秋季桥上纵连板式无砟轨道竖向温差试验研究

戴公连　苏海霆　闫斌

摘要：通过对某客运专线曲线段简支梁桥上纵连板式无砟轨道结构温度场的连续观测，研究了秋季多种天气情况下曲线桥上无砟轨道温度场的时变规律.基于统计拟合，提出适用于我国典型地区纵连板式无砟轨道秋季竖向温度荷载模式.研究表明：轨道结构昼夜温度变化剧烈，表面最高温差可达16.0 ℃，平均日温差达8.0 ℃；随着距表面深度的增加，轨道结构温度变化幅值逐渐减小，峰值出现时间不断滞后；底座板底面最大日温差为1.5 ℃，平均为0.8 ℃；纵连板式无砟轨道结构的竖向温差可拟合为指数曲线，其曲线形式与中国铁路桥梁设计规范规定的箱梁竖向温差分布曲线在形式上较为相似.

关键词：铁路桥梁；铁道工程；轨道结构；温度分布；试验分析

中图分类号：U213.912 文献标识码：A

桥上CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道具有高平顺性、维修少和经济性好等特点，在我国京津城际、京沪、沪昆等客运专线上得到广泛应用＼[1-4＼].由于混凝土导热系数较小＼[5-8＼]，在太阳辐射和环境热交换的作用下，轨道板和底座板中将出现竖向非线性温差＼[9＼]，该温差是导致轨道板上拱、窄接缝开裂和砂浆层离缝的主要原因＼[10-11＼].

关于纵连板式无砟轨道竖向温度分布规律，既有研究中通常按轨道板和底座板整体升降温考虑＼[12＼]，或按现行桥梁规范中的桥梁竖向温差考虑，而研究对象也多局限于轨道板＼[13＼].事实上，由于南北地区气候差异悬殊，各地无砟轨道温度场分布规律并不相同.且桥上无砟轨道结构还与箱梁存在热交换，其温度分布规律极为复杂.此外，对于曲线段桥上无砟轨道，存在超高的底座板温度场分布情况尚不明确.

为研究曲线段桥上无砟轨道结构温度场竖向分布情况，本文对圆曲线上某简支梁桥上纵连板式无砟轨道温度场进行了长期监测，研究其竖向温度分布规律，通过对测试数据的整理与分析提出适用于简支箱梁桥上CRTSⅡ板式无砟轨道的竖向温度荷载模式.

1桥上无砟轨道温度场试验系统

1.1工程背景

以某客运专线圆曲线上简支梁桥为工程背景，测试桥上纵连板式无砟轨道中的温度分布情况.该桥位于北纬28°，东经115°，亚热带季风湿润气候，桥下为田地，桥梁轴线走向为87.5°， 测试截面位于简支梁固定支座附近轨道板接缝处，测点布置如图1所示.

1.2试验方法

采用北京基康BGK3700电阻式温度计进行温度测试，使用自动采集仪进行自动采集存储，采样频率为0.5 h，使用GPRS无线传输模块进行数据上传，温度观测贯穿无砟轨道整个施工过程（大致分为3个阶段：① 底座板施工完成，无遮挡；② 底座板上放置轨道板未灌注沥青砂浆；③ 轨道板与底座板之间灌注沥青砂浆，形成完整的轨道结构）.轨道板铺设完成时间为2013年10月4日.

2 纵连板式无砟轨道温度场分布规律

2.1无砟轨道温度场日变化规律

为研究轨道结构内温度日变化规律，以截面Ⅱ为例，选取10月5日、10月10日、10月11日、10月12日和10月13日5个晴天的观测数据见图2.F点测量数据为轨道板顶部温度，G点测量数据为轨道板底部温度，H点测量数据为底座板顶部温度，J点测量数据为底座板底部温度.其变化规律如图2所示，5天中各点的温度变化趋势基本相同，由于混凝土导热系数较低，各测点温度峰值出现时间存在滞后.

对于轨道板顶面，其温度最小值一般出现在早上7：00，最大值一般出现在14：30，日变化幅值一般为16 ℃；轨道板底温度最小值一般出现在早上7：30，最大值出现在下午15：30，日变化幅值一般为12 ℃；底座板顶温度最小值一般出现在上午10：30，最大值出现在21：00，日变化幅值一般为2.8 ℃，底座板底部温度最小值一般出现在下午14：00，最大值出现在凌晨4：30左右，日变化幅值一般为1 ℃.随着轨道结构深度的增加，温度变化幅值不断降低且温度变化趋势不断滞后，结构顶面至底面峰值时刻滞后10 h.

2.2温差日变化规律

为研究轨道结构中温差的日变化规律，以10月11日为例，将截面Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ温差随时间变化情况汇总于图3.

温度/℃

（a） 截面Ⅰ温差日变化规律

温度/℃（b） 截面Ⅱ温差日变化规律

温度/℃（c） 截面Ⅲ温差日变化规律

可以看出，轨道板结构沿深度方向的温差主要有3种模式，21：00—7：00为负梯度温度，轨道结构在7：00附近出现最大负梯度分布，9：00时上下温度较为一致，此后至晚上21：00出现正温差，轨道结构在15：00附近出现最大正梯度分布，循环往复.

2.3日最大温差分布

从本文监测到的数据分析（10月5日至11月5日），最大的正负梯度分布如图4所示.

轨道板结构秋季中竖向最大正温差出现在10月11日中午2：30，轨道结构中部（截面Ⅱ）最大值为14.7 ℃.当天天气晴朗，气温21～32 ℃（当地气象局发布），云量较少，上表面接受到太阳辐射强烈，升温迅速，因混凝土的导热性差，热量向下传递缓慢，轨道板底部温度峰值滞后轨道板顶部温度峰值约2 h.

轨道板温度自出现最大温差后（中午2：30）开始下降，并在17：00左右（落日时间前0.5～1 h），轨道板顶部与底部温度趋于一致，此后轨道板顶部温度低于底部温度，第二天早晨6：30左右温度开始回升（日出后0.5～1 h），并于早上8：00左右，与底座板顶部温度趋于一致，之后开始高于顶部温度.轨道结构秋季中竖向最大负温差出现在10月16日早上6：00，当日天气多云，气温14～21 ℃，云量较多，夜间气温下降较大，表层温度因接触大气温度下降较快，轨道结构内部温度降低较慢，从而产生负温差，至早上6：00出现最大负温差，轨道结构中部（截面Ⅱ）产生最大负温差为10.0 ℃.