潘勋 周小勇 陈鹰 倪林

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074；2.中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000）

我国高速铁路无砟轨道主要采用混凝土结构。CRTSⅢ型无砟轨道由我国自主设计，被应用于多条铁路线路［1］。其轨道结构包括CHN60型钢轨、WJ-8扣件系统、CRTSⅢ型预制轨道板、自密实混凝土层、中间隔离层及混凝土底座板，如图1所示。

图1 CRTSⅢ型无砟轨道结构

由于混凝土材料导热性能较差，内部温度受太阳辐射、气温、热对流等外界因素影响较大，轨道结构易形成白天“上热下冷”（正温度梯度）、夜间“上冷下热”（负温度梯度）的情况，导致轨道板发生翘曲变形，影响轨道行车安全及结构耐久性［2］。国内外学者针对无砟轨道温度作用开展了大量研究。王森荣等［3］对CRTSⅠ型普通轨道板和框架型轨道板进行全天测量并分析了温度翘曲应力；刘学毅［4］研究了国内外温度翘曲应力计算理论与方法；刘钰等［5］认为板面温度对温度梯度起控制作用，提出了减少CRTSⅡ型无砟轨道结构层间早期离缝的有效措施；欧祖敏等［6］基于热工学原理，利用气象数据得到无砟轨道结构竖向温度场分布的计算模型；刘伟斌等［7］在CRTSⅢ型板式无砟轨道试验段开展温度场长期监测试验，研究温度梯度变化规律；李佳雨等［8］采用贝叶斯理论建立夏季无砟轨道温度梯度预测模型。

既往研究针对CRTSⅢ型无砟轨道内部温度场特性的内容相对较少。根据现有的维修检查结果［9］，温度应力会导致轨道结构开裂，温度变形会导致轨道结构各层之间形成离缝。我国幅员辽阔，不同地区气候差异大，因此研究不同地区CRTSⅢ型无砟轨道温度场分布特点具有重要意义。

本文在昌赣客运专线线外预制场地布设无砟轨道温度场自动监测系统，研究CRTSⅢ型无砟轨道结构温度分布规律。

1 温度场监测试验

图2 CRTSⅢ型无砟轨道温度场监测现场

为了长期监测轨道板温度场，在昌赣客运专线泰和段线外制作CRTSⅢ型无砟轨道1∶1 足尺模型并安装温度自动检测系统，见图2。模型中CRTSⅢ型预制轨道板（简称轨道板）尺寸为5 600 mm×2 500 mm ×200 mm，自密实混凝土现浇层为5 600 mm×2 500 mm×90 mm，底座板为5 600 mm×2 900 mm×200 mm。整个结构呈南北走向。监测时间从2018 年10 月开始，监测频率为30 min/次。

由于试验现场的CRTSⅢ型无砟轨道为单元板，考虑日照位置对板端、板角、板中和板侧温度的影响，在各部位均布置温度测点，共7个，如图3（a）所示。无砟轨道结构在竖向的温度分布是非线性的，在底座板内分布比较均匀，温度变化较小［10］。考虑层间可能出现温度变化，在每个测点竖向布置6个温度传感器，分别位于轨道板的顶面、中部、底面，自密实混凝土层的顶面、底面，底座板中部，如图3（b）所示。

图3 CRTSⅢ型无砟轨道模型温度传感器布置（单位：mm）

2 轨道结构晴天温度规律

2.1 温度日变化规律

选取2019 年1 月的典型数据进行温度日变化规律分析。由于轨道结构受大气温度、太阳辐射、空气对流换热等影响，同时考虑四周测点受日照位置影响较大，因此选取位于轨道结构中间的5#测点在晴天（22，23，26，27，28 日）时的数据进行分析。其温度日变化规律见图4。

由图4可知：①轨道板、自密实混凝土层和底座板的温度变化规律基本一致，均以日为单位周期性变化。②受日照影响，白天轨道板顶面温度高于底面温度，为正温度梯度；夜间由于轨道板表面散热快而内部降温慢，呈负温度梯度。③轨道板顶面和底面的最高温度分别出现在15：00和17：00，自密实混凝土层和底座板的温度在夜间陆续达到峰值，表明受混凝土导热性的影响，轨道结构的温度变化沿竖向有明显的滞后性。④对比各层结构的日温度变化幅度，轨道板顶面最大温差为6.1℃（1月28日），同日自密实混凝土层最大温差仅2.9℃。自轨道板表面沿竖向向下，温度变化幅度逐渐减小。

图4 轨道结构晴天温度日变化曲线

2.2 温度竖向分布规律

为研究无砟轨道温度竖向分布规律，选取5#测点在日温差最大的1 月28 日的实测数据进行分析，其不同时刻温度竖向分布见图5。

图5 1月28日5#测点不同时刻温度竖向分布

由图5 可知：①轨道结构温度沿竖向呈非线性变化，随着深度增加，温度变化斜率逐渐减小。②各结构层接触位置温度梯度有所突变，可近似按分段线性考虑轨道结构温度梯度变化。③在全天各时刻，轨道板和自密实混凝土层的温度梯度变化较大，其中00：00，08：00，20：00，24：00 的轨道结构温度为负温度梯度，12：00，15：00，17：00 为正温度梯度。最大正、负温度梯度分别出现在15：00和08：00，与轨道板顶面最高、最低温度出现时间基本一致。而底座板温度梯度几乎不变，全天呈正温度梯度状态，表明底座板内温度分布受外界环境影响较小。

2.3 温度横向分布规律

无砟轨道与太阳相对位置不断变化，导致结构侧边在一天内可能处于阴面或阳面，影响横向温度变化。为研究轨道结构横向温度分布规律，选取4#—6#测点在1 月28 日的实测数据进行分析，其不同时刻轨道板顶面温度横向分布见图6，15：00时不同轨道结构层温度横向分布见图7。

图6 不同时刻轨道板顶面温度横向分布

图7 15：00时不同轨道结构层温度横向分布

从图6 可知，①4#和6#测点（轨道板左右两端）温度高于5#测点（轨道板中间）温度，横向温度呈现两边大中间小的规律。这是由于轨道板在白天受太阳辐射影响的较大，顶面和侧面均与外界进行热交换，导致侧边温度变化比中间位置剧烈。②轨道结构温度沿横向呈非对称分布。上午4#测点温度高于6#测点，而下午4#测点温度低于6#测点，2 测点最大温差为0.5 ℃。这是由于轨道结构表面吸收太阳辐射热量受太阳与轨道结构相对位置影响较大，上午东端的4#测点位于阳面，西端的6#测点位于阴面，下午则恰恰相反。

从图7 可知，各结构层的测点横向温差随深度增加而逐渐减少，其中轨道板顶面横向温差最大，为0.7 ℃。

虽然冬季轨道结构温度变化不明显，但从总体规律可以看出CRTSⅢ型轨道竖向温度梯度大于横向温度梯度，对结构温度影响起主导作用。

3 不同天气下温度规律

太阳辐射强度是影响无砟轨道结构内部温度变化的主要因素［11］。无云晴天的太阳辐射最强，而阴雨天太阳辐射较弱，内部温度变化小。选取2019 年1 月1 日（雨天）、1 月17 日（阴天）、1 月28 日（晴天）下午15：00 时5#测点温度数据，分析不同天气下温度变化规律，见图8。

图8 不同天气下轨道结构竖向温度分布曲线

从图8可知，晴天轨道结构竖向温度梯度较大，最大温差9.9 ℃；阴雨天温度随深度变化不明显，甚至出现轨道板顶面温度低于底座板温度的情况。这是由于阴雨天太阳辐射较弱，外界气温成为影响轨道结构温度梯度的主要因素，而阴雨天时气温低于轨道结构底部的温度，出现负温度梯度。

4 竖向温度梯度预估模型

通常情况下温度现场试验监测周期为1～2 年，采用统计学原理得到的最大温度梯度值适用性有限，仅可用于研究区域的温度效应分析，无法适用于气候条件不同的地区，因此根据实测无砟轨道温度数据并结合当地气象参数建立竖向温度梯度预估模型更具有实用性。

考虑日气温差和太阳辐射总量影响，谢国忠等［12］建立了温度梯度二元回归模型并用于水泥混凝土路面温度梯度预测。而贺晓东［13］认为综合考虑太阳辐射总量和日气温差2个因素的二元公式得到的最大温度梯度结果很不稳定，且日气温差受太阳辐射影响较大。刘伟斌［7］采用日最高气温和太阳辐射总量推测了复合板日最大温度梯度，但日最大温度梯度与日最高气温的决定系数只有0.56。因此，本文仅考虑日辐射总量因素的影响，建立日最大温度梯度预估模型。

根据当地日太阳辐射总量的气象资料，计算冬季（2018年11月～2019年1月）每天的最大温度梯度值并降序排列，进行一元回归分析。由于轨道板与自密实混凝土层结合成复合板，在其范围内竖向温度受外界环境影响较大，故选取复合板温度梯度进行回归分析。其冬季日最大正温度梯度ΔT为

式中：Q为日辐射总量；R2为决定系数。

5 结论

本文在昌赣客运专线线外建立了CRTSⅢ型无砟轨道温度场监测实尺模型，分析冬季无砟轨道结构温度分布规律并提出了竖向温度梯度预估模型。结论如下：

1）轨道结构日温度随气温周期性变化，最大正温差出现在15：00，最小负温差出现在8：00；由于混凝土导热性能差，轨道结构的温度变化沿竖向有明显的滞后性。

2）轨道结构温度沿竖向呈非线性变化，随着深度增加，温度变化斜率逐渐减小；轨道结构横向温度分布受太阳与轨道结构相对位置影响较大，呈现两边大中间小的规律；轨道结构竖向温度梯度大于横向温度梯度，对结构温度影响起主导作用。

3）轨道结构在晴天温度梯度较大，阴雨天较小，受外界气温影响甚至出现负温度梯度。

4）对CRTSⅢ型无砟轨道复合板结构温度梯度与日辐射总量进行一元回归分析，建立冬季竖向温度梯度预估模型，为进一步研究不同气候条件下CRTSⅢ型无砟轨道的温度梯度提供了参考。