太阳辐射对CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板表面温度影响的试验研究



太阳辐射对CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板表面温度影响的试验研究

万章博1，杨荣山1，任勃1，王晨2，赵坪锐1

(1.西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；

2.江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

摘要:无砟轨道是由钢筋混凝土材料构成的复合结构，受日照和气温影响很大。通过试验测得成都地区试验场地的气温、太阳辐射强度以及CRTS I型双块式无砟轨道道床板表面的温度，分析道床板表面温度随太阳辐射强度的变化关系，研究道床板表面放热系数的取值；分析太阳辐射强度对道床板表面温度的影响，建立道床板表面温度极值与气温极值、太阳辐射所引起的温度增量极值以及其他环境因素所引起的温度变化值之间的关系，并给出相应计算参数的建议值，为无砟轨道道床板内部温度场分布及无砟轨道温度应力研究提供试验基础。

关键词：太阳辐射；双块式无砟轨道；道床板；气温；表面温度

随着我国高速铁路的快速发展，无砟轨道得到广泛应用。与传统有砟轨道相比，无砟轨道利用整体性更好的混凝土或沥青材料代替散体道砟，具有更好的保持持久高精度几何形位的能力。目前，我国高速铁路上采用的无砟轨道大都采用混凝土制作，包括CRTS I，II和III型板式轨道与CRTS I和II型双块式轨道[1-2]。无砟轨道是由钢筋混凝土材料构成的复合结构物，受温度的影响较大。无砟轨道在其寿命周期范围内，除需要承受反复的列车荷载作用外，还承受温度的交替变化作用。设计时一般将无砟轨道温度分为温度升降和温度梯度2种温度荷载，分别计算伸缩应力和翘曲应力[3]。无砟轨道设计中必须考虑温度的影响，某些情况下还成为设计的控制性因素[4]。混凝土结构的温度受日照和气温影响很大，日照升温所引起的温度应力是引起混凝土裂缝的原因之一，朱伯芳等[5-6]对水工混凝土的由日照所引起的温度问题进行了大量研究，得出了许多有价值的结论。Sungchul等[7-8]研究了混凝土路面的路表放热系数及其影响因素，分析了太阳辐射的影响因素及材料的太阳辐射吸收率。Kyle等[9-11]分析了太阳辐射及日照温度效应对混凝土桥梁结构、桥墩的影响以及温度荷载下大跨度桥梁与无砟道岔的相互作用。无砟轨道结构虽然是混凝土结构，但与大坝、公路路面、桥梁等受太阳辐射的外部条件有明显区别，不能照搬其他领域的研究成果。混凝土轨道板(或道床板)作为无砟轨道的最上层结构，直接受日照和气温的影响，为明确太阳辐射强度对无砟轨道结构表面温度的影响，本文通过对成都地区CRTS I双块式无砟轨道试验场地内道床板表面温度，太阳辐射强度以及气温的测量，建立了太阳辐射强度，气温以及道床板表面温度之间的对应关系，为无砟轨道温度场的研究提供试验基础。

1试验方案及测点布置

无砟轨道结构温度变化受太阳辐射和混凝土表面散热条件的影响很大，道床板处于轨道结构的最上层，也是对太阳辐射最敏感的结构，本文选取CRTS I型双块式无砟轨道道床板作为试验对象。在成都地区试验场地现场浇筑了1∶1的实体模型，模型中道床板的尺寸为5 500 mm×2 800 mm×250 mm；支承层尺寸为5 500 mm×3 400 mm×300 mm，分别在道床板板面沿线路纵向和横向布设10个测点，并在相应测点处布设了温度传感器，同时道床板内1～7号测点沿垂向方向均布设了3个温度传感器。其中测点6和7位于道床板板中处，测点3，4，8和10位于板角处，测点1，2，5和9位于板边处。温度传感器采用稳定性较好的Pt100热电阻传感器，测量精度为0.1 ℃，采用自动采集仪进行温度采集，数据采样频率为30 min，测试数据估读1位，取2位小数。为记录试验场地的气象条件(本文主要记录气温及太阳辐射强度)，在试验模型左边安置了PH自动气象站。试验测点具体布置及现场试验模型如图1～3所示。

图1　道床板表面温度测点布置Fig.1 Layout of temperature testing points on the surface of deck slab

图2　道床板板内温度测点布置Fig.2 Layout of temperature testing points inside of the deck slab

图3　现场试验模型Fig.3 On-site testing model

2道床板温度随太阳辐射强度的变化曲线

选取冬季(2014-01)实测的试验数据进行分析，得到如图4所示的道床板表面温度随太阳辐射强度变化的曲线。其中前者是道床板典型位置(板中、板边、板角)处表面温度随太阳辐射强度变化曲线，后者是取前者中部分天数的温度及辐射强度变化详细图。由图4可知，道床板表面温度，大气温度及太阳辐射强度呈现出以日为单位的周期性变化，整体上道床板表面的温度比大气温度高，大气温度最大值较太阳辐射强度最大值滞后约0.5 h，道床板表面温度最大值较气温最大值滞后约0.5 h。对于道床板而言，由于板角、板边、板中的边界条件不同，板角与外部环境有3个接触面、板边2个接触面、板中1个接触面，因此其与大气温度之间的热交换强度也不同，从而典型位置处的温度也不同，其中板角处的温度最大，板边次之，板中最小，板角处温度的变化相对板边、板中大。由于测试时间为冬季(2014-01)，太阳辐射强度均在350 w/m2以内，且成都地区冬季温度变化相对较缓慢，大气温度及道床板表面的温度变化幅度较小。

图4　道床板表面温度随太阳辐射强度变化曲线Fig.4 Changing curves of the surface temperature of deck slab with the change of solar radiation intensity

3道床板表面放热系数的确定

无砟轨道是自然条件下的带状混凝土结构，长期暴露于阳光之下，太阳辐射对轨道结构的温度影响很大。由文献[5]知，当混凝土与空气接触时，经过混凝土表面的热量为

(1)

假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度T和气温Tα之差成正比，即有

(2)

式中:β为表面放热系数,kJ/(m2·h·℃)。

太阳辐射到混凝土表面的热量有2部分，一部分被混凝土吸收，另一部分被混凝土表面反射。单位时间内单位面积上，设太阳辐射总热量为S，其中设被混凝土吸收的部分为R，剩余被反射的部分为S-R。于是考虑从日照后条件后的公式(2)为

(3)

即

(4)

比较式(3)～(4)可知，日照相当于周围空气的温度增高了

ΔT=R/β

(5)

式中：β的数值与风速有密切的关系，对于粗糙表面和光滑表面其数值也不一样，显然β取值的确定非常重要。根据文献[5]可知，可采用2种反算的方法来求取混凝土表面放热系数β，即线性插值法和二次插值法，二次插值法的计算精度优于线性插值法，但是其需要在混凝土表面附近有3支温度传感器，本试验道床板内虽设有3支温度传感器，但是第3支传感器位于道床板表面以下200 mm处，道床板总厚度为250 mm，不满足相应的条件，因此采用线性插值法来反算道床板表面放热系数。

线性插值法公式如下：

(6)

式中：β为混凝土表面放热系数即道床板表面的放热系数；λ为混凝土的导热系数，根据文献[5]，本文取λ=10 kJ/(m·h·℃)；Ta0为环境的气温；Ta和Tb分别为道床板表面附近的温度，a和b为距离。选择1～7号测点进行计算，根据实测数据，按照公式(6)进行分析，经计算及统计分析可知，线性插值计算的结果有一定的离散性，计算结果大都分布于10～250 kJ/(m2·h·℃)，分布于此区间的概率高达78.53%，因此舍去小部分(约21.47%)离散性较大的数据，对剩余数据进行统计分析，得到如表1所示的统计结果。由表1可知，道床板表面放热系数的取值大都分布于10～250 kJ/(m2·h·℃)，各测点平均值为76.28 kJ/(m2·h·℃)。文献[5]中指出，当混凝土与空气接触时，放热系数β=40～80 kJ/(m2·h·℃)，显然所求取的β满足取值条件，即本文道床板表面放热系数取β=76.28 kJ/(m2·h·℃)。本文选取的测试时间为冬季(2014-01)，其中部分月份的数据由于采集仪器出现故障未采集，但是并不影响对道床板表面放热系数β的分析研究。

4太阳辐射强度对道床板表面温度的影响

大气温度相当于给了道床板一个设定的温度环境，在道床板(混凝土结构)自身的导热性能、太阳辐射及其他环境因素影响的共同作用下形成了道床板的温度。由式(5)可知，日照即太阳辐射相当于使道床板周围空气温度增高了ΔT=R/β℃，其中R=αs·S，S为总太阳辐射强度，αs为混凝土表面对太阳辐强度的吸收系数，即黑度系数，其与物体表面的光滑程度、色泽等有关。文献[12]中指出，对于采用复木复合板作为模板的清水混凝土，建议混凝土表面吸收系数取0.5左右，试验场地的道床板经过了打磨处理，本文取道床板的吸收系数αs=0.48。

将太阳辐射所引起的温度增值与试验所测得的大气温度值相加，研究考虑太阳辐射条件下无砟轨道道床板表面温度的变化情况。实际的CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构中，道床板是纵连的，支承层在一定范围内是分离的，更引起关注的是纵连道床板板中的温度变化情况，因此取1，2，6和7号测点进行分析，其中1和2号测点为沿线路纵向板边中点，6和7号测点作为线路中心线的中点，即板面中心点。将太阳辐射所引起的温度与大气温度相加，同时分别取1和2号测点，6和7号测点温度的平均值作为道床板表面板边中点的温度及表面中心点的温度，通过对实测数据的分析，可得如图5所示的考虑太阳辐射条件下道床板表面温度与大气温度之间的变化关系。由图5可知，考虑太阳辐射后，气温加上太阳辐射所引起的温度增值与道床板表面板中及板边中点的温度均相差不多，相比之下，道床板表面的温度略大。

为进一步分析太阳辐射强度对道床板表面温度的影响，分析道床板表面温度、大气温度、太阳辐射所引起的温度增值之间的关系，取上述指标的极值进行对比分析。当道床板取温度极小值时，太阳辐射强度为0，因此本文不考虑太阳辐射对道床板表面温度极小值的影响。

由图5可知，考虑太阳辐射强度后，道床板表面板边中点的温度和表面中心点处的温度相差不大，因此本文取1，2，6和7号测点温度极大值的平均值作为道床板表面的温度极值。分别取每一天的道床板表面温度极大值、气温极大值、太阳辐射所引起温度增量的极大值进行对比分析，得到如图6、图7所示的分析结果。由图6可知，成都地区冬季条件下，道床板表面温度极大值、气温极大值加辐射增量极大值以及太阳辐射强度极大值呈现出一定的周期性变化；整体上道床板表面温极大值度较气温极大值加辐射增量极大值大，两者之间的最大差值可达4.89 ℃。

(a)道床板表面板边中点温度与气温的变化关系；(b)道床板表面中心点温度与气温的变化关系图5　考虑太阳辐射道床板表面中心点温度与气温的变化曲线Fig.5 Changing curves of surface temperature of deck slab and air temperature in consideration of the solar radiation intensity

图7是道床板表面板中温度极大值与气温极大值加太阳辐射所引起的增量极大值以及两者差值的关系，数据有一定的离散性，从太阳辐射强度较强(R≥250 w/m2)、较弱(R <250 w/m2)2个方面进行分析。当太阳辐射强度较强时，辐射所引起的温度增值较大；当太阳辐射强度较弱时，辐射引起的温度增值较小。由图7可就冬季条件下太阳辐射强度强、弱情况，提出如下道床板温度计算关系式：

当太阳辐射强度较强(R≥250 w/m2)，道床板温度极大值可按下式计算：

T道床板=T气温+T辐射+ΔT强

(7)

图6　道床板表面温度极大值与气温极大值加太阳辐射增量极大值之间的关系Fig.6 Relationship between the maximum temperature of deck slab and the maximum temperature of air in addition to the increment caused by solar radiation

图7　道床板表面温度极大值与气温极大值加太阳辐射增量极大值差值之间的关系Fig.7 Relationship of temperature differences between the maximum temperature of deck slab and the maximum temperature of air in addition to the increment caused by solar radiation

当太阳辐射强度较弱(R <250 w/m2)，道床板温度极大值可按下式计算：

T道床板=T气温+T辐射+ΔT弱

(8)

式(1)～(2)中，T道床板，T气温和T辐射分别为道床板温度极大值、气温极大值以及太阳辐射所引起的温度增量极大值，ΔT强、弱为环境因素及混凝土自身与外界环境之间的热变换所引起的温度值。冬季条件下，当太阳辐射强度较强(R≥250 w/m2)时，建议取ΔT强=4.15 ℃，当太阳辐射强度较弱(R<250 w/m2)时，建议取ΔT弱=1.52 ℃。式(7)～(8)是依据成都地区冬季条件下现场试验实测值提出的，由于试验条件限制，试验仅进行了1个月的测试，对于其他地区而言，由于太阳辐射量的不同，区域气象条件不同，运用上述公式时应进行修正。

5结论

1)道床板表面温度、气温以及太阳辐射强度均呈现出以日为单位的周期性变化，大气温度最大值较太阳辐射强度最大值滞后约0.5 h，道床板表面温度较气温滞后约0.5 h，由于边界条件不同，板角、板边、板中与周边环境的热交换也不同，板角温度变化最大，板边次之，板中最小，相对最稳定；

2)道床板表面放热系数有一定的离散性，大部分都分布于10～250 kJ/(m2·h·℃)，经统计分析，本文道床板表面放热系数取β=76.28 kJ/(m2·h·℃)，考虑太阳辐射后，道床板表面温度极大值较气温极大值加太阳辐射所引起温度增量的极大值大，两者之间最大差值可达4.89 ℃；

3)冬季条件下，不同太阳辐射强度下道床板温度的极大值(T道床板)可由气温极大值(T气温)、太阳辐射所引起的温度增量值(T辐射)以及其他环境因素和混凝土自身与环境之间热交换所引起的温度变化值(ΔT强、弱)进行表示，本文给出了相应的计算公式及ΔT强、弱的建议值。

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Experimental study on the impact of solar radiation intensity on the surface

temperature of deck slab for CRTS I twin-block ballastless track

WAN Zhangbo1, YANG Rongshan1, REN Bo1, WANG Chen2, ZHAO Pingrui1

(1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：Ballastless track is a composite structure constituted by reinforced concrete material, which is greatly influenced by the sunshine and air temperature. Based on the in-site experiments in winter, the in-site air temperature, solar radiation intensity and the surface temperature of deck slab of CRTS I twin-block ballastless track were acquired in Chengdu, based on the analyses of in-site data, to obtain the relationship of the surface temperature of deck slab changing with the solar radiation intensity and the value of heat transfer coefficients of deck slab, initially establish the correlation among the maximum surface temperature of deck slab, the air temperature, the increment caused by solar radiation intensity and the changing temperature caused by other environment influencing factors. Also, the suggested values of relative parameters were given, which provides an experimental basis for the study of distribution of internal temperature field of deck slab and the temperature stress of ballastless track.

Key words：solar radiation intensity; twin-block ballastless track; deck slab; air temperature; surface temperature

中图分类号：U213.2

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)01-0001-06

通讯作者：杨荣山(1975-)，男，河北容城人，副教授，博士，从事轨道结构与轨道动力学的研究；E-mail:yrs123@sohu.com

基金项目：国家重点基础研究发展现划(“973”计划)项目(2013CB036202)；国家自然科学基金资助项目(51278431，51008258)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU12CX065)

*收稿日期：2014-08-20