1 的点位值。根据所得数轴的曲线变化斜率来判断道床板处不同位置中同一位点的温度梯度。

由图7 和图8 可以表明，随着距道床板表面深度的不断增加，轨道内部的温度差值逐渐增大，边缘部分的温度变化斜率略低于中心部位的温度变化斜率，呈现出一种边缘部向中心部分温度变化斜率逐渐增大的趋势。这也表明，实际应用中的双块式无砟轨道道床板内部的温度梯度变化值明显大于边缘部分的温度梯度变化值。

图7 分组试块在加载一小时后各层面点位温度值

4 结语

基于人工环境下的双块式无砟轨道道床板温度场的一种新型的试验方法，对道床板表面及其内部进行温度场响应分析。借助红外热像仪以及红外热成像图分析软件FLIRTools，以及多点式横竖交汇温度变化轴研究方法的辅助，极大的减少了人工和成本，便捷了操作办法，缩短了实验周期与食盐总时长。对此可以得到如下结论，为我国双块式无砟轨道提供理论依据。

（1） 无砟轨道受外界环境温度变化影响较大，道床板表面及内部有着较大的温度梯度值。

（2） 在人工环境下的温度场试验分析过程中，道床板边缘部分较中间部分温度高，呈现出一种四周高，中心低的变化趋势。道床板上层温度比下层温度值要高且温度差值较大，呈现出一种上部高，下部低的变化趋势。

（3） 在人工环境下的温度场试验分析过程中，随着距道床板表面深度的不断增加，温度梯度的变化趋势也随之变大，道床板内部温度变化受外界环境温度的影响也就越小。

（4） 在人工环境下的温度场试验分析过程中，道床板角部及边缘部分的温度梯度变化范围要小于道床板中心部位的温度变化范围。道床板容易发生病害的地方极有可能出现在边缘部分以及角部部分。

通过上述利用一种新的多点式横竖交汇温度变化轴方法，极大的减少了成本，节约了人力和时间。依据此方法得到的结论，如下建议：

（1） 无砟轨道道床板受外界环境温度变化影响较大，建议在修建无砟轨道时首先考虑温度对轨道的病害影响。

（2） 道床板的边缘部分及角部分温度梯度值较大，建议浇筑时重点注意此部分以及检修时重点检修此部分。

（3） 随着距道床板表面温度的距离不断增加，道床板内部的温度梯度逐渐减小，建议完善无砟轨道尺寸结构，研究出更加经济的新型轨道结构。

图8 分组试块在加载两小时后各层面点位温度值