畢瀾瀟,趙坪銳,邢夢(mèng)婷,龔闖
(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)
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雙塊式無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法研究
畢瀾瀟,趙坪銳,邢夢(mèng)婷,龔闖
(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)
由于構(gòu)成無(wú)砟軌道主體結(jié)構(gòu)的材料為混凝土等熱的不良導(dǎo)體和溫度敏感材料,無(wú)砟軌道內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布特性受環(huán)境影響很大,且對(duì)無(wú)砟軌道受力狀態(tài)有較大影響,而目前關(guān)于無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)的系統(tǒng)研究剛剛開(kāi)始,急需建立一套合理可行的無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法為溫度應(yīng)力的計(jì)算和無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)提供真實(shí)可靠的基礎(chǔ)參數(shù)。為在制定監(jiān)測(cè)方案時(shí)合理確定測(cè)點(diǎn)位置,對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元模擬和實(shí)測(cè),通過(guò)對(duì)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)分布特性分析對(duì)混凝土內(nèi)部溫度傳感器的布設(shè)提出建議。研究結(jié)果表明:軌道結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)部位的溫度分布基本相同,軌道結(jié)構(gòu)邊角部分溫度變化幅度較大;距側(cè)邊約30 cm以上的軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布基本相同,在場(chǎng)地有限的情況下,可建立較小的試驗(yàn)段進(jìn)行測(cè)試,要獲取無(wú)砟軌道整體溫度梯度參數(shù),測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)距板邊至少30 cm以上;采用鋼筋、木條等熱傳導(dǎo)性與混凝土差別較大的材料作為溫度傳感器附著物時(shí)測(cè)得的軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)同軌道結(jié)構(gòu)實(shí)際情況有一定差別,應(yīng)盡量選擇與混凝土類(lèi)似的材料作為溫度傳感器的附著物。
無(wú)砟軌道;溫度場(chǎng);有限元;溫度荷載
我國(guó)的無(wú)砟軌道大多為采用鋼筋混凝土材料筑成的層狀結(jié)構(gòu),混凝土是一種感溫性材料,受周?chē)h(huán)境影響較大。溫度的升降會(huì)使道床板發(fā)生伸縮變形。與此同時(shí),混凝土具有熱傳導(dǎo)性能差的特點(diǎn),處于最上層的道床板或軌道板受外界環(huán)境的直接影響,其影響效果隨深度增加逐漸減弱,形成溫度梯度,致使道床板產(chǎn)生翹曲變形。當(dāng)伸縮變形和翹曲變形受到約束時(shí),道床板內(nèi)將產(chǎn)生伸縮應(yīng)力和翹曲應(yīng)力[1-2]。當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度或?qū)娱g粘接強(qiáng)度時(shí),會(huì)引起道床板的開(kāi)裂和層間離縫,影響無(wú)砟軌道的正常使用[3]。
我國(guó)地域廣闊,氣候環(huán)境具有很大差異,對(duì)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)的系統(tǒng)研究已陸續(xù)展開(kāi)[4-7],但測(cè)試方法存在較大差異,急需建立一套系統(tǒng)科學(xué)的無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法,以獲取不同特征區(qū)域的無(wú)砟軌道溫度分布特征,為我國(guó)無(wú)砟軌道的養(yǎng)護(hù)維修及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。由于無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)試驗(yàn)中混凝土內(nèi)部測(cè)點(diǎn)布設(shè)有限,不可能把軌道結(jié)構(gòu)各個(gè)位置的溫度變化情況都測(cè)量清楚,如何保證所測(cè)數(shù)據(jù)的代表性,就需要在制定監(jiān)測(cè)方案時(shí)合理確定測(cè)點(diǎn)位置,對(duì)可能影響無(wú)砟軌道內(nèi)部溫度分布的因素進(jìn)行詳細(xì)分析。本文以雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為對(duì)象,結(jié)合成都地區(qū)溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析無(wú)砟軌道溫度隨氣溫的變化規(guī)律,并討論不同溫度傳感器附著物對(duì)軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的影響。為建立一套較為合理的無(wú)砟軌道監(jiān)測(cè)方案提供依據(jù)。
1.1有限元模型建立
基于雙塊式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)特征,建立無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)模擬有限元模型如圖1所示。
圖1 雙塊式無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)模擬有限元模型Fig.1 Finite-element model of Bi-block Ballastless Track Temperature Field
其中軌枕埋置在道床板中,與道床板混凝土有基本相同的熱力學(xué)參數(shù),可將軌枕視為道床板的一部分。道床板和支撐層采用可用于三維瞬態(tài)熱分析的八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行模擬。氣溫變化、太陽(yáng)輻射是影響軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布狀況的最主要因素[8]。軌道結(jié)構(gòu)涉及三種傳熱方式:熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。假設(shè)各層均為完全均勻和各向同性的連續(xù)體,道床板和支撐層接觸良好,熱傳導(dǎo)連續(xù)。將太陽(yáng)輻射,對(duì)流換熱用對(duì)流方式施加,即將綜合換熱系數(shù)和每時(shí)刻的綜合溫度施加給道床板表面節(jié)點(diǎn)[9]。為有效的模擬軌道結(jié)構(gòu)中溫度場(chǎng)的分布,進(jìn)行溫度的初加載,即用3天溫度計(jì)算,進(jìn)行溫度場(chǎng)瞬態(tài)熱分析,取最后一天的溫度最為瞬態(tài)分析,這樣能有效的模擬軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)的初始溫度分布?;炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)取2.0 W/(m·K),比熱取0.95 KJ/(kg·℃)。
1.2有限元模型的驗(yàn)證
基于成都地區(qū)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)[10],對(duì)軌道中一些典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的瞬態(tài)分析,時(shí)間步長(zhǎng)取0.5 h。理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析,如圖2和圖3所示。
(a)板中位置(距表面12.5 cm)計(jì)算和實(shí)測(cè)溫度對(duì)比;(b)板中位置豎向溫度計(jì)算和實(shí)測(cè)對(duì)比圖圖2 計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 Comparison between the measured results and the calculated results
圖2(a)是2013年10月22日是道床板板中位置12.5 cm深度處計(jì)算和理論溫度對(duì)比圖。板中位置處兩者吻合較好,變化趨勢(shì)相同,實(shí)測(cè)最高溫度30.62 ℃,理論計(jì)算值30.12 ℃,相差0.5 ℃。
圖2(b)是2013年10月22日14:00板中位置不同深度處實(shí)測(cè)溫度和理論計(jì)算溫度對(duì)比圖。由圖可知兩者沿深度的分布形式基本相同,道床板表面與板底實(shí)測(cè)最大溫差8.24℃,理論計(jì)算最大溫差7.82℃,兩者相差0.42℃。
產(chǎn)生誤差的原因主要有:1)初始條件存在差異。2)無(wú)砟軌道的熱力學(xué)參數(shù)如換熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)以及氣象資料如風(fēng)速等難以精確取值。3)邊界條件簡(jiǎn)化的影響以及混凝土材料的離散性和不均勻性等。
總體來(lái)看,基于氣象資料利用有限元模型進(jìn)行無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)模擬是可行的,符合工程要求。
2.1溫度場(chǎng)垂向分布特性分析
圖3(a)和3(b)分別為有限元計(jì)算所得的某日正,負(fù)溫度梯度最大時(shí)的1/4板結(jié)構(gòu)溫度分布云圖。
(a)7:00時(shí)溫度分布云圖;(b)15:00時(shí)溫度分布云圖圖3 不同時(shí)刻軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布Fig.3 Temperature field distribution in slab track at different time
圖3(b)所示15:00時(shí)軌道結(jié)構(gòu)除在邊角部分不規(guī)則外,內(nèi)部的溫度呈層狀分布,隨著深度的增大,軌道溫度變化幅度逐漸減小,距道床板表面20 cm內(nèi)道床板溫度梯度較大,至支撐層趨于穩(wěn)定。
當(dāng)外界溫度的降低時(shí),道床板板面溫度低,內(nèi)部溫度高形成負(fù)溫度梯度。由于地基受環(huán)境溫度日周期變化的影響較小,形成如圖4(a)所示溫度分布,道床板存在負(fù)溫度梯度,支撐層存在正溫度梯度。相比而言,在正常的日氣溫周期變化的條件下出現(xiàn)的負(fù)溫度梯度比較小。
圖4 板中垂向溫度梯度Fig.4 Vertical temperature gradient in slab track
圖4為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算溫度垂向溫度梯度對(duì)比圖。數(shù)據(jù)表明隨著深度的增大,軌道溫度梯度逐漸減小。在道床板范圍內(nèi),由于邊角部分熱交換條件優(yōu)于板中(如側(cè)向風(fēng)[11]),雖然邊角部分的整體溫度高于板中,但其溫度梯度小于板中的溫度梯度?;炷敛牧蠈?dǎo)熱性能較差,在與環(huán)境的熱交換過(guò)程中,道床板和支撐層內(nèi)部存在著隨環(huán)境溫度變化的豎向非線性溫度梯度。
為了更細(xì)致的了解軌道結(jié)構(gòu)垂向溫度分布特性時(shí),不必在軌道結(jié)構(gòu)垂向上均勻布置溫度測(cè)點(diǎn)??紤]到靠近表面時(shí)溫度變化較為劇烈,故有必要在上表面附近布置多個(gè)溫度傳感器,而在溫度變化趨于平穩(wěn)的支撐層內(nèi)布置少量溫度傳感器。對(duì)道床板整體溫度梯度進(jìn)行測(cè)量應(yīng)該距板邊一定距離,靠近板邊布設(shè)傳感器測(cè)量得到的最大正、負(fù)溫度梯度會(huì)小于板內(nèi)測(cè)量所得,這是由于板邊熱交換條件不同造成的差異。
2.2溫度場(chǎng)橫、縱向溫度分析
圖5(a)和5(b)分別某日8:30,計(jì)算所得距模型板端15 cm處(8,9和10測(cè)點(diǎn)),及板中(1,6和3測(cè)點(diǎn))截面面溫度等值線圖。比較相同時(shí)刻、距端面不同距離的橫斷面溫度云圖,兩圖存在微小的差別,角部的最高溫度同為32.6 ℃。當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)外界條件完全相同時(shí),距端部15 cm處的溫度分布已經(jīng)和軌道結(jié)構(gòu)中部溫度分布相差不大。通過(guò)有限元模型分析可知,距軌道結(jié)構(gòu)各側(cè)面30 cm處的溫度場(chǎng)分布基本相同,具有相同的分布規(guī)律。而軌道結(jié)構(gòu)邊角區(qū)域溫度分布比較復(fù)雜,特別是在正、負(fù)溫度梯度進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)間段。在受外界環(huán)境條件影響較大的邊角區(qū)域布置溫度傳感器所獲得的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù),不能正確的反映軌道結(jié)構(gòu)整體的溫度特征,不能以邊角部測(cè)得的溫度梯度作為軌道溫度梯度荷載使用。為測(cè)量無(wú)砟軌道整體的溫度梯度,其溫度傳感器布設(shè)應(yīng)至少距板邊30 cm。
(a) 距板端15 cm截面;(b)板中截面圖5 距板端不同距離橫斷面溫度等直線圖Fig.5 Temperature straight-line picture of different cross section on different distance from the slab end
由圖6某日同深度(12.5 cm)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)量值??梢钥闯?,對(duì)稱(chēng)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的溫度基本相同。圖4中,D3-2與D4-2在前段有些許誤差,但偏差在0.5 ℃以下。同時(shí),D3-2,D4-2測(cè)點(diǎn)在軌道結(jié)構(gòu)角部,變化幅值較板邊的D1-2,D2-2大。
圖6 實(shí)測(cè)橫向?qū)ΨQ(chēng)測(cè)點(diǎn)日溫度變化Fig.6 Temperature diurnal variations of lateral symmetry measuring point
根據(jù)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的分析可以看出,對(duì)于無(wú)砟軌道這種橫截面對(duì)稱(chēng),縱向沿線路無(wú)限延伸的長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),無(wú)需建立過(guò)長(zhǎng)的縱向試驗(yàn)?zāi)P图纯蓾M足測(cè)試要求。
要說(shuō)明的是,本文有限元模型假設(shè)在橫截面范圍內(nèi),環(huán)境溫度及輻射強(qiáng)度是對(duì)稱(chēng)的,即邊界條件是對(duì)稱(chēng)的。但在實(shí)際測(cè)量中,鐵路線路走向不確定,橫截面范圍的邊界條件可能有所差別。比如太陽(yáng)照射角度引起板側(cè)邊接收太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度和面積不同,季風(fēng)氣候使板一側(cè)常年為受風(fēng)面等。一般情況下,太陽(yáng)照射角度變化改變輻射強(qiáng)度、輻射面積對(duì)軌道結(jié)構(gòu)影響很小,迎光面和背光面影響不大[12]。如要考慮這種特殊情況,需要在邊角加布對(duì)比測(cè)點(diǎn),而對(duì)板中溫度測(cè)量影響不大。
3.1模擬參數(shù)選取
準(zhǔn)確的掌握無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)的分布規(guī)律,依賴(lài)于對(duì)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)的正確測(cè)量。選擇有代表性的測(cè)量點(diǎn)是基礎(chǔ),它不但可以正確反映軌道結(jié)構(gòu)溫度特性,還可以減少測(cè)點(diǎn)的重復(fù)布設(shè),減少試驗(yàn)成本。傳感器的定位的偏差會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的誤差,可借助于一些附著物進(jìn)行輔定位。常用的附著材料有鋼筋、木條、混凝土柱等。由于其不同的熱力學(xué)參數(shù)可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響,本節(jié)將借助于有限元模型,分析不同附物材料的影響。
表1 附著物工況參數(shù)
將支撐材料放置在軌道結(jié)構(gòu)中心處,即對(duì)應(yīng)的6號(hào)測(cè)點(diǎn)位置處,長(zhǎng)度為45 cm。上端距道床板表面5 cm。研究對(duì)溫度測(cè)量效果的影響,并研究其影響范圍。選取的附著物直徑大小及熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。
3.2鋼筋為附著物時(shí)的影響分析
圖7(a)和7(b)分別為模型模擬測(cè)點(diǎn)6距表面5 cm, 50 cm處距鋼筋表面不同距離溫度曲線對(duì)比圖。由圖可知,將溫度傳感器直接粘貼在鋼筋上的測(cè)試溫度與無(wú)支撐鋼筋時(shí)的計(jì)算值偏差都較大。
(a)深度5 cm;(b)深度50 cm圖7 距附著物不同距離溫度變化Fig.7 Temperature variation of different distance from the attachments
以5 cm處為例,偏差最大值達(dá)到1.4 ℃。支撐層溫度變化幅度小,受外界環(huán)境影響下, 50 cm處的溫度偏差最大為0.4 ℃。道床板兩測(cè)點(diǎn)間最大溫度梯度由33 ℃/m,減小為23 ℃/m。對(duì)于鋼筋這種導(dǎo)熱系數(shù)大,熱傳遞效果明顯大于混凝土的支撐材料來(lái)說(shuō),其對(duì)傳感器溫度量測(cè)的影響較大。鋼筋周?chē)幕炷翢醾鬟f加快,原本溫度高的區(qū)域溫度降低,溫度低的區(qū)域溫度上升。以此方法測(cè)出的溫度梯度較軌道結(jié)構(gòu)實(shí)際的溫度梯度小。離鋼筋表面距離越遠(yuǎn),影響越小。
無(wú)鋼筋影響時(shí)軌道結(jié)構(gòu)的等溫線基本為水平,但鋼筋存在后,水平的等溫線在鋼筋影響范圍內(nèi)變成一個(gè)波峰線,如圖8(a),8(b)和8(c)所示。
(a)附著物為18 mm鋼筋;(b)附著物為8 mm鋼筋;(c)附著物素混凝土圖8 雙塊式無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)模擬有限元模型Fig.8 Temperature vector diagram of different supporting materials at 15:00
當(dāng)選取直徑為8 mm的鋼筋時(shí)。各測(cè)點(diǎn)的偏差有所減小,但影響趨勢(shì)基本相同,說(shuō)明選用較細(xì)的鋼筋作為傳感器的附著物能減小測(cè)量誤差。其影響范圍較18 mm鋼筋小,為距鋼筋表面8 cm左右。
3.3木條為附著物的影響分析
選取直徑為18mm木材作為溫度傳感器附著物。木材的比熱容較混凝土大,約為混凝土的2倍。導(dǎo)熱系數(shù)則比混凝土小的多,僅有0.2 W/(m·K)。
相比于鋼筋材料,傳感器附著在木材表面對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度的量測(cè)影響減小,5 cm深度處測(cè)點(diǎn)的最大誤差為1 ℃,50 cm深度處測(cè)點(diǎn)最大誤差為0.17 ℃。但由于木條的導(dǎo)熱性能比混凝土還要差很多,熱交換中熱量向軌道內(nèi)部傳遞需要更長(zhǎng)的時(shí)間,導(dǎo)致木條周?chē)炷翜囟茸兓浜笈c離木條較遠(yuǎn)的位置。木條對(duì)整體溫度梯度的測(cè)量在數(shù)值上影響較鋼筋小,但對(duì)軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布狀況和軌道結(jié)構(gòu)溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)的研究有較大影響。
由以上分析可知、如果將溫度傳感器直接安置在熱力參數(shù)差別很大的附著物上,所測(cè)得的軌道結(jié)構(gòu)溫度數(shù)據(jù)值和實(shí)際數(shù)據(jù)會(huì)存在較大的差別,不能正確的反映軌道結(jié)構(gòu)真實(shí)的溫度分布情況。為減小附著物材料與混凝土材料導(dǎo)熱傳熱性能不同對(duì)軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)測(cè)量的影響,應(yīng)將溫度傳感器安裝在距附著物至少4 cm的區(qū)域。或直接采用預(yù)制混凝土柱作為溫度傳感器附著物。
(a)深度5 cm;(b)深度50 cm;(c)附著物為18 mm木條15:00時(shí)溫度向量圖圖9 距附著木材不同距離溫度變化Fig.9 Temperature variation of different distance from the attached wood
1)溫度場(chǎng)試驗(yàn)軌道結(jié)構(gòu)的縱向長(zhǎng)度的大小對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響不大,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),5 m左右的軌道結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠正確反映真實(shí)的溫度場(chǎng)分布情況。
2)不必在軌道結(jié)構(gòu)垂向上均勻布置溫度測(cè)點(diǎn)??紤]到靠近表面時(shí)溫度變化較為劇烈,故有必要在上表面附近布置多個(gè)溫度傳感器,而在溫度變化趨于平穩(wěn)的支撐層內(nèi)布置少量溫度傳感器。
3)軌道結(jié)構(gòu)邊角部分溫度場(chǎng)分布較復(fù)雜,溫度變化幅值大,但其溫度梯度小于軌道板內(nèi)部。距軌道結(jié)構(gòu)各側(cè)面大于30 cm處的溫度場(chǎng)分布基本相同,隨深度成層狀分布。如要獲得軌道結(jié)構(gòu)整體溫度特性測(cè)點(diǎn)宜布置在距側(cè)邊30 cm以上的位置處以減少邊界熱交換條件差異的影響。
4)將溫度傳感器直接安裝在非混凝土的附著材料上會(huì)影響軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的測(cè)量。宜直接采用預(yù)制混凝土柱作為溫度傳感器附著材料。
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Monitoring method of temperature field on bi-block ballastless track
BI Lanxiao, ZHAO Pingrui, XING Mengting, GONG Chuang
(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
Ballastless track is a composite structure made of reinforced concrete material.Because of the thermal conductivity properties of track structure,the change of surrounding environmental conditions affects the temperature field and stress of track.The systematic study of ballastless track temperature field has just begun.In order to provide reliable parameters for the calculation of temperature stress and ballastless track design,it needs to establish a set of methods to monitor ballastless track temperature field.The measured data and the results of numerical simulations show that the temperature distribution of the symmetric part of the structure is basically the same,and the marginal part of the track structure have large variation in concrete temperature.More than about 30 cm from the track side,the temperature field distribution inside the track structure is basically the same.Due to the limited testing ground,establishing a small test model for the test is acceptable.The temperature field data measured by the method of installing sensors on different kinds of materials,such as steel,wood etc,have a certain difference from the actual situation of track structure.
ballastless track, temperature field, finite element,temperature load
2015-11-18
國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB0036202);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1434208);中國(guó)鐵路總公司重大項(xiàng)目資助項(xiàng)目(Z2013-G001,Z2014G001-A);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(SWJTU12CX065)
趙坪銳 (1978-),男,山東青島人,副教授,從事高速重載軌道結(jié)構(gòu)與軌道動(dòng)力學(xué)研究;E-mail:przhao@163.com
U213.244
A
1672-7029(2016)09-1667-07