兰州地区连续梁桥上无砟轨道温度场研究

侯兵港

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070）

无砟轨道是目前中国高速铁路建设所使用的主要结构形式，具有高平顺性、高稳定性、耐久性好以及后期维修工作少等优点。CRTSⅢ型板式无砟轨道是由中国自主研发的新型板式无砟轨道，在服役时，它长期与空气直接接触，结构温度变化受环境变化的影响较大。中国不同地域的太阳辐射、风速、大气温度等差异较大。目前针对西部地区轨道结构温度场受太阳辐射和环境温度的影响研究较少。所以本文以2020 年大气温度最高值和最低值出现时间为选取兰州地区2020-07-06、2020-12-30 的气象环境资料作为基础来探究夏季和冬季连续梁桥上无砟轨道结构的温度场变化规律。

1 太阳辐射计算及结构参数

太阳与地面的位置关系会随时间变化而改变，主要以太阳赤纬角、太阳时角、太阳方位角、太阳高度角和太阳入射角5 个要素来描述太阳与地面的时间-空间关系[1]。据此计算得到随时间变化的太阳辐射，而直接照射到结构表面的太阳辐射会经过大气的衰减，其强度与大气透明度系数和桥梁走向有关，结构物吸收的有效辐射与结构物表面对太阳辐射的吸收效率有关[2]。本文考虑环境温度和太阳辐射对整体结构温度场的影响，定义桥梁走向为南北方向，计算出一天之内太阳对结构的有效辐射，然后定义结构的初始温度场。通过结构与外界环境之间的热辐射、热对流和热传导来分析结构的温度场变化。

混凝土结构表面太阳辐射吸收系数取0.66，兰州地区2020-07-06 大气透明度系数为0.68，2020-12-30大气透明度系数为0.66。

本文以某连续梁桥（80 m+128 m+80 m）为工程背景，采用有限元软件建立三维实体模型，其中轨道板尺寸为5 600 mm×2 500 mm×200 mm，密度为2 500 kg/m3，比热容为950 J/（kg·℃），导热系数为1.84 W/（m·℃）。自密实混凝土层尺寸为5 600 mm×2 500 mm×100 mm，密度为2 550 kg/m3，比热容为800 J/（kg·℃），导热系数为1.22 W/（m·℃）。底座板采用单元板形式，尺寸为5 600 mm×2 900 mm×200 mm，单元板之间间隔为7 cm。密度为2 500 kg/m3，比热容为850 J/（kg·℃），导热系数为1.0 W/（m·℃）。

箱梁室内空气温度在一天内基本保持不变，与之接触的箱室内表面温度变化幅度也不大，所以在进行温度场分析时可不考虑箱室内表面的辐射换热[3]。结构分析时初始温度场选择混凝土结构整体温度分布较均匀的时刻，取日出时刻气温作为结构初始温度[4]。2020-07-06 日出时刻为06：00，气温为22 ℃；2020-12-30 日出时刻为08：00，气温为-12 ℃。

连续梁桥主跨跨中位置如图1 所示。Q、QD 分别为顶板、底板的中间位置。GY 为东侧轨道结构中间位置。

图1 连续梁桥主跨跨中位置示意图

2 兰州地区桥梁结构温度场

2020-07-06 兰州地区夏季桥梁顶板温度时程曲线如图2 所示。2020-07-06 兰州地区夏季桥梁底板温度时程曲线底板温度时程曲线如图3 所示。Qa、Qb、QDa、QDb 分别为顶板外表面、顶板内表面、底板外表面、底板内表面。

图2 2020-07-06 顶板温度时程曲线

图3 2020-07-06 底板温度时程曲线

兰州地区夏季桥梁顶板外表面温度在15：00 左右达到最大值47.9 ℃，底板外表面温度在16：00 左右达到最大值33.6 ℃。由于顶板所受辐射包括太阳直射、大气散射，而底板受到的辐射是地表反射和大气散射，并不受太阳直射，地表反射比太阳直射的强度要小许多，所以顶板温度变化更加剧烈。由于底板外表面受到地表长波辐射的作用，导致底板外表面温度达到最大值比顶板外表面温度达到最大值时滞后约1 h。

2020-12-30 兰州地区冬季桥梁顶板温度时程曲线如图4 所示。2020-12-30 兰州地区冬季桥梁底板温度时程曲线底板温度时程曲线如图5 所示。

图4 2020-12-30 顶板温度时程曲线

图5 2020-12-30 底板温度时程曲线

冬季桥梁顶板与底板的温度变化趋势虽不一致，底板温度达到最大值时间比顶板滞后约0.5 h，但其温度最大值差距不大，均接近于一天之内的最高大气温度。原因是由于冬季太阳辐射较弱，桥梁整体结构的温度变化主要由大气温度所影响，底板所受到的地表反射与顶板所受到的太阳直射的差距并不能使桥梁顶板和底板的温度差出现较大的变化。

3 兰州地区轨道结构温度场

2020-07-06 轨道结构温度时程曲线如图6 所示。沿深度方向温度时程曲线如图7 所示。GY 为东侧轨道结构中间位置，GYa 为轨道板顶面、GYb 为轨道板底面、GYc 为自密实混凝土层底面、GYd 为底座板底面、GYe 为桥梁顶板深度方向0.4 m 处。

图6 2020-07-06 轨道结构温度时程曲线

图7 2020-07-06 沿深度方向温度时程曲线

夏季兰州地区轨道结构顶面温度最大值达到48.9 ℃，出现在15：00 左右，与桥梁顶板温度达到最大值时刻基本一致。沿深度方向各点温度变化与轨道板顶面温度变化相比具有一定的滞后性，且温度变化数值越来越小，这是由于随着深度增加，太阳辐射被上面的结构层吸收阻挡后，抵达相应深度时强度越来越弱。

2020-12-30 轨道结构温度时程曲线如图8 所示。沿深度方向温度时程曲线如图9 所示。

图8 2020-12-30 轨道结构温度时程曲线

图9 2020-12-30 沿深度方向温度时程曲线

冬季兰州地区轨道结构温度场的变化规律和夏季相似，轨道板顶面温度最大值为-6.2 ℃，出现在14：00 左右，接近一天之内的最高气温。由此可知冬季轨道板顶面温度与大气温度密切相关，这是由于兰州地区冬季太阳辐射强度较低，再经过大气散射、云层吸收、轨道结构表面反射等作用，真正能被轨道结构吸收的太阳辐射有限，此时太阳辐射对轨道结构温度场的影响是比较轻微的。

4 结论

夏季兰州地区桥梁顶板和底板最高温度分别为47.9 ℃、33.6 ℃，轨道顶面在15：00 左右达到温度最大值48.9 ℃，与桥梁顶面温度最高值出现时间基本一致。冬季兰州地区桥梁顶板和底板温度最大值差距并不明显，且接近一天之中的大气最高温度，轨道结构顶面温度最大值也接近一天之内的最高气温。这表明冬季太阳辐射较弱，与大气温度相比不能使结构温度场发生大的改变。分析兰州地区的夏、冬季桥上无砟轨道结构温度场变化规律，发现夏季对结构温度场起主导作用的是太阳辐射，冬季对结构温度场起决定作用的是大气温度。