冬季高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度分布试验

赵磊，周凌宇，余志武,2，张营营，邹莅凡，袁亚慧

(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)

温度作用是无砟轨道结构产生离缝[1-3]、翘曲[4]、纵向屈曲[5]和轨道不平顺[6]等的重要因素，温度分布对轨道系统温度作用效应影响巨大[7-9]。近年来，针对无砟轨道结构温度分布的研究逐渐增多，但主要研究方法仍然为有限元法[10]和现场监测统计的理论分析法[11-12]。朱劲松等[10]建立无砟轨道-箱梁温度场有限元数值分析模型，研究了四季变化和遮挡作用对温度场的影响；欧祖敏等[11]基于气象资料，利用理论方法求解无砟轨道温度场的热传导方程，分析无砟轨道的温度分布规律。目前，现有研究主要针对路基轨道板[13-14]，关于高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构温度场的研究则较少[15]，且多为基于气象条件的理论分析[16-17]。闫斌等[18]利用有限元软件建立无砟轨道温度分布热力学分析模型，研究无砟轨道的理论温度分布形式；戴公连等[16]采用现场监测统计分析法，拟合超高段CRTS Ⅱ型板式无砟轨道横向和竖向温度分布；刘学毅等[6]研究高温天气下无砟轨道的温度分布规律，得到了无砟轨道非线性的温度分布形态。由于现有文献中有限元模型缺少水泥乳化沥青砂浆准确的热力学参数，现场监测文献的无砟轨道中温度测点布置较少，在水泥乳化沥青砂浆对无砟轨道温度分布的影响方面考虑不足，因此，未能全面了解CRTS Ⅱ型板式无砟轨道横向和竖向温度分布。

此外，目前关于高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度分布的研究较少采用试验模型法，相关研究也主要选择高温季节[19]，针对寒冷季节温度分布的研究非常稀缺[16]。同时，现有试验研究主要为太阳照射下的无砟轨道温度分布，得到不具典型性的各种非均匀温度场，对阳光被遮挡等条件下无砟轨道的均匀温度场分布及其规律的研究十分缺乏。

基于此，本文作者建立高速铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道-预应力简支箱梁桥1:4 缩尺模型，选择冬季寒冷季节的典型低温天气，在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室开展无阳光直射环境条件下的均匀温度场分布试验，通过布置密集的温度传感元件，深入研究无砟轨道横向和竖向温度场分布规律，为高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度作用效应的设计和研究提供参考。

1 试验概况

1.1 模型梁设计与构造

高速铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道-桥梁结构体系原型为我国计算跨径31.5 m 的通用预制无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁(双线)，结构体系由简支箱梁和CRTS Ⅱ型板式无砟轨道系统2 部分构成。轨道系统由钢轨、弹性扣件、轨道板、水泥乳化沥青砂浆填充层、底座板、滑动层以及台后锚固结构等组成。根据几何相似原则制作1:4缩尺试验模型，总体设计立面和制作完成后现场模型如图1所示。

考虑到水泥乳化沥青砂浆灌注施工及传感器布设，水泥乳化沥青砂浆层设计厚度保持与原型梁相同。结构体系试验缩尺模型横截面尺寸构造如图2所示。

1.2 试验模型材料

试验模型所用材料均与原型梁一致。梁体、轨道板及轨道板宽窄接缝混凝土为C50，底座板混凝土为C30。水泥乳化沥青砂浆(简称CA 砂浆)材料实测强度及弹性模量等满足要求，其材料组成为水、水泥、硅砂、乳化沥青、减水剂、增稠剂、铝粉和消泡剂，对应的配合比(g/L)为100.00:606.00:909.00:303.00:12.13:0.05:4.00。

1.3 温度测点布置

为准确捕捉CRTS Ⅱ型板式无砟轨道系统横向和竖向温度变化情况，设计一套温度传感-采集系统。在跨中无砟轨道各层正中、上表面和下表面埋设JMT-36B 型半导体温度传感器，沿竖向共7层，如图3所示。层间传感器数据可同时代表上层的底面温度和下层的顶面温度，利用长沙金码测控科技股份有限公司生产的JMZX-3001 综合测试仪采集温度数据，测试精度为±0.1 ℃。

1.4 温度测试方案

文献[20]给出了中央气象局统计的全国冬季1月份平均气温，数据显示中南地区平均气温为4～6 ℃，在长沙市开展的冬季1月份温度试验结果可作为我国该地区的低温天气的典型代表。

温度试验日期选择在天气寒冷，且连续数日气象预报的气温保持在该地区1月份最低0～4 ℃的时间段，以代表我国中南地区长沙市冬季典型低温天气温度作用最不利情况。试验在门窗敞开、通风良好的实验室内进行，模拟低温天气未受阳光直射条件下单日温度周期循环作用的无砟轨道均匀温度场。每30 min 采集一次温度数据，从试验当日北京时间17:00开始至次日17:00，连续采样24 h。

2 无砟轨道竖向温度分布及规律

2.1 温度变化曲线

图1 CRTSⅡ型板式无砟轨道-桥梁结构体系1:4缩尺模型图Fig.1 1:4 scale model of CRTS Ⅱballastless track-bridge structure system

图2 试验模型横截面Fig.2 Cross section of test model

图3 传感器布置Fig.3 Sensor layout

温度试验正值冬季低温持续且天气晴朗，试验全过程共持续24 h。在北京时间03:30，室外气温4.0 ℃，为当日最低气温；15:00 室外气温达到11.0 ℃，为当日最高气温。未受阳光直射的实验室内高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构1:4缩尺模型竖向温度变化曲线如图4所示，竖向温度数据以各层中部温度测点为代表(中部与边缘温度变化规律一致)。

图4 全过程温度-时刻曲线Fig.4 Temperature-time curves in the whole process

由图4可见：试验全过程各测点温度均呈周期性变化。试验模型周围的环境气温大致呈先减小后增大的余弦曲线型周期变化，最低环境气温为7.5 ℃，最高环境气温为9.5 ℃。CRTS Ⅱ型板式无砟轨道系统各层结构的温度均大致呈正弦曲线形周期变化，但结构内部温度变化滞后于环境气温。轨道板顶面温度滞后于环境气温3 h，为温度滞后时间最短的结构层。试验全过程轨道板上表面温度均高于环境气温和轨道系统其他结构层温度，最大温度为11.7 ℃。轨道系统底座板下表面的温度始终低于其他结构层温度，最小温度为9.3 ℃。无砟轨道内部温度从上到下大致呈递减趋势，但底座板上部和中部温度几乎全程都高于CA砂浆层温度。其中，底座板中部温度在测试全过程中仅次于轨道板上表面温度，显著地高于CA砂浆层温度，说明CRTS Ⅱ型板式无砟轨道底座板受CA 砂浆层的保温效应显著。

2.2 竖向温度梯度规律

图5 无砟轨道竖向温度梯度变化曲线Fig.5 Vertical temperature gradient curves of ballustless track

图5所示为无砟轨道竖向温度梯度变化曲线。由图5(a)可见：冬季气候条件下，轨道板内受正温度梯度作用(上层温度高于下层为正，反之为负)，最大竖向温度梯度为24.0 ℃/m，该层内竖向温度梯度变化幅度不大。底座板内受正温度梯度作用，最大竖向温度梯度为11.0 ℃/m，该层内部正温度梯度较小，变化幅度在各层中最小，因此，底座板为CRTS Ⅱ型板式无砟轨道受竖向正温度梯度作用影响最小的结构层。CA砂浆层主要受负温度梯度作用，且内部竖向温度梯度大致呈周期性变化规律，负温度梯度极值为-10.0 ℃/m，产生于02:30并持续到10:00；该层正温度梯度最大值为3.3 ℃/m。CA砂浆层内部温度梯度变化幅度最大，受正温度梯度和负温度梯度交替作用，温度梯度变化显著，因此，CA砂浆层是受竖向温度梯度影响最大的结构层，温度作用对该结构层最不利。

由图5(b)可见：试验全过程中轨道板与CA 砂浆层之间的竖向温度梯度为正温度梯度，且呈周期性变化，最小值为10.0 ℃/m，最大值为25.0 ℃/m。CA 砂浆层与底座板间竖向温度梯度为负温度梯度，且变化幅度较小，最小为-27.0 ℃/m，最大为-20.0 ℃/m。最不利竖向正温度梯度产生于轨道板与CA砂浆层间，而最不利竖向负温度梯度产生于CA 砂浆层与底座板之间。由于轨道板与CA 砂浆层之间的竖向温度梯度变化较显著，因此，轨道板与CA 砂浆层之间受竖向温度梯度作用影响最大，可以推测，轨道板与CA砂浆层间较容易产生上拱和离缝等病害。

2.3 竖向温度分布

图6 轨道系统竖向温度分布曲线Fig.6 Vertical temperature distribution curves of track system

图6所示为轨道系统竖向温度分布曲线。由图6可知：不同时刻，CRTS Ⅱ型板式无砟轨道竖向温度分布形态相似，呈“S”形非线性分布。在12:00—14:00，无砟轨道各层内部温度最低，在20:00—22:00，内部温度最高。无砟轨道各层竖向温度分布均表现出不同程度的非线性，底座板温度分布非线性表现最显著。距轨道板顶面50～80 mm的CA砂浆层竖向温度分布曲线较平缓，温度传递在该层受到明显阻碍，且该层温度低于相邻的轨道板和底座板内部温度，说明CA砂浆层具有温度传递阻滞效应。由于CRTS Ⅱ型板式无砟轨道中CA砂浆层对温度传递产生了明显阻滞，致使无砟轨道上层和下层之间的温度梯度效应加剧，加速该型无砟轨道层间离缝的产生，因此，CA砂浆层在高速铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度效应设计和研究方面应引起足够的重视。

2.4 竖向温差分布

图7 轨道系统竖向温差分布曲线Fig.7 Vertical temperature difference distribution of track system

图7所示为轨道系统竖向温差分布曲线。由图7(a)可见：不同时刻，CRTS Ⅱ型板式无砟轨道竖向温差分布相似，均呈“S”形非线性分布。试验过程中无砟轨道顶面和底面最高温差达1.6 ℃。距轨道板顶面50～80 mm 的CA 砂浆层内温差较小，而底座板和轨道板中部温差较大，这进一步表明CA砂浆对无砟轨道上结构层和下结构层的温度传递产生阻滞，迟滞热量的竖向传导，并对底座板形成保温作用。

由图7(b)可见：不同时刻，CRTS Ⅱ型板式无砟轨道竖向温差分布仍然呈“S”形非线性分布。试验过程中底座板中部的温度梯度最大，达48.0 ℃/m，产生于20:00。由于CA 砂浆的温度传递阻滞效应，对底座板产生保温作用。因此，底座板中部温度梯度比较显著，表明寒冷季节温度梯度作用对底座板的影响非常显著。

进一步将无砟轨道温度最高时刻20:00的竖向温差分布曲线同文献[14]CRTS I型无砟轨道竖向温差分布及文献[16]CRTS Ⅱ型板式无砟轨道在寒冷季节的竖向温差曲线进行对比分析，如图8所示。

图8 竖向温差分布曲线对比分析Fig.8 Comparative analysis of vertical temperature difference distribution curves

由图8可见：文献[14]曲线最大温差11.5 ℃，文献[16]曲线最大温差8.6 ℃，本文曲线最大温差1.6 ℃。图8中文献[14]和[16]给出的温差分布曲线均为指数形式，且曲线较接近，表明CRTS I 型无砟轨道竖向温差分布形式与CRTS Ⅱ型板式无砟轨道的近似。此外，同样是高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道，但本文的“S”形非线性温差分布与文献[16]的指数形分布不同，主要原因由2 个方面：

1)文献[16]未在CA 砂浆层内布置温度测点，忽视CA 砂浆层对整体无砟轨道温度分布的影响，且由于文献[16]的研究对象主要针对超高段无砟轨道，温度测点难以实现均匀布置，因此，未能得到完整的竖向温差分布；

2)文献[16]的研究条件为天气晴朗且太阳直射的情况，温差变化非常大，而本文的研究条件为天气晴朗且无砟轨道未受太阳光直射的情况，因此，温差变化较小。此外，由于本文试验对象为1:4缩尺模型，无砟轨道几何尺寸的缩小也是竖向温度、温差和温度梯度呈“S”形非线性分布的重要因素。

竖向温度及温差分布结果共同表明：由于CA砂浆层相对于混凝土具有显著的热传递阻滞效应，进一步加大无砟轨道温度梯度作用，与其他类型无砟轨道相比，CRTS Ⅱ型板式无砟轨道的温度作用更复杂。因此，研究CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度作用效应需要注重CA砂浆的影响。

3 无砟轨道横向温度分布及规律

3.1 横向温度分布

为研究横向温度分布，绘制试验中无砟轨道温度最高时刻20:00 的横向温度分布曲线和等温线，如图9所示。由于未受太阳光直射，因此，试验模型外部受热均匀，无砟轨道结构横向两侧温度基本相同。

图9 无砟轨道横向温度分布曲线及等温线Fig.9 Transverse temperature distribution curves and isotherm

由图9(a)可见：无砟轨道中温度最高时刻，轨道板的中间温度高于两侧边缘温度，横向温度呈凸形非线性分布，最大温差为1.1 ℃(中间温度大于边缘温度时温差为正，反之为负)。距离轨道板顶面分别50 mm和65 mm的CA砂浆中层和下层的中间温度小于边缘温度，横向温度呈凹形非线性分布，负温差极值为-0.4 ℃。底座板中层和下层的中间温度高于两侧边缘温度，横向温度分布呈凸形抛物线形，最大温差为1.0 ℃；且底座板上层的中间温度仅次于轨道板顶面温度，明显高于其余测点温度。

由图9(b)可见：温度最高时刻，无砟轨道横截面有2 个高温核心，一个在轨道板顶面的中间部位，一个在底座板的中间部位，表明寒冷季节轨道板和底座板横截面的中间温度略高于边缘温度。此外，底座板内出现高温核心，热量蓄积在底座板的中间部位难以向外传导，进一步说明CA砂浆具有一定隔热保温效果，同时箱梁也阻滞底座板内温度向下传递。

3.2 横向温差及温度梯度变化规律

为研究无砟轨道横向温差及温度梯度在试验全过程中的变化规律，绘制无砟轨道试验模型的各层横向温差及横向温度梯度变化曲线，如图10所示。

由图10(a)可见：无砟轨道各层的横向温差变化呈周期性。轨道板内横向温差均为正温差，温差自上而下逐渐递减，轨道板顶面正温差在无砟轨道中最显著，最大为1.1℃。CA砂浆层内主要受横向负温差作用，负温差极值为-0.8 ℃，发生于该层的中部。底座板主要受横向正温差作用，温差最大值发生于底座板中部，为1.0 ℃；底座板上部和下部横向温差在试验过程中最不显著，该结构部位受横向温度作用影响最小。

由图10(b)可见：无砟轨道各层横向温度梯度变化规律与横向温差一致。轨道板受横向正温度梯度作用非常显著(中间温度大于边缘时温度梯度为正，反之为负)，最大值为3.7 ℃/m，发生于轨道板顶面。CA 砂浆层主要受横向负温度梯度作用，负温度梯度极值为-2.7 ℃/m，发生于该层中部。底座板主要受横向正温度梯度作用，最大值为3.3 ℃/m，发生于底座板中部；底座板上部和下部受横向温度梯度作用最小。

图10 无砟轨道横向温差及温度梯度曲线Fig.10 Transverse temperature difference and gradient curves

综上分析结果表明，高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道的轨道板和底座板主要受横向正温度梯度作用，CA 砂浆由于具有一定隔热保温特性，因而主要受负温度梯度作用。因此，CA砂浆层分别与底座板、轨道板界面处的横向正温度梯度和负温度梯度反差非常显著，受横向温度梯度作用，无砟轨道各层界面处层间横向滑移的趋势也比较明显。总体而言，CA 砂浆层对CRTS Ⅱ型板式无砟轨道横向温度梯度效应影响非常显著。

4 无砟轨道温度三维分布

为全面描述本文无砟轨道的横向和竖向温度分布，以试验中无砟轨道温度最高时刻20:00为代表时间，将无砟轨道沿横向宽度、竖向距轨道板顶面距离、全部温度试验数据整理为三维分布曲面，如图11所示。图11完整地呈现高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道在寒冷季节且无阳光直射情况下的三维温度分布，表明寒冷季节无砟轨道内部温度呈马鞍形曲面分布，同时兼具竖向温度分布的三阶段形态和横向温度分布的非线性形态，无砟轨道的横向和竖向温度差异对整体温度分布影响同样显著。总体而言，CA砂浆由于具有比混凝土更显著的隔热和保温性能，容易对无砟轨道中温度的传递产生阻滞效应，迟滞结构中热量的互相传递，并导致无砟轨道层间温度梯度作用效应复杂化和剧烈化，故而CA砂浆的影响是无砟轨道三维温度分布呈马鞍形曲面分布的主要因素，因此，在研究高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度作用效应过程中应更多地关注CA 砂浆的影响。

图11 无砟轨道三维温度分布曲面图Fig.11 3D temperature distribution of ballastless track

5 温度效应分析

为了进一步评估实际高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道原型结构中的温度效应，考虑到1:4缩尺模型几何尺寸小于原型结构的几何尺寸，本文无砟轨道缩尺模型的上层和下层间温度传输速率可能比原型结构快，且温度梯度量级将有所不同。为此，引入温度效应截面因子α(暴露于空气中的无砟轨道受热面积除以受热体积)，进一步讨论模型的缩尺效应对CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度分布的影响，为实际工程原型结构的温度梯度作用效应提供参考。

以无砟轨道受热面积和受热体积作为变量，本文与尺寸相关的无砟轨道温度效应截面因子α的计算公式为

式中：A为单位长度(1 m)无砟轨道暴露在大气中的受热面积(上表面及侧面)；V为单位长度(1 m)无砟轨道的受热体积。将缩尺模型和原型结构的温度效应截面因子按式(1)计算并作比较，如表1所示。

表1 无砟轨道温度效应截面因子Table 1 Cross-section factors of ballastless track

由表1可知：缩尺模型与原型结构无砟轨道的温度效应截面因子之比为3.5，表明相同温度变化环境下，受几何尺寸的影响，缩尺模型受到的温度梯度作用效应约为原型结构的3.5倍。因此，在相同的外部热环境条件下，缩尺模型的温度梯度约为原型结构的3.5倍。这一结果可为原型结构的无砟轨道温度梯度取值提供参考。

虽然温度梯度作用效应受几何尺寸的影响比较显著，但由于原型结构与缩尺模型之间的几何相似性，本文得到的温度、温差及温度梯度分布等与原型结构的分布形态和变化规律是一致的。因此，本文试验获得的相应规律仍然可为原型结构提供有力参考。

6 结论

1)高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道各层结构内的温度均大致呈正弦曲线形周期变化；轨道板受正温度梯度作用；CA砂浆层受正温度梯度和负温度梯度交替作用，温度梯度作用对该结构层最不利；底座板受正温度梯度作用，受竖向正温度梯度作用影响最小。

2)试验过程中轨道板与CA砂浆层间的竖向温度梯度始终为正温度梯度，呈周期性变化且变化幅度大，最大值为25.0 ℃/m；CA砂浆层与底座板之间为负温度梯度，极值为-27.0 ℃/m。最不利竖向正温度梯度产生于轨道板与CA砂浆层间，最不利竖向负温度梯度产生于CA 砂浆层与底座板之间。

3)CRTS Ⅱ型板式无砟轨道竖向温度分布、温差分布和温度梯度分布形态均呈“S”形非线性分布。CA砂浆层加剧无砟轨道中上层和下层之间的温度梯度效应，其与底座板中部的温度梯度达48.0 ℃/m，故寒冷季节温度梯度作用对底座板的影响非常显著。

4)轨道板的横向温度呈凸形非线性分布，CA砂浆中层和下层的横向温度呈凹形非线性分布。底座板中层和下层的横向温度分布呈凸形抛物线形。温度最高时刻，无砟轨道横截面有2个高温核心，其中一个位于底座板中部，CA砂浆对底座板的散热影响非常显著。

5)寒冷季节高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道在无阳光直射情况下的三维温度分布呈“马鞍形”曲面分布，CA砂浆的影响是无砟轨道三维温度分布呈马鞍形曲面分布的主要因素；在研究高速铁路桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度作用效应过程中应更多地关注CA砂浆的影响。