高温季节桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道温度分布试验研究

赵磊，周凌宇，张营营，袁亚慧，邹莅凡，余志武, 2

高温季节桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道温度分布试验研究

赵磊1，周凌宇1，张营营1，袁亚慧1，邹莅凡1，余志武1, 2

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)

为研究高温季节高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的温度分布规律，制作CRTSⅡ型板式无砟轨道－预应力混凝土简支箱梁1: 4缩尺试验模型。通过开展夏季典型高温天气的温度试验，分析高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的温度分布变化规律，研究无砟轨道横、竖向温度分布型式。结果表明：在非阳光直射条件下，高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道竖向温度分布、温差分布和温度梯度分布均呈“S”形非线性分布，且呈周期性变化；轨道板与CA砂浆层间竖向温度梯度为正温度梯度，最不利竖向负温度梯度发生于CA砂浆层与底座板层间；CA砂浆内部竖向温度梯度最显著，最大值为27.0 ℃/m；无砟轨道横向温度分布呈抛物线型，三维温度分布呈马鞍形曲面。

高速铁路桥；CRTSⅡ型板式无砟轨道；高温天气；模型试验；温度分布

温度变化是无砟轨道结构产生离缝、不平顺[1−3]等病害的最主要因素之一，温度分布对无砟轨道的温度作用效应影响巨大[4−5]。近年来对无砟轨道温度场分布的研究日渐增多[6−7]，但大部分研究主要针对路基上的无砟轨道[8−9]，且研究方法主要为基于有限元的数值分析法和基于现场测试的统计分析法。刘付山等[10]利用有限元建立路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道数值模型，研究了温度随时间变化以及太阳辐射等因素对轨道板温度分布的影响；闫斌等[11]建立了无砟轨道温度分析有限元模型，研究了CRTSⅡ型板式无砟轨道的竖向温度分布；由于模型缺少确切的水泥乳化沥青砂浆热力学参数，数值模拟研究存在较大缺陷。戴公连等[12]基于温度监测数据统计，探索了CRTSⅡ型板式无砟轨道在路线超高段的横、竖向温度变化特征，但由于温度传感器数量布置不足，因此对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的三维温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温度梯度、整体温度及极端温度作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道的受力变形规律。综述而言，现有关于无砟轨道温度分布的研究手段仍然以有限元分析为主，缺乏更进一步的模型试验研究，有关水泥乳化沥青砂浆和箱梁对CRTSⅡ型板式无砟轨道温度分布带来的巨大影响仍没有引起足够的重视。同时，目前无砟轨道温度场分布的试验研究较少，且均为针对太阳照射于无砟轨道表面的非均匀受热状态的温度场[6, 12]，涉及多云天气全路段、高铁场站、公铁两用桥上等非阳光直射条件下的无砟轨道温度分布规律研究则没有相关报道。一般情况下，阳光直射条件下的无砟轨道温度梯度的变化主要由太阳照射直接引起，此时轨道板上表面温度高，底座板下表面温度低，竖向温度差最大，竖向温度梯度对结构性能起主导作用。而在非阳光直射条件下，无砟轨道温度变化主要通过大气进行热传导，此时竖向、横向温差及对结构性能的影响尚待深入研究。基于此，本文建立高速铁路CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道−桥梁结构体系1:4缩尺试验模型，利用密集布置的新型温度传感元件和温控系统开展夏季极端高温天气高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的温度分布试验研究，为我国无砟轨道温度场作用效应研究和设计提供参考。

1 试验概况

1.1 模型选取与制作

本文选取我国CRTSⅡ型板式无砟轨道+32 m型通用预应力混凝土简支箱梁(双线)为原型结构，根据形状相似原则设计制作1:4缩尺试验模型。缩尺模型结构如图1所示。

试验模型所用混凝土及CA砂浆等材料均与原型梁保持一致，满足线膨胀系数和弹性模量的相似常数为1，模型与原型结构的约束条件保持一致，满足边界条件的相似性，在自重等作用下，模型与原型结构跨中上、下边缘处混凝土的应力相等，满足应力相似常数为1，具体物理量相似关系如表1所示。

考虑到CA砂浆的施工灌注及传感器布设(需在CA砂浆内布置3层传感器)，CA砂浆层厚度制作保持与原型结构相同(30 mm)；缩尺模型截面如图2。

表1 物理量相似关系

单位：mm

单位：mm

1.2 主要材料参数

箱梁和轨道板的混凝土为C50，底座板为C30。CA砂浆材料实测强度及弹性模量等满足要求，配合比如表2所示。

1.3 测点布置

在桥梁支座和跨中的无砟轨道截面均分别密集地预埋了3列7层共21枚JMT-36B型高精度半导体温度传感器，如图3所示。

表2 CA砂浆配合比

单位：mm

为了确保模型制作过程中各传感位置的精确固定，经过定位测量后，将温度传感器与无砟轨道中分布钢筋进行定位绑扎，确保传感器位置固定。图3层间温度测点数据可同时代表上、下两层结构接触面的温度；温度采集设备为JMZX-3001型综合测试仪，精度±0.1 ℃。

1.4 测试方案

我国铁路规范[14]给出了全国夏季七月份平均气温图，数据显示中南地区平均气温达28 ℃，是我国平均气温最高的几个区域之一，因此，选择夏季典型的高温天气，在我国中南地区开展温度试验可获取该地区高温季节最不利温度作用效应。

试验选择在长沙市，在天气晴朗且连续数日气温保持年度极高温度38 ℃的时间段，以代表我国中南地区典型高温时段。实验室内通风良好，可准确地模拟夏季极高温度状态下高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道外部均匀受热状态的温度分布。试验连续开展24 h(09:00至次日09:00)，每半小时测试1次温度结果。

2 竖向温度分布及规律

2.1 温度变化曲线

试验当日天气晴朗，通风良好，实验室内温度均匀；15:30时室外气温达到最高值38.0 ℃，地表温度达到最大值44.5 ℃。由于室内环境避免了太阳光直接照射，结构表面受热均匀，属于均匀温度场，因此试验测得的无砟轨道在桥梁支座和跨中截面的温度数据基本一致，故本文仅列出跨中截面测试结果，试验模型中部竖向温度变化曲线如图4所示。

图4 试验温度−时间曲线

图4显示，试验模型周围环境气温在32.6℃～36.2 ℃之间大致呈正弦曲线式周期性变化。无砟轨道各结构层内的温度变化趋势总体上保持一致，均随环境气温大致呈正弦曲线式周期型变化，但结构内温度明显滞后于环境气温。轨道板上表面最高温度达到37.5 ℃，并始终高于其它结构层温度和环境气温。无砟轨道各层温度从上到下大致呈递减趋势；底座板中部温度仅次于轨道板顶面温度且大部分时间均高于其他层温度，高温作用效应显著。

2.2 竖向温度梯度变化规律

分析和比较本文无砟轨道各结构层内的温度梯度，如图5(a)。结果表明：各结构层内部温度梯度呈周期性变化且均为正(规范[15]规定上热下冷为正，反之为负)。缩尺模型中竖向温度梯度在轨道板内最大值为19.5 ℃/m，在CA砂浆内最大值为27.0 ℃/m，在底座板内较小且变化不明显，说明CA砂浆的竖向温度梯度最大且变化最显著，因此缩尺模型中CA砂浆层受竖向温度梯度作用影响最大。

将轨道板与CA砂浆层间、CA砂浆层与底座板层间中部温度梯度变化曲线绘出如图5(b)所示。结果表明：试验全过程轨道板与CA砂浆层间为正温度梯度，最小为10.0 ℃/m，最大为22.5 ℃/m；CA砂浆层与底座板间均为负温度梯度，最小为−15.0 ℃/m，最大为−25.0 ℃/m。最不利竖向正温度梯度发生于轨道板与CA砂浆层间，而最不利竖向负温度梯度发生于CA砂浆层与底座板层间。根据物体热胀冷缩原理分析可以推测轨道板与CA砂浆层间容易产生中部上拱、离缝，而CA砂浆层与底座板层间容易产生边缘剥离、翘曲。

2.3 竖向温度分布

将试验全过程竖向温度分布绘制如图6所示。

由图6可知，不同时刻，无砟轨道竖向温度分布呈“S”形，且各层内局部竖向温度分布均具有非线性特征；在10:00前后各层温度值最小，20:00～00:00时各层温度值则较高。图中CA砂浆内曲线平缓，温度低于轨道板和底座板中部温度，表明CA砂浆热交换效率明显低于采用混凝土材料的轨道板和底座板，因此CA砂浆层具有温度传递阻滞效应(相对于轨道板和底座板)，并对底座板形成了保温作用。

图6 竖向温度分布曲线

将本文温度最高时刻(20:00)的竖向温度分布曲线同文献[11]进行对比，如图7所示。

图7 竖向温度分布对比图

图7表明：本文的温度分布为“S”形，不同于文献[11]的分布形式。主要原因一方面为文献[11]的有限元数值模型缺少CA砂浆热力学参数，未考虑CA砂浆层对竖向温度分布的影响；另一方面，本文为室内均匀温度环境，温度变化范围也相应地小于文献[11]采用的室外环境。此外，CA砂浆与混凝土热传导性能的较大差异也是本文“S”形竖向温度分布的重要原因，这一差异也是我国CRTSⅡ型板式无砟轨道温度分布及离缝病害程度等与其他类型无砟轨道不同的主要原因。实际工程应用中，受CA砂浆层温度传递阻滞效应的影响，含CA砂浆层的无砟轨道非常容易出现层间离缝，因此，在无砟轨道温度效应设计和研究中应重点关注CA砂浆层；同时为了使温度荷载下各层材料协调变形，在今后的无砟轨道发展中宜使各层材料的热传导性能尽可能一致。

2.4 竖向温差分布

将试验全过程不同时刻无砟轨道竖向温差和温度梯度分布绘制如图8所示。图8(a)显示：无砟轨道竖向温差分布呈“S”形；CA砂浆层曲线平缓，温差变化显著，进一步表明CA砂浆层具有温度传递阻滞效应，使无砟轨道竖向温差分布进一步复杂化。

(a) 竖向温差分布；(b) 竖向温度梯度分布

图8(b)可知：结构的竖向温度梯度分布仍为“S”形；最大梯度值为28.0 ℃/m，发生于06:00；CA砂浆内温度梯度变化显著，表明CA砂浆层受温度梯度作用非常显著。

将本文温度最高时刻(20:00)的竖向温差分布曲线同文献[6]CRTSⅠ型无砟轨道及文献[12] CRTSⅡ型板式无砟轨道的竖向温差分布曲线作对比分析，如图9所示。

图9 竖向温差分布对比图

图9给出了文献[6]最大温差11.5 ℃，文献[12]最大温差10.5 ℃，本文最大温差1.9 ℃。图9中两参考文献给出的温差分布曲线较为接近，表明在室外条件下，CRTSII型无砟轨道与CRTSⅠ型无砟轨道竖向温差分布型式近似。本文得到的温差分布为“S”形，与文献[12]不同，主要原因一方面为文献[12]研究条件为现场太阳直射的室外环境，地表温度和温差大，而本文研究条件为室内环境，温度和温差变化范围也相应较小；另一方面，文献[12]的研究对象为超高段无砟轨道，测点布置不均匀，且未在CA砂浆层布置温度测点，忽略了CA砂浆层的影响，而本文测点布置充分考虑了CA砂浆层的影响，因此温差分布呈完整和均匀的“S”形曲线。此外，由于本文无砟轨道设置于桥上，研究结果与现有路基上无砟轨道温度场文献[8−9]结果略有不同，因此箱梁对无砟轨道底部的温度补偿作用也可能是产生这一结果的另一个因素。

3 横向温度分布及规律

3.1 横向温度分布

将试验中无砟轨道温度最高时刻(20:00)的横向温度分布和等温线绘出如图10所示。由于模型未受太阳直射，因此无砟轨道表面均匀受热，结构对称部位温度相同。

图10(a)结果表明：无砟轨道温度最高时刻(20:00)，轨道板中间温度高于边缘，横向温度分布呈凸形抛物线型，最大正温差0.8 ℃(规定中间温度大于边缘时温差为正，反之为负)；CA砂浆的中、下层中间温度小于边缘，横向温度分布呈凹形抛物线型，最大负温差达−0.5 ℃；底座板中、下层中间温度高于边缘，横向温度分布呈凸形抛物线型，最大正温差0.7 ℃。图10(b)结果表明：温度最高时刻(20:00)，无砟轨道横向具有2个高温核心，一个位于轨道板上表面中间，一个位于底座板的中间部位；轨道板和CA砂浆等温线总体呈凹形，底座板等温线呈凸形，此时轨道板和底座板中间温度略高于边缘，热量蓄积在底座板中部，因受CA砂浆的覆盖保温而难以消散，进一步表明CA砂浆具有隔热保温效应，阻隔上下层热量交换。

综上分析得到：由于CA砂浆的隔热和保温性能，温度在CA砂浆层传递受阻，热量难以在该层横、竖向传导，因此气温升高时，结构外部温度大于内部，使横向温度呈凹形抛物线分布，而气温降低时，已经充分吸热升温的CA砂浆层内部热量难以向外部传导，对轨道板和底座板中部形成持续供热和保温效应，从而使无砟轨道横截面产生2个高温核心，温度作用效应也变得更加复杂。此外，由于箱梁顶板(底座板下部)温度始终高于环境气温，故箱梁不但阻隔了底座板中部的热量向外传导，而且在气温下降的情况下还能向底座板持续供热保温，因此，试验过程中底座板下部的中间温度始终高于边缘。

3.2 横向温差及温度梯度变化规律

将高速铁路桥上CRTSII型无砟轨道横向温差及温度梯度时变曲线绘制如图11所示。

图11(a)表明：无砟轨道各层横向温差总体上呈周期性变化；轨道板受横向正温差作用，温差值自上而下逐渐降低，最大正温差1.1 ℃；CA砂浆层主要受横向负温差作用，最大负温差−0.5 ℃，产生于CA砂浆层中部；底座板主要受横向正温差作用，温差值自上而下逐渐减小，最大正温差1.1 ℃，产生于底座板中部。

(a) 横向温差变化曲线；(b) 横向温度梯度变化曲线

图11(b)结果表明：无砟轨道各层横向温度梯度变化趋势与横向温差相同；轨道板主要受横向正温度梯度作用，温度梯度自上而下逐渐减小，最大值为3.5 ℃/m；CA砂浆层主要受横向负温度梯度作用，最大值为−1.7 ℃/m，产生于CA砂浆层中部；底座板主要受横向正温度梯度作用，该作用值自上而下逐渐减小，最大为3.7 ℃/m，产生于底座板 中部。

横向温差和温度梯度变化结果表明：夏季高温天气下，无砟轨道轨道板和底座板主要受横向正温度梯度作用，CA砂浆则由于受自身隔热保温性能的影响而主要受负温度梯度作用，因此无砟轨道中温度作用效应非常复杂。上述结果可见，轨道板与CA砂浆层界面处、CA砂浆与底座板界面处的横向正、负温度梯度反差非常显著，轨道板与CA砂浆界面、CA砂浆与底座板界面处均具有由横向温度梯度效应引起层间横向滑移的趋势，因此，CA砂浆对横向温度梯度效应的影响不可忽视。

4 三维温度分布

将无砟轨道温度最高时刻(20:00)为代表时刻，将无砟轨道沿横向宽度、竖向深度(距顶面距离)和温度整理为三维分布曲面，如图12。

图12 三维温度分布曲面

图12将本文横、竖向温度分布整合，结果表明无砟轨道横、竖向整体温度分布呈非常显著的马鞍形三维曲面。由于横、竖向温差数值为同一量级，因此横向温度作用效应与竖向温度作用效应对高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道具有同等的作用效应。

总体上，CA砂浆因具有比混凝土更显著的隔热、保温性能，对无砟轨道各层温度传递产生阻滞效应，使无砟轨道层间横、竖向温度作用效应进一步复杂化，故CA砂浆是无砟轨道横、竖向三维温度分布呈复杂的马鞍形曲面的主要因素；因此为了使温度荷载下各层材料协调变形，以减少服役期间的修复次数，防止无砟轨道出现显著离缝和翘曲等影响高速列车运行平稳性和安全性的劣化现象，无砟轨道各层材料的选择宜使其热传导性能尽可能一致。

5 温度梯度效应分析

本文研究对象为缩尺模型，温度梯度效应与原型结构存在比例关系，可将缩尺模型温度梯度研究结果转化为实尺结构的温度梯度。参考我国公路桥涵设计通用规范[15]及文献[7]，温度梯度可按式(1)计算：

式中：Δ表示任意两点间的温差，℃；为该两点间的距离，m。

根据表1物理量相似关系，原型结构中轨道板及底座板的横、竖向温度梯度应为缩尺模型的1/4；由于缩尺模型中CA砂浆厚度与原型结构一致(保持原厚度30 mm利于铺设传感器)，因此竖向温度梯度相同。此外，试验模型的CA砂浆层横向宽度也按1:4进行了缩尺，所以原型结构中CA砂浆层的横向温度梯度也为缩尺模型的1/4。根据以上分析并结合式(1)，可将图5中缩尺模型的温度梯度转换为原型结构的温度梯度，如图13所示。

根据图13结果，对比图5结果可以得到，原型结构与缩尺模型的竖向温度梯度变化规律是一致的，同理可得到横向温度梯度变化规律也是一致的。此外，图13(a)显示，在与缩尺模型对应的原型结构中，轨道板层内竖向温度梯度最大值为4.9 ℃/m；底座板内最大竖向温度梯度为3.0 ℃/m；CA砂浆层内最大竖向温度梯度为27.0 ℃/m；结果表明原型结构中CA砂浆层是竖向温度梯度作用最显著的结构层。图13(b)显示，在原型结构中，轨道板与CA砂浆层间最大竖向温度梯度为7.8 ℃/m；CA砂浆层与底座板间最大竖向温度梯度为−8.7 ℃/m，表明在非阳光直射条件下，桥上CRTSⅡ型无砟轨道层间负温度梯度作用效应比正温度梯度作用效应更为显著。

(a) 各层内温度梯度；(b) 层间温度梯度

总体上，本文结果可为我国无砟轨道温度场作用效应的后续研究提供参考。在开展温度试验研究方面，无砟轨道−桥梁结构缩尺试验模型成本低，可行性好，能有效地反应无砟轨道温度分布情况；同时，实验室环境类似温室作用，夏季阳光照射实验室外墙，室内升降温明显，在实验室内通风良好的条件下开展温度试验是模拟无砟轨道24 h整体升降温的有效办法，因此可采用缩尺结构模型开展相关的温度试验研究，并利用后续的现场测试研究进行对比分析。

6 结论

1) CRTSⅡ型板式无砟轨道各层温度从上到下大致呈递减趋势，最大值为37.5 ℃，底座板中部温度仅次于轨道板顶面温度且大部分时间均高于其他层温度，高温作用效应显著。

2) 无砟轨道各结构层内温度呈周期性变化；CA砂浆层内最大竖向温度梯度可达27.0 ℃/m，是竖向温度梯度作用最显著的结构层。

3) 高温季节时，在非阳光直射条件下，无砟轨道最不利竖向正温度梯度发生于轨道板与CA砂浆层间，最不利竖向负温度梯度发生于CA砂浆层与底座板层间，相比之下负温度梯度作用效应更为显著。

4) 桥上CRTSⅡ型无砟轨道竖向温度、温差和温度梯度呈“S”形分布，横向温度分布呈抛物线型，三维分布呈马鞍形曲面。

5) CA砂浆与混凝土热传导性能差异大使得无砟轨道层间温度梯度作用显著，建议无砟轨道各层材料的选择宜使其热传导性能尽可能一致。

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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

国家自然科学基金资助项目(51578546，U1434204，U1934217)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2020zzts157)；湖南省研究生教育创新工程和专业能力提升工程项目(CX20200368)

周凌宇(1973−)，男，湖南长沙人，教授，博士，从事钢−混凝土组合结构研究；E−mail：zhoulingyu@csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)