严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道温度场分析

赵丽华 赵世嘉 张吉松 刘思桐

(1.大连交通大学， 辽宁 大连 116028； 2.北京交通大学， 北京 100044；3.大悦城控股集团股份有限公司， 沈阳 110000)

CRTS Ⅰ型板式无砟轨道是我国高速铁路的主要结构形式之一，实现了高速列车运行的安全性、平稳性和舒适性[1]要求。轨道板作为混凝土结构，长期直接暴露在自然环境当中，在太阳辐射下，受混凝土传热性能影响，轨道板内部散热慢温度高，导致轨道板温度分布不均，产生温度应力，从而引起轨道板变形。温度应力影响主要分为两个方面：一是轴向伸缩；二是在温度应力作用下轨道板发生板角翘曲或板中上拱。因此，掌握严寒地区CRTS Ⅰ型板式无砟轨道的温度场变化规律，可为CRTS Ⅰ型板式无砟轨道在严寒地区的温度荷载研究提供参考。

在无砟轨道温度场分析中，杨荣山[2]等实地测验成都地区CRTS Ⅰ型双块式轨道冬季温度特性，得出了成都地区冬季CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道温度荷载的取值；欧祖敏[3]等利用气象数据资料，推导出可用于无砟轨道结构温度场计算的有效方程；钟阳龙[4]等基于内聚力模型,建立CRTS Ⅱ型板式轨道层间剪切破坏三维有限元分析模型, 分析温度力作用下CRTS Ⅱ型板式轨道结构层间剪切破坏过程及参数影响规律；郭超[5]等通过模拟CRTS Ⅱ型板式轨道瞬态温度场，得到严寒地区冬、夏两季CRTS Ⅱ型板式轨道温度特性作用机理；赵勇[6]等通过监测哈大高速铁路CRTS Ⅰ型板式轨道温度场及变形情况，认为温差是影响轨道板翘曲情况的最大因素；周小勇[7]等基于气象学和传热学原理，建立CRTS Ⅲ型板式轨道瞬态分析模型，认为风速在轨道表面10 cm范围内对轨道板温度场影响较大。现阶段大多数研究主要针对具体路段实测数据进行分析，而针对严寒地区CRTS Ⅰ型板式无砟轨道温度场分布规律的理论研究较少。本文根据气象学原理及热传导理论，建立基于气象数据的无砟轨道温度场模型，研究冬季、夏季极端温度条件下 CRTS Ⅰ型板式无砟轨道温度场，从而为确定无砟轨道在严寒地区的温度荷载提供理论依据。

1 计算模型与材料参数

1.1 无砟轨道计算模型

本文以严寒地区CRTS Ⅰ型板式无砟轨道为研究对象，根据热传导理论与有限元法[8]，建立CRTS Ⅰ型板式无砟轨道有限元模型，如图1所示。为消除无砟轨道结构边界效应，模型纵向选取3块板长度。

图1 CRTS Ⅰ型板式无砟轨道结构图

模型中钢轨采用CHN60钢轨，轨距为 1 435 mm，采用实体单元模拟；扣件采用离散支撑的线弹性元件，即采用Cartesian连接模拟[9]；无砟轨道基础根据弹性地基梁理论[10]，用线弹性弹簧模拟路基；轨道板、CA砂浆层及底座板均采用实体单元进行模拟；CA砂浆层与轨道板采用粘结接触。温度场分析时，采用DC3D8单元进行分析，模型共 57 392个单元。

1.2 计算参数

CRTS Ⅰ型板式无砟轨道温度场为瞬态温度场，需要确定结构的参数包括：弹性模量E、泊松比、热膨胀系数、比热容c及导热系数λ，结构材料参数如表1所示。

表1 轨道结构材料参数表

2 CRTS Ⅰ型板式无砟轨道温度场分析

选取2019年哈尔滨夏季、冬季极端天气作为计算数据，夏季最高气温发生在2019年6月24日，为21 ℃～33 ℃，平均风速3 m/s；冬季最低气温发生在2019年12月30日，为-29 ℃～-22 ℃，平均风速3.2 m/s。

2.1 初始温度场

为符合实际情况，本研究选取极端天气前一日的气象资料，模拟分析温度场的计算结果作为初始温度场，此方法可提高计算结果的稳定性和准确度。因此，所计算结果皆为两日内温度变化数据。

2.2 横向温度场分析

以2019年夏季6月23日、冬季12月29日气温建立初始温度场，计算6月24日和12月30日无砟轨道典型时刻温度分布，无砟轨道纵向中心横截面温度场分布云图，如图2所示。

图2 典型时刻无砟轨道横向温度场图

由图2可知，无论夏季还是冬季，CRTS Ⅰ型板式无砟轨道横向温度场皆呈对称分布，且相同时刻无砟轨道内部温度场变化规律一致：凌晨时无砟轨道结构温度场表现为“内热外冷”，无砟轨道结构内部温度高于轨道结构表面温度，而在下午表现为“内冷外热”，无砟轨道结构内部温度低于轨道结构表面温度。由于无砟轨道板边接受太阳辐射较多，因此无砟轨道结构板边温度变化比板中温度变化更为明显。

轨道板与底座板皆为混凝土材料，按热传导理论分析，无砟轨道结构温度场由上而下应为连续分布，但对比图2(a)与图2(c)、图2(b)与图2(d)可以看出，在同一时刻，轨道板温度场与底座板温度场产生明显差异。这是由于CA砂浆充填层阻隔了热量的竖向传递，CA砂浆的热阻隔作用，使得无砟轨道温度场沿深度方向产生跳跃现象。由此可见，在相同气候条件下，相较于温度场变化较为稳定的底座板，轨道板温度梯度变化更大，受温度荷载作用影响更大，更易受到大气温度变化的影响。

取轨道板顶面、底面中心处不同时刻温度，轨道板温度梯度变化情况，如图3、图4所示。

图3 轨道板温度随时间变化曲线图

图4 轨道板温度梯度随时间变化曲线图

由图3、图4可知，当夏季温度升高15 ℃时，轨道板顶温度由22.6 ℃升高至46.9 ℃，轨道板顶最高温度发生在下午14：00时；轨道板底温度由25.7 ℃升高至36.9 ℃，板底最高温度发生在下午18：00时。夏季轨道板最大正温度梯度出现在下午13：00时，为73.2 ℃/m，最大负温度梯度为29.7 ℃/m。

当冬季温度降低18 ℃时，轨道板顶面温度变化趋势与夏季轨道板表面温度变化相同，轨道板顶最高温度出现在下午14：00时，为-12.4 ℃；轨道板底最高温度出现在下午17：00时，为-16.5 ℃。冬季轨道板最大正温度梯度出现在下午13：00时，为30 ℃/m，最大负温度梯度为24.9 ℃/m。

综上所述，无砟轨道结构内部温度变化滞后于大气温度，变化规律与大气温度一致，随气温做周期性变化，呈正弦变化趋势。冬季与夏季无砟轨道板最大正温度梯度均出现在下午13：00时，且夏季轨道板最大正温度梯度大于冬季，轨道板受温度荷载影响更大。

2.3 竖向温度场分析

在轨道板中心处，沿无砟轨道竖向每隔0.05 m取1点，读取不同时刻轨道板温度变化曲线，如图5所示。

图5 不同时刻轨道板内部温度沿深度变化曲线图

由图5可知，夏季、冬季无砟轨道竖向温度均呈非线性分布，且随着竖向深度的增加温度变化减小。不同时刻无砟轨道内部温度梯度不同，夜间时，轨道板表面与外界环境对流换热，“外冷内热”使无砟轨道呈现负温度梯度；白天随着太阳辐射的增大，无砟轨道温度场呈现“外热内冷”的现象，无砟轨道受正温度梯度影响。

对比夏季、冬季不同时刻温度随时间变化曲线可以清晰看出，无砟轨道轨道板最大温度梯度发生在下午13：00，这是由于此时大气温度接近最高日气温，且太阳辐射也达到最大值，大量热量流入轨道板，导致轨道板顶面温度越来越高。但由于轨道板为混凝土材料，导热性能较差，轨道板底面温度却变化缓慢，所以轨道板顶面、底面温差变大，轨道板温度梯度达到最大。

3 结论

本文依据热传导基本原理，以气象数据建立CRTS Ⅰ型板式无砟轨道边界条件，研究了严寒地区夏季、冬季极端温度条件下，无砟轨道温度场的变化规律。得出以下结论：

(1)CRTS Ⅰ型板式无砟轨道瞬时温度场呈对称分布，轨道板内部温度场变化滞后于大气温度，变化规律与大气温度一致，随气温做周期性变化，呈正弦变化趋势。由于CA砂浆充填层的热阻隔作用，无砟轨道温度场在轨道板与CA砂浆接触面发生温度跳跃现象，轨道板更易受大气温度变化影响。

(2)CRTS Ⅰ型板式无砟轨道冬季和夏季的最大正温度梯度均出现在下午13：00时，且夏季轨道板最大正温度梯度大于冬季。

(3)CRTS Ⅰ型板式无砟轨竖向温度呈非线性分布，且随着深度增加温度变化减小。轨道板正温度梯度在下午13：00时达到最大值。