桥隧过渡段铁路Ⅰ型无砟轨道纵向温度场的试验研究*

戴公连 岳喆 苏海霆† 朱俊樸

(1.中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410075； 2.高速铁路建造技术国家工程实验室, 湖南 长沙 410075)

桥隧过渡段铁路Ⅰ型无砟轨道纵向温度场的试验研究*

戴公连1,2岳喆1苏海霆1†朱俊樸1

(1.中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410075； 2.高速铁路建造技术国家工程实验室, 湖南 长沙 410075)

通过对我国中部山区复杂地形地质条件下高速铁路桥隧过渡段无砟轨道钢轨和道床板纵向温度分布的连续观测,得到桥隧过渡段钢轨和道床板的纵向温度分布规律,并提出适用于春季的桥隧过渡段钢轨和道床板纵向温度梯度荷载模式.结果表明:从隧道外到隧道内,钢轨温度变化幅值不断减小,隧道内75 m处的钢轨温度峰值出现时刻比隧道外22 m处的滞后4 h;钢轨纵向温度随隧道径深增加变化最大的位置位于0～8 m区间,隧道深75 m以后,钢轨的温度变化幅度明显变小,基本稳定在0.2 ℃;道床板纵向温度随隧道径深增加变化最大的位置位于0～8 m区间,隧道深25 m以后,道床板的温度变化幅度明显变小,基本稳定在1.7 ℃;一天中钢轨和道床板温度沿纵向变化幅度最大的时刻出现在14:00～16:00;纵向温度梯度模式可分为钢轨和道床板两类,钢轨和道床板纵向温度梯度均可采用分段函数进行拟合.

桥隧过渡段;轨道结构;温度场;中部山区;试验研究

无缝线路是将标准长度的钢轨连续焊接而成的长钢轨线路.当轨温发生变化时,钢轨发生热胀冷缩,由于构件的约束作用,在钢轨内部会产生温度力.高铁中的隧道大多地处山区,其进、出口段钢轨使用情况受当地的自然因素(昼夜温差大、山体围岩的遮挡效应等)影响很大,因此隧道进、出口段无砟轨道温度场变化复杂.因隧道内外所受太阳辐射的差异，以及混凝土传热系数、隧道内外空气、隧道内外风速差异等的影响[1- 2],春季隧道内外的钢轨和道床板温度会出现“洞外高洞内低”的分布形式.

目前国内已经开展了一系列隧道温度场的研究.20世纪80年代,文沛溪[3]发现一般距隧道口30～50 m范围内的轨温变化比较剧烈.陈建勋等[4]对隧道的温度进行了一年半的测试,认为隧道内纵向气温随着进入隧道距离的增大呈指数函数曲线变化.近年来有非常多的研究人员对隧道温度场进行了观测和研究[5- 17],但他们的研究对象多局限于高海拔或严寒地区的公路或普通铁路隧道温度场.事实上,南北地区气候差异使得全国各地的隧道温度场分布规律并不相同.此外,对于中部山区高速铁路桥隧过渡段无砟轨道无缝线路的纵向温度场分布情况尚不明确.

在设计施工中选择合适的钢轨和道床板纵向温度梯度荷载模式对于保证无缝线路结构的强度和稳定性具有重要意义.文中依托福建省南平市合福高铁某隧道,在桥隧过渡段无缝线路上布置了温度测点,针对外界条件对高铁桥隧过渡段无砟轨道结构的影响,对其温度场的分布特征开展研究,以期为高铁桥隧过渡段无砟轨道的结构设计提供依据.

1 桥隧过渡段Ⅰ型无砟轨道温度场试验系统

测试工点选取福建省南平市合福高铁某隧道,该隧道位于东经117°、北纬26°30′,亚热带季风湿润气候.测点布置采用插值拟合布置准则,即通过插值或者拟合测量点的测量结果计算未测量点的温度，且测点的布置使插值或拟合的误差最小,最终确定钢轨采用12个温度测点,道床板采用10个温度测点.其中、、号测点用来分析不同封装条件对温度变化的影响.具体的温度测点和布置如图1所示.为方便分析,将桥隧过渡段沿隧道径深方向划分为10个断面(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ),见图1.

图1 温度传感器纵向布置示意图Fig.1 Vertical arrangement diagram of temperature sensor

测试元件使用北京基康BGK-3700B型温度计,测量范围为-30～70 ℃,精度为±0.1 ℃.将其粘贴在钢轨表面或埋设在道床板内,可保证其量测到钢轨和道床板的真实温度.将温度计连接到测量数据采集仪中,采用移动网络将数据无线传输至Internet远程服务器,远端监控主机通过访问Internet远程服务器下载存储在数据采集仪中的数据,现场测试系统由太阳能供电系统供电.桥隧过渡段钢轨和道床板温度场的测试时间为2015年3月1日至2015年4月16日,采样频率为0.5 h,共测得2 256组数据.

2 桥隧过渡段钢轨温度场分布规律

2.1 不同封装条件下的温度变化规律

选取3月8日(雨,18～12 ℃)和3月16日(雨,25～18 ℃)这两日的实测数据,对比第、、号测点的温度变化规律.其中,号测点为发泡剂封装,号测点为704封装,号测点为裸露,其温度变化如图2所示.将不同日期一天中的、、号测点的温度变化中的温差最值和其出现的时间进行对比,结果见表1.

图2 、、号测点的两日温度变化图

Fig.2 Two-day temperature change charts of measuring points,and

表1、、号测点的温差最值

Table 1 Extreme values of temperature difference of measuring points,and

日期天气温度/℃测点温度最值出现时刻测点温度最值差值/℃测点温度平均差值/℃3月8日雨18～1215:001.40.303月16日雨25～1815:000.90.503月9日阴21～1015:300.60.503月13日阴23～1114:300.70.44

由图2和表1可知:3个测点的温度变化趋势大致相同,其中用发泡剂封装的测点的温度与其他两个测点的温度有较为明显的差别.随着环境温度的升高,用704封装和裸露的测点的温度上升速度明显高于用发泡剂封装的测点,最大温差出现在一天中的下午时分,即环境温度最高的时间段(12:30～15:30),出现最高温度的时间段的最大温差在1.2 ℃左右.随着环境温度的降低,用704封装和裸露的测点的温度下降速度较用发泡剂封装的测点快.由此可以得出结论:发泡剂具有良好的隔热保温作用.

2.2 钢轨和道床板的整体温度变化规律

为研究3月份钢轨和道床板的温度整体变化规律,选取相应的实测数据进行分析,相应的温度变化曲线如图3所示.由图3可知:3月份钢轨和道床板的整体温度变化趋势基本一致；由于受环境低气温影响,在3月2日至3月8日期间,钢轨和道床板的温度变化幅度较小,在3 ℃左右；随着环境气温的升高,钢轨和道床板的温度变化幅度逐渐增大,钢轨最大温差达20.8 ℃(3月9日15:30).

图3 3月份钢轨道床板整体温度变化曲线Fig.3 Changing curves of steel track bed body’s temperature in March

2.3 桥隧过渡段钢轨温度场日变化规律

为研究钢轨温度随着进入隧道距离的增大的日变化规律,选取3月1日(多云,15～8 ℃)、3月7日(雨,14～10 ℃)这两日的观测数据,沿隧道径深方向选取第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ共10个断面,其中部分关键断面的温度变化规律如图4所示.由图4可知:从隧道外22 m(-22 m)到进入隧道内15 m这一段的测点出现峰值的时间大致相同,都集中在13:30,到隧道深75 m时,测点出现峰值的时刻在17:00左右；随着进入隧道距离的增大,钢轨各测点的温度峰值存在明显滞后,隧道内75 m处比隧道外22 m处钢轨温度出现峰值时刻滞后4 h,并且距离隧道口越近的钢轨断面的温度日变化幅度越大,距离越远,温度日变化幅度越小.

图4 钢轨各断面测点两日温度变化规律

Fig.4 Two-day temperature variation of the measuring points of each section of the rail

2.4 桥隧过渡段钢轨纵向温度场变化规律

分析桥隧过渡段钢轨纵向温度场变化规律,以隧道口的第①号测点为原点画出温度随距离变化的曲线.分析数据选取第①-号测点的数据.选取3月16日(雨,25～18 ℃)和4月4日(晴,36～23 ℃)的温度数据进行分析,得出桥隧过渡段钢轨温度纵向变化曲线,如图5所示.选取典型天气的温度数据进行分析,结果见表2.由图5和表2可知:钢轨的温度变化曲线和天气有一定的关系,可以明显看出隧道外22 m到隧道内75 m范围内,钢轨的温度随隧道纵向径深的增加变化明显,进隧道75 m后,温度趋于恒定.钢轨的纵向温度随着隧道径深增加变化明显，变化幅度最大的位置位于0～8 m区间,温度的变化幅度随天气而异，雨天为14 ℃左右，阴天为20 ℃左右，晴天为23 ℃左右.隧道深75 m以后,钢轨的温度变化幅度明显变小,基本稳定在0.2 ℃.一天中钢轨温度沿纵向变化幅度最大的时刻出现在14:00～16:00.

图5 桥隧过渡段钢轨纵向温度变化规律

Fig.5 Longitudinal temperature variation of the rail in the transition section of tunnel and bridge

表2 典型天气钢轨各区段温度变化幅值

Table 2 Extreme values of temperature change amplitude of rail in typical weather

日期天气大气温度/℃温度变化幅值/℃-22～0m0～8m8～75m75～125m出现时刻3月9日多云21～10-1.518.91.90.615:303月13日多云23～11-0.617.72.4-0.314:303月8日雨18～120.88.33.4-0.214:303月16日雨25～180.813.43.4-0.215:004月4日晴36～230.118.37.5-0.115:304月13日晴20～70.316.83.60.016:00

2.5 桥隧过渡段钢轨纵向温度荷载模式

分析文中监测到的数据,得到雨天、多云天气和晴天的最大温度梯度分布曲线.正温度梯度是指随着进入隧道的径深增加温度整体呈降低趋势的变化梯度,最大的正温度梯度分布如图6所示.

图6 钢轨纵向最大温度梯度分布拟合曲线

Fig.6 Fitting curves of the longitudinal maximum temperature gradient distribution of rail

桥隧过渡段钢轨雨天纵向最大正温差出现在3月16日15:00,最大正温度梯度为0.224 ℃/m；阴天纵向最大正温差出现在3月9日15:30,最大正温度梯度为0.277 ℃/m；晴天纵向最大正温差出现在4月4日15:30,最大正温度梯度为0.344 ℃/m.当天天气晴朗,气温23～36 ℃(当地气象局发布),云量较少,隧道外接收到的太阳辐射强烈,隧道外的钢轨温度在太阳辐射作用下上升较快,隧道内的钢轨温度上升较慢,因此出现正温差,在下午时刻,随着隧道径深的增加,钢轨的温度呈下降趋势.通过分析和比较钢轨不同天气纵向最大温度梯度分布规律,考虑最不利情况,即纵向温度变化幅度最大的情况,将晴天的钢轨纵向最大温度梯度分布进行曲线分段拟合,得到春季桥隧过渡段钢轨纵向温差荷载模式,如图6所示.隧道钢轨纵向最大温度梯度曲线为T1=41.65, -22～0 m

(1)

T2=6.323×10-5e1.34x+41.87e-0.092 06x, 0～8 m

(2)

T3=21.17e-0.340 4x+23.39e-0.004 987x, 8～75 m

(3)

T4=15.45, 75～125 m

(4)

式中,T1、T2、T3、T4分别为各区段拟合温度(单位：℃)分布，x为距离隧道口的距离(单位：m).拟合结果中，式(1)、(3)和(4)的相关系数的平方均为1.000 0,式(2)的相关系数的平方为0.983 8,说明拟合结果较为可靠.

3 桥隧过渡段道床板温度场分布规律

3.1 桥隧过渡段道床板纵向温度场变化规律

图7 桥隧过渡段道床板纵向温度变化规律

Fig.7 Longitudinal temperature variation of the slab in the transition section of tunnel and bridge

表3 典型天气道床板各区段温度变化幅值

Table 3 Extreme values of temperature change amplitude of track slab in typical weather

日期天气大气温度/℃温度变化幅值/℃-22～0m0～8m8～25m出现时刻3月8日雨18～12-0.65.62.414:003月15日雨21～15-0.21.21.110:003月9日多云21～10-3.412.30.812:003月13日多云23～11-2.315.31.114:004月4日晴36～230.114.82.916:004月13日晴20～70.912.71.916:00

3.2 桥隧过渡段道床板纵向温度荷载模式

分析文中监测到的数据,得到雨天、多云天气和晴天的最大温度梯度分布曲线.最大的正温度梯度分布如图8所示.桥隧过渡段道床板雨天纵向最大正温差出现在3月8日14:00,最大正温度梯度为0.32 ℃/m；阴天纵向最大正温差出现在3月13日14:00,最大正温度梯度为0.656 ℃/m；晴天纵向最大正温差出现在4月4日16:00,最大正温度梯度为0.708 ℃/m.通过分析和比较道床板不同天气纵向最大温度梯度分布规律,考虑最不利情况,即纵向温度变化幅度最大的情况,将道床板晴天的纵向最大温度梯度分布进行曲线分段拟合,得到春季桥隧过渡段道床板纵向温差荷载模式,如图8所示.隧道道床板纵向最大温度梯度曲线为

T5=37, -22～0 m

(5)

T6=18.65e-0.194 9x+18.42, 0～25 m

(6)

式中,T5、T6分别为各区段拟合温度(单位 ℃)分布.拟合结果中，式(5)和(6)的相关系数的平方分别为1.000 0和0.990 9,说明拟合结果较为可靠.

图8 道床板纵向最大温度梯度分布拟合曲线

Fig.8 Fitting curves of the longitudinal maximum temperature gradient distribution of slab

4 钢轨、道床板的温度日变化比较

比较钢轨和道床板的温度日变化规律,在钢轨和道床板上选取同一断面处的两个测点的数据进行分析.以第Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ断面为研究对象.以隧道内2 m处的⑤号(钢轨)和号(道床板)测点为例,选取3月8日(雨,18～12 ℃)和3月9日(阴,21～10 ℃)这两日的实测数据进行分析,结果如图9所示.由图9可知:钢轨和道床板的温度日变化规律是相似的,都是在12:00～16:00之间达到最大温度值；同一断面的钢轨和道床板的温度值在一天中的00:00～10:00和19:00～24:00基本一致.

图9 ⑤号和号测点两日温度变化规律

Fig.9 Two-day temperature variation of measuring points ⑤ and

将不同日期的沿隧道径深方向的各断面钢轨和道床板测点温差最值进行对比,结果见表4.由表4可知:钢轨和道床板的温差最值与天气和测点所处位置有一定的关系,由于隧道外和靠近隧道外的钢轨测点受到的太阳辐射较强,钢轨和道床板的温差最值相对较高,随着隧道径深的增加,温差最值逐渐减小.

表4 钢轨和道床板测点温差最值

Table 4 Extreme values of temperature difference of the rail and the slab

日期天气钢轨和道床板温差最值/℃隧道外22m隧道口(0m)隧道内2m隧道内4m隧道内8m3月1日多云6.53.54.02.21.33月12日多云5.84.64.73.73.03月7日雨3.42.72.82.11.83月8日雨5.85.13.92.41.9

5 结论

对我国中部山区桥隧过渡段CRTS I型无砟轨道温度场的观测和分析表明:

(1)发泡剂具有良好的隔热保温作用.

(2)随着隧道径深的增加,钢轨温度变化幅值不断减小,隧道内75 m处比隧道外22 m处钢轨温度出现峰值时刻滞后4 h.

(3)桥隧过渡段钢轨温度的变化规律如下:隧道外22 m到隧道内75 m,钢轨温度随隧道纵向径深增加变化明显,变化幅度最大的位置位于0～8 m区间,进隧道75 m后,温度趋于恒定.

(4)桥隧过渡段道床板的温度变化规律如下:隧道外22 m到隧道内8 m,道床板温度随隧道纵向径深增加变化明显,变化幅度最大的位置位于0～8 m区间,进隧道25 m后温度趋于稳定.

(5)桥隧过渡段无砟轨道钢轨和道床板纵向温度梯度宜采用分段函数回归拟合.

(6)同一断面处的钢轨和道床板的温度日变化规律是相似的,在一天中的00:00～10:00和19:00～24:00基本一致,并在12:00～16:00达到温度最值；随着隧道径深的增加,钢轨和道床板的温差最值逐渐减小.

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Experimental Investigation into Longitudinal Temperature Field of CRTS Ⅰ Ballastless Track in Bridge-Tunnel Transition Section

DAI Gong-lian1,2YUE Zhe1SU Hai-ting1ZHU Jun-pu1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, Hunan, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, Hunan, China)

According to the continuous observation of longitudinal temperature distribution of ballastless tracks and roadbed slabs in the high-speed railway bridge-tunnel transition section in China’s central complex mountainous area, the corresponding temperature distribution laws were obtained,and a suitable spring longitudinal temperature gradient load model was established.Analytical results show that (1) from the outside to the inside of the tunnel,the temperature variation amplitude of the rail gradually decreases,and the temperature peak time of 75 meters inside the tunnel lag for 4 h than that of 22 meters outside the tunnel;(2) the longitudinal temperature of the rail increases with the increase of the tunnel’s diameter and the maximum position range locates at 0～8 m;when the tunnel depth is more than 75 m,the temperature variation amplitude of the rail obviously becomes small and remains stable at 0.2 ℃;(3) the longitudinal temperature of the roadbed slab increases with the increase of the tunnel’s diameter and the maximum position range locates at 0～8 m;when the tunnel depth is more than 25 m,the temperature variation amplitude of the slab obviously becomes small and remains stable at 1.7 ℃;(4) the maximum longitudinal temperature variation amplitudes of both the rail and the slab in a day appear in the duration of 14:00～16:00;and (5) the longitudinal temperature gradient mode can be divided into two types:one is the rail type and the other the slab type,and the longitudinal temperature gradients of both the rail and the slab can be fitted by the piecewise function.

bridge-tunnel transition section;track structure;temperature field;central mountainous area;experimental investigation

2016- 06- 21

国家自然科学基金资助项目(51378503)；中国铁路总公司重点课题(2014G001-D) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51378503) and the Key Issues of China Railway Corporation(2014G001-D)

戴公连(1964-),男,教授、博士生导师,主要从事大跨度桥梁理论及高速铁路无砟轨道梁轨相互作用研究.E-mail:daigong@vip.sina.com

† 通信作者: 苏海霆(1988-),男,博士生,主要从事高速铁路无砟轨道温度场及梁轨相互作用研究.E-mail:suhaiting1988@gmail.com

1000- 565X(2017)06- 0059- 07

U 25

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.06.010