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        CRTSⅢ型無(wú)砟軌道冬季溫度場(chǎng)特性

        2020-06-20 05:39:54潘勛周小勇陳鷹倪林
        鐵道建筑 2020年5期
        關(guān)鍵詞:溫度梯度太陽(yáng)輻射底座

        潘勛 周小勇 陳鷹 倪林

        (1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,武漢 430074;2.中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司,浙江湖州 313000)

        我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道主要采用混凝土結(jié)構(gòu)。CRTSⅢ型無(wú)砟軌道由我國(guó)自主設(shè)計(jì),被應(yīng)用于多條鐵路線(xiàn)路[1]。其軌道結(jié)構(gòu)包括CHN60型鋼軌、WJ-8扣件系統(tǒng)、CRTSⅢ型預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土層、中間隔離層及混凝土底座板,如圖1所示。

        圖1 CRTSⅢ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

        由于混凝土材料導(dǎo)熱性能較差,內(nèi)部溫度受太陽(yáng)輻射、氣溫、熱對(duì)流等外界因素影響較大,軌道結(jié)構(gòu)易形成白天“上熱下冷”(正溫度梯度)、夜間“上冷下熱”(負(fù)溫度梯度)的情況,導(dǎo)致軌道板發(fā)生翹曲變形,影響軌道行車(chē)安全及結(jié)構(gòu)耐久性[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)無(wú)砟軌道溫度作用開(kāi)展了大量研究。王森榮等[3]對(duì)CRTSⅠ型普通軌道板和框架型軌道板進(jìn)行全天測(cè)量并分析了溫度翹曲應(yīng)力;劉學(xué)毅[4]研究了國(guó)內(nèi)外溫度翹曲應(yīng)力計(jì)算理論與方法;劉鈺等[5]認(rèn)為板面溫度對(duì)溫度梯度起控制作用,提出了減少CRTSⅡ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)層間早期離縫的有效措施;歐祖敏等[6]基于熱工學(xué)原理,利用氣象數(shù)據(jù)得到無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)豎向溫度場(chǎng)分布的計(jì)算模型;劉偉斌等[7]在CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道試驗(yàn)段開(kāi)展溫度場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn),研究溫度梯度變化規(guī)律;李佳雨等[8]采用貝葉斯理論建立夏季無(wú)砟軌道溫度梯度預(yù)測(cè)模型。

        既往研究針對(duì)CRTSⅢ型無(wú)砟軌道內(nèi)部溫度場(chǎng)特性的內(nèi)容相對(duì)較少。根據(jù)現(xiàn)有的維修檢查結(jié)果[9],溫度應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)開(kāi)裂,溫度變形會(huì)導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)各層之間形成離縫。我國(guó)幅員遼闊,不同地區(qū)氣候差異大,因此研究不同地區(qū)CRTSⅢ型無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)具有重要意義。

        本文在昌贛客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)線(xiàn)外預(yù)制場(chǎng)地布設(shè)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),研究CRTSⅢ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)溫度分布規(guī)律。

        1 溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

        圖2 CRTSⅢ型無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

        為了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)軌道板溫度場(chǎng),在昌贛客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)泰和段線(xiàn)外制作CRTSⅢ型無(wú)砟軌道1∶1 足尺模型并安裝溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),見(jiàn)圖2。模型中CRTSⅢ型預(yù)制軌道板(簡(jiǎn)稱(chēng)軌道板)尺寸為5 600 mm×2 500 mm ×200 mm,自密實(shí)混凝土現(xiàn)澆層為5 600 mm×2 500 mm×90 mm,底座板為5 600 mm×2 900 mm×200 mm。整個(gè)結(jié)構(gòu)呈南北走向。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2018 年10 月開(kāi)始,監(jiān)測(cè)頻率為30 min/次。

        由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的CRTSⅢ型無(wú)砟軌道為單元板,考慮日照位置對(duì)板端、板角、板中和板側(cè)溫度的影響,在各部位均布置溫度測(cè)點(diǎn),共7個(gè),如圖3(a)所示。無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在豎向的溫度分布是非線(xiàn)性的,在底座板內(nèi)分布比較均勻,溫度變化較?。?0]??紤]層間可能出現(xiàn)溫度變化,在每個(gè)測(cè)點(diǎn)豎向布置6個(gè)溫度傳感器,分別位于軌道板的頂面、中部、底面,自密實(shí)混凝土層的頂面、底面,底座板中部,如圖3(b)所示。

        圖3 CRTSⅢ型無(wú)砟軌道模型溫度傳感器布置(單位:mm)

        2 軌道結(jié)構(gòu)晴天溫度規(guī)律

        2.1 溫度日變化規(guī)律

        選取2019 年1 月的典型數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度日變化規(guī)律分析。由于軌道結(jié)構(gòu)受大氣溫度、太陽(yáng)輻射、空氣對(duì)流換熱等影響,同時(shí)考慮四周測(cè)點(diǎn)受日照位置影響較大,因此選取位于軌道結(jié)構(gòu)中間的5#測(cè)點(diǎn)在晴天(22,23,26,27,28 日)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其溫度日變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

        由圖4可知:①軌道板、自密實(shí)混凝土層和底座板的溫度變化規(guī)律基本一致,均以日為單位周期性變化。②受日照影響,白天軌道板頂面溫度高于底面溫度,為正溫度梯度;夜間由于軌道板表面散熱快而內(nèi)部降溫慢,呈負(fù)溫度梯度。③軌道板頂面和底面的最高溫度分別出現(xiàn)在15:00和17:00,自密實(shí)混凝土層和底座板的溫度在夜間陸續(xù)達(dá)到峰值,表明受混凝土導(dǎo)熱性的影響,軌道結(jié)構(gòu)的溫度變化沿豎向有明顯的滯后性。④對(duì)比各層結(jié)構(gòu)的日溫度變化幅度,軌道板頂面最大溫差為6.1℃(1月28日),同日自密實(shí)混凝土層最大溫差僅2.9℃。自軌道板表面沿豎向向下,溫度變化幅度逐漸減小。

        圖4 軌道結(jié)構(gòu)晴天溫度日變化曲線(xiàn)

        2.2 溫度豎向分布規(guī)律

        為研究無(wú)砟軌道溫度豎向分布規(guī)律,選取5#測(cè)點(diǎn)在日溫差最大的1 月28 日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其不同時(shí)刻溫度豎向分布見(jiàn)圖5。

        圖5 1月28日5#測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻溫度豎向分布

        由圖5 可知:①軌道結(jié)構(gòu)溫度沿豎向呈非線(xiàn)性變化,隨著深度增加,溫度變化斜率逐漸減小。②各結(jié)構(gòu)層接觸位置溫度梯度有所突變,可近似按分段線(xiàn)性考慮軌道結(jié)構(gòu)溫度梯度變化。③在全天各時(shí)刻,軌道板和自密實(shí)混凝土層的溫度梯度變化較大,其中00:00,08:00,20:00,24:00 的軌道結(jié)構(gòu)溫度為負(fù)溫度梯度,12:00,15:00,17:00 為正溫度梯度。最大正、負(fù)溫度梯度分別出現(xiàn)在15:00和08:00,與軌道板頂面最高、最低溫度出現(xiàn)時(shí)間基本一致。而底座板溫度梯度幾乎不變,全天呈正溫度梯度狀態(tài),表明底座板內(nèi)溫度分布受外界環(huán)境影響較小。

        2.3 溫度橫向分布規(guī)律

        無(wú)砟軌道與太陽(yáng)相對(duì)位置不斷變化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)邊在一天內(nèi)可能處于陰面或陽(yáng)面,影響橫向溫度變化。為研究軌道結(jié)構(gòu)橫向溫度分布規(guī)律,選取4#—6#測(cè)點(diǎn)在1 月28 日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其不同時(shí)刻軌道板頂面溫度橫向分布見(jiàn)圖6,15:00時(shí)不同軌道結(jié)構(gòu)層溫度橫向分布見(jiàn)圖7。

        圖6 不同時(shí)刻軌道板頂面溫度橫向分布

        圖7 15:00時(shí)不同軌道結(jié)構(gòu)層溫度橫向分布

        從圖6 可知,①4#和6#測(cè)點(diǎn)(軌道板左右兩端)溫度高于5#測(cè)點(diǎn)(軌道板中間)溫度,橫向溫度呈現(xiàn)兩邊大中間小的規(guī)律。這是由于軌道板在白天受太陽(yáng)輻射影響的較大,頂面和側(cè)面均與外界進(jìn)行熱交換,導(dǎo)致側(cè)邊溫度變化比中間位置劇烈。②軌道結(jié)構(gòu)溫度沿橫向呈非對(duì)稱(chēng)分布。上午4#測(cè)點(diǎn)溫度高于6#測(cè)點(diǎn),而下午4#測(cè)點(diǎn)溫度低于6#測(cè)點(diǎn),2 測(cè)點(diǎn)最大溫差為0.5 ℃。這是由于軌道結(jié)構(gòu)表面吸收太陽(yáng)輻射熱量受太陽(yáng)與軌道結(jié)構(gòu)相對(duì)位置影響較大,上午東端的4#測(cè)點(diǎn)位于陽(yáng)面,西端的6#測(cè)點(diǎn)位于陰面,下午則恰恰相反。

        從圖7 可知,各結(jié)構(gòu)層的測(cè)點(diǎn)橫向溫差隨深度增加而逐漸減少,其中軌道板頂面橫向溫差最大,為0.7 ℃。

        雖然冬季軌道結(jié)構(gòu)溫度變化不明顯,但從總體規(guī)律可以看出CRTSⅢ型軌道豎向溫度梯度大于橫向溫度梯度,對(duì)結(jié)構(gòu)溫度影響起主導(dǎo)作用。

        3 不同天氣下溫度規(guī)律

        太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是影響無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化的主要因素[11]。無(wú)云晴天的太陽(yáng)輻射最強(qiáng),而陰雨天太陽(yáng)輻射較弱,內(nèi)部溫度變化小。選取2019 年1 月1 日(雨天)、1 月17 日(陰天)、1 月28 日(晴天)下午15:00 時(shí)5#測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù),分析不同天氣下溫度變化規(guī)律,見(jiàn)圖8。

        圖8 不同天氣下軌道結(jié)構(gòu)豎向溫度分布曲線(xiàn)

        從圖8可知,晴天軌道結(jié)構(gòu)豎向溫度梯度較大,最大溫差9.9 ℃;陰雨天溫度隨深度變化不明顯,甚至出現(xiàn)軌道板頂面溫度低于底座板溫度的情況。這是由于陰雨天太陽(yáng)輻射較弱,外界氣溫成為影響軌道結(jié)構(gòu)溫度梯度的主要因素,而陰雨天時(shí)氣溫低于軌道結(jié)構(gòu)底部的溫度,出現(xiàn)負(fù)溫度梯度。

        4 豎向溫度梯度預(yù)估模型

        通常情況下溫度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)周期為1~2 年,采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理得到的最大溫度梯度值適用性有限,僅可用于研究區(qū)域的溫度效應(yīng)分析,無(wú)法適用于氣候條件不同的地區(qū),因此根據(jù)實(shí)測(cè)無(wú)砟軌道溫度數(shù)據(jù)并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)建立豎向溫度梯度預(yù)估模型更具有實(shí)用性。

        考慮日氣溫差和太陽(yáng)輻射總量影響,謝國(guó)忠等[12]建立了溫度梯度二元回歸模型并用于水泥混凝土路面溫度梯度預(yù)測(cè)。而賀曉東[13]認(rèn)為綜合考慮太陽(yáng)輻射總量和日氣溫差2個(gè)因素的二元公式得到的最大溫度梯度結(jié)果很不穩(wěn)定,且日氣溫差受太陽(yáng)輻射影響較大。劉偉斌[7]采用日最高氣溫和太陽(yáng)輻射總量推測(cè)了復(fù)合板日最大溫度梯度,但日最大溫度梯度與日最高氣溫的決定系數(shù)只有0.56。因此,本文僅考慮日輻射總量因素的影響,建立日最大溫度梯度預(yù)估模型。

        根據(jù)當(dāng)?shù)厝仗?yáng)輻射總量的氣象資料,計(jì)算冬季(2018年11月~2019年1月)每天的最大溫度梯度值并降序排列,進(jìn)行一元回歸分析。由于軌道板與自密實(shí)混凝土層結(jié)合成復(fù)合板,在其范圍內(nèi)豎向溫度受外界環(huán)境影響較大,故選取復(fù)合板溫度梯度進(jìn)行回歸分析。其冬季日最大正溫度梯度ΔT為

        式中:Q為日輻射總量;R2為決定系數(shù)。

        5 結(jié)論

        本文在昌贛客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)線(xiàn)外建立了CRTSⅢ型無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)尺模型,分析冬季無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)溫度分布規(guī)律并提出了豎向溫度梯度預(yù)估模型。結(jié)論如下:

        1)軌道結(jié)構(gòu)日溫度隨氣溫周期性變化,最大正溫差出現(xiàn)在15:00,最小負(fù)溫差出現(xiàn)在8:00;由于混凝土導(dǎo)熱性能差,軌道結(jié)構(gòu)的溫度變化沿豎向有明顯的滯后性。

        2)軌道結(jié)構(gòu)溫度沿豎向呈非線(xiàn)性變化,隨著深度增加,溫度變化斜率逐漸減小;軌道結(jié)構(gòu)橫向溫度分布受太陽(yáng)與軌道結(jié)構(gòu)相對(duì)位置影響較大,呈現(xiàn)兩邊大中間小的規(guī)律;軌道結(jié)構(gòu)豎向溫度梯度大于橫向溫度梯度,對(duì)結(jié)構(gòu)溫度影響起主導(dǎo)作用。

        3)軌道結(jié)構(gòu)在晴天溫度梯度較大,陰雨天較小,受外界氣溫影響甚至出現(xiàn)負(fù)溫度梯度。

        4)對(duì)CRTSⅢ型無(wú)砟軌道復(fù)合板結(jié)構(gòu)溫度梯度與日輻射總量進(jìn)行一元回歸分析,建立冬季豎向溫度梯度預(yù)估模型,為進(jìn)一步研究不同氣候條件下CRTSⅢ型無(wú)砟軌道的溫度梯度提供了參考。

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