含薄层沥青混凝土的CRTSⅢ型轨道结构温度场特性研究

2019-12-31陈先华马丽莉蔡德钩

铁道学报 2019年12期

陈先华,马丽莉,蔡德钩

(1. 东南大学交通学院,江苏南京 210096；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司,北京 100844)

温度荷载是无砟轨道结构设计过程中重点考虑的荷载之一。在轨道板的温度应力计算中,一般考虑整体变温所致的伸缩应力、温度梯度变化所产生的翘曲应力[1-2]以及一天之内和四季不断变化的温度引起的温度疲劳应力。鉴于无砟轨道结构的翘曲变形、温度裂纹等[3-7]日益凸显,充分考虑无砟轨道结构内部温度分布的非线性特征[8]显得尤为重要。

国内研究者对许多地区CRTSⅠ型与Ⅱ型板式无砟轨道结构系统的温度场特性进行了广泛研究。国内的研究成果大致可分为基于现场监测结果的经验回归方法与基于数值仿真技术的理论-经验方法。文献[9]通过铺设试验结构,使用不同层位多点布置的温度传感器监测了试验结构温度,验证了基于有限元技术的三维瞬态热分析方法的可行性。基于该试验结构的冬季观测结果,文献[10]得到了试验结构垂向温度分布的指数特征,由此提出了成都地区双块式轨道道床板冬季垂向温度荷载模式。文献[11]进一步证实了三维瞬态热分析方法的可行性。需要指出的是,该试验结构不同于路基本体上的无砟轨道系统,仿真计算中关于底座底层温度恒定的假定亦与运营高速铁路线路的实际监测结果[12-16]存在较大出入。

对于CRTSⅢ型板式无砟轨道结构系统的温度场,研究成果尚在积累之中。哈尔滨至齐齐哈尔高速铁路与郑州至徐州高速铁路沥青混凝土试验段[17-18]的成果表明,经合理设计的沥青混凝土能够有效保护路基免受雨水侵蚀。沥青混凝土为热的不良导体[19],对于全断面铺设的沥青混凝土,因线外部分直接暴露于太阳辐射之中而线下部分受底座板覆盖,这将导致结构温度的横向不均匀分布；另一方面,沥青混凝土的力学性能与温度关系密切[19],但目前鲜有含沥青混凝土层无砟轨道结构的温度场特性实测资料。为全面评估沥青混凝土层对轨道结构的影响,同时为确定沥青混凝土关键试验及材料设计提供温度参数,本文依托郑州至徐州高速铁路沥青混凝土试验段工程(以下简称郑徐沥青混凝土试验段),采用基于三维有限元的瞬态热分析技术，研究含沥青混凝土层的CRTSⅢ型无砟轨道结构在多种工况条件下的温度场特性,并结合现场实测数据对模型参数进行校核。相关结果与结论可供无砟轨道结构温度应用分析时选用,同时可直接应用于沥青混凝土材料设计时基准温度的确定。

1 郑徐高速铁路沥青混凝土试验段工程概况

郑州至徐州高速铁路沥青混凝土试验段工程[18]位于河南省开封市,该段落采用CRTSⅢ型无砟轨道结构,分别由钢轨、弹性扣件、轨道板、自密实混凝土层、底座板、基床表层、基床底层及土基等部分组成,见图1。图1中，基床表层采用6～10 cm厚的沥青混凝土进行全宽铺设,等厚替换渗透性级配碎石,实现防水封闭、底座板与级配碎石间竖向刚度的均匀过渡等目的[18]。

图1 郑徐高速铁路沥青混凝土试验段结构示意(单位：m)

试验过程中，在不同点位与层位同步埋设集成传感器以实现对温度、路基含水量、动变形等指标的监测(图2),其中温度监测结果用于校准温度场仿真模型。

2 无砟轨道结构温度场模型

2.1 模型原理

根据传热学原理,温度场模拟需考虑太阳辐射、气温及对流热交换、路面有效辐射三个主要影响因素[20]。轨道结构的热量来源主要为太阳辐射,太阳辐射的周期性变化也会导致轨道结构整体温度分布的周期性变化。结构表面接收到的太阳辐射受到达地表的太阳辐射量、日照时间、结构层的太阳辐射吸收率等因素的影响。为获得连续的温度场分布,太阳的辐射强度采用傅里叶级数展开[20-21],具体为

( 1 )

式中:q0为中午最大辐射，q0=0.131mQ；m=12/c，c为有效日照时间,h；Q为日太阳最大辐射总量,J/m2；ω为角频率,ω=2π/24。

轨道表面与空气间的对流热交换受环境温度、结构表面温度、风速v等因素的影响，热交换系数为

( 2 )

式中：hc为热交换系数，W/(m2·℃)。

轨道表面的有效辐射受众多因素的影响,包括地面温度、空气温度、湿度等,本文直接通过轨道表面发射率和周围环境温度来确定辐射量[20，22]

qf=εσ[(T1|z=0-Tz)4-(Ta-Tz)4]

( 3 )

式中:ε为轨道表面辐射的发射率,水泥混凝土一般取为0.9；σ为黑体辐射系数,σ=5.669 7×10-8W/(m2·K4)；T1|z=0为轨道表面温度；Ta为大气温度；Tz为绝对零度。

2.2 模型建立

根据郑徐沥青混凝土试验段的结构,利用大型通用有限元工具包建立三维瞬态传热模型,模型纵向包含三块轨道板。采用八结点线性传热单元(DC3D8),纵横向单元长度按10～20 cm、竖向单元根据结构厚度按2～10等分方式进行扫略式分网。各结构层材料均适用均质、弹性、各向同性的假定；沥青混凝土的物理参数通过室内试验测定,其余材料参数根据文献[20-22]选定,具体计算取值如表1所示。

表1 无砟轨道各结构层热学参数

根据圣维南原理,假设三维立体模型的底面和前后左右面皆为绝热条件(纵向设三块轨道板,使用中间轨道板的计算结果,以减小边界效应的影响),不计模型层间接触热阻[23]；太阳辐射吸收量通过用户自定义子程序计算,涉及日太阳辐射总量、日照时间等参数,具体数据通过国家气象局在线数据系统[24]获取,沥青混凝土表面和水泥混凝土表面的太阳辐射吸收率[20-23]分别为0.85、0.60,表面发射率分别为0.85、0.91；对流热交换利用用户自定义函数所返回的SINK(环境温度)和H(热交换系数)参数,通过设置surface film condition的接触类型,自动实现轨道表面与周围空气之间的热交换。轨道表面的有效辐射通过定义轨道表面发射率和周围环境温度确定。

2.3 基本分析方案

本文旨在获取无砟轨道结构特别是沥青混凝土层的温度场分布规律,为此分析了沥青混凝土层的日温度变化、整个结构沿深度方向的温度变化以及沥青混凝土层的月温度变化。为评估沥青混凝土层的影响,仿真模拟时对模型中取代同样厚度基础表层的结构进行同步分析,以便对有无沥青混凝土层的温度场进行对比；同时对比分析实测温度场与模型所模拟温度场的特点,以校验模型。

具体观测点位的选取见图3,选取5个观测点位进行分析,具体为:a,轨道板中心的竖向温度分布；b,自轨道板中心沿沥青混凝土层上表面的横向温度分布；c,自轨道板中心沿沥青混凝土层底面的横向温度分布；d,横断面内的路肩中心点；e,横断面内的轨道板中心点。

图3 轨道模型结构

利用瞬态传热分析技术,模拟连续一个月时间内无砟轨道结构的温度变化状态。分别选择1月、4月、7月、10月作为四个季度的代表月进行分析。为提高计算效率,同时获取较为平稳的变化曲线,计算时的瞬态时间步以2 h为一个增量步,将当月初始温度作为温度场的初值条件,分析整个轨道结构温度的日变化、月变化,为轨道结构温度应力计算和温度疲劳应力计算提供温度场数据。

3 模型结果分析

3.1 含沥青层的轨道结构温度场分析

根据试验段所在地的历史气象资料[24],选取最热月与最冷月月中(7月15日和1月15日)轨道板及路肩中心位置处(图3中测点e和d)的沥青混凝土层作为观测点,获取其表面与底面温度的日变化曲线,见图4。图4中两曲线之间的距离表示温度梯度,距离越大,温度梯度越大。

图4 最热月与最冷月月中沥青混凝土特征点的日温度变化

由图4可知,由于其上轨道板与底座板的覆盖,线下沥青混凝土层最热月与最冷月的日变温幅度均不超过1 ℃,且温度梯度小于8 ℃/m,受外界环境温度影响很小。路肩及线间的沥青混凝土层直接暴露于大气中,其温度响应受外界环境影响很大。从0时开始,测点d上表面温度小于下表面温度,随后上表面温度逐渐升高,约7—8时超过下表层温度,且两者温差逐渐增大,温差于约13—14时达到最大值,随后上表面温度逐渐降低,并于约16—18时开始小于下表层温度。负温度梯度在4—5时达到最大值46.7 ℃/m,正温度梯度在13—14时达到最大值117.5 ℃/m。正温度梯度持续时间为7 h左右。由于冬季日短,因此最大负温度梯度出现较晚,而最大正温度梯度则出现较早,即上表面温度大于下表面温度的持续时间缩短。

基于上述分析,分别选取1月和7月特定日期的5时和14时(最大温度梯度出现时间)，来考察轨道结构沿深度方向(图3中路径a)的温度变化,结果见图5。图5中曲线斜率表示温度梯度的大小。

图5 1月与7月特定日期轨道板路径a的温度

由图5可知,无砟轨道结构温度在厚度方向的分布呈明显的非线性。在5时左右,负温度梯度随深度的增加先减小后增大,在0.2～0.25 m深的范围内温度达到最高,温度梯度达到最小,即轨道板和底座的温度梯度较大,而自密实混凝土层的温度梯度相对较小。最高负温度梯度达到42 ℃/m。在14时左右,正温度梯度达到最大,表层的温度及温度梯度达到高峰值,温度梯度随着深度的增加逐渐减小,一个月之内的最大正温度梯度达到115 ℃/m。结合对图4和图5的分析可知,沥青混凝土层内的温度梯度一般要大于从轨道板到底座间水泥混凝土的温度梯度；一个月内,无砟轨道结构自顶面向下1 m深度范围内受环境温度的累积影响显著,1～2.5 m深度范围内该累积影响逐渐减弱,温度波动范围约为7 ℃；至2.5 m深度以下时,温度波动进一步降低,太阳辐射的影响基本可以忽略。

最热月同一天内轨道板结构中心点温度沿深度方向的分布规律见图6。由图6可知,一天内,无砟轨道结构在0～0.2 m范围内的温度分布受环境温度影响较大,0.2～0.4 m范围内受环境温度影响逐渐减小,0.4 m以下则基本不受外界温度变化的影响。

图6 最热月同一天内轨道板中心点温度沿深度方向的分布

图7为路肩与轨道板中心处沥青混凝土的温度变化规律。由图7可知,7月和1月路肩处沥青混凝土层温度变化呈相似的规律,结合环境温度与太阳辐射、日照时间等来看,温度场呈现出如图4和图5所表现出沿时间和深度方向的周期性日变化,变化幅度则受外界环境影响有不同,且下表面周期变化相对上表面滞后约2 h,由此可推断出一年温度变化与温度梯度变化规律的一致性。

图7 不同时间、不同点位沥青混凝土层上下表面温度变化

3.2 有无沥青层的温度场对比分析

设置等厚沥青混凝土层前后,沥青混凝土层及等代级配碎石层上表面与底面的温度沿横向分布规律见图8,两种轨道结构的整体温度云图见图9。最热月与最冷月设置沥青混凝土前后轨道板横向横向温度分布差统计结果如表2所示。

表2 最热月与最冷月设置沥青混凝土前后横向温度分布差 ℃

图8 有无沥青混凝土层的横向温度分布对比

图9 CRTSⅢ型轨道结构整体温度场分布云图(单位：℃)

由图8与图9可知,设置沥青混凝土层不改变温度场的横向分布特征,但使得线下非显露部分与路肩/线间显露部分的温度差异增大,且层底温度显著增加。底座板外边缘处的沥青混凝土温度比轨道板中心温度略有增加,而底座板外缘30 cm宽范围为温度剧烈变化区。因超过50 ℃时常用沥青混凝土在一定的荷载水平下易形成不可逆的永久变形[19],因此,材料设计时宜将剧烈变化区的中位温度作为高温设计温度,将线下中心处沥青混凝土的温度作为低温设计温度,并采取技术措施降低沥青混凝土的高温敏感性,从而降低因温度差导致材料性能差异而在长期动荷载作用下产生潜在离缝的风险。

3.3 与现场实测数据对比分析

为了与郑徐高速铁路试验实测数据进行对比,本文模拟了2016年1月的沥青混凝土层温度变化,具体结果见图10。由图10可知,模拟的温度场演化规律与实测结果基本一致,16日与26日附近相差稍大,但也在2～3 ℃范围内,相对于整个月来说,平均误差不超过1 ℃。考虑到实际太阳辐射量受云雨状况的影响相对较大,该预测结果是可以接受的。