林　超

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063）

?

持續(xù)高溫對CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場影響的試驗(yàn)研究

林超

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

摘要CRTSⅡ型板式無砟軌道將軌道板、底座板作為整體結(jié)構(gòu)縱向連續(xù)鋪設(shè)，受溫度荷載影響較大，特別是在持續(xù)高溫的天氣條件下。本文在對持續(xù)高溫定義的基礎(chǔ)上提出了CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場區(qū)域劃分的3個(gè)控制指標(biāo)，借助全國典型城市氣象資料對CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場區(qū)域進(jìn)行了劃分。通過對我國華東地區(qū)一橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場的長期監(jiān)測，獲得了持續(xù)高溫期間軌道板板溫的增大值與持續(xù)高溫天數(shù)、日最高氣溫平均值（持續(xù)高溫期間）間的關(guān)系，為完善我國現(xiàn)行規(guī)范中對CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度荷載的取值，提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞持續(xù)高溫；CRTSⅡ型板式無砟軌道；溫度場區(qū)域劃分；現(xiàn)場測試

目前，CRTSⅡ型板式無砟軌道已在京津、滬杭、京滬、京石武、合蚌、寧杭、杭甬、杭長、津秦等10余條設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h的高速線路中應(yīng)用，正線總延展里程約1萬km，主要集中分布在環(huán)境溫度較適中的華中、華東和華北地區(qū)。

CRTSⅡ型板式無砟軌道通過軌道板板端縱向鋼筋和底座板鋼板連接等措施，將軌道板、底座板作為整體結(jié)構(gòu)縱向連續(xù)鋪設(shè)。軌道縱向剛度均勻性較好，但受溫度荷載影響較大。特別是在持續(xù)高溫的天氣下，由于軌道板內(nèi)部溫度無法放散導(dǎo)致熱量積聚，致使個(gè)別薄弱區(qū)段出現(xiàn)軌道板上拱離縫現(xiàn)象［1-3］，影響線路的安全性和平順性。

目前國內(nèi)學(xué)者對CRTSⅡ型板式無砟軌道的溫度場雖有了一定的研究，但就持續(xù)高溫條件對CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場的影響研究較少［4-6］。據(jù)此，本文在CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場區(qū)域劃分研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合光纖光柵監(jiān)測技術(shù)，選擇華東地區(qū)內(nèi)的典型工點(diǎn)進(jìn)行長期監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析揭示持續(xù)高溫對無砟軌道溫度場的影響規(guī)律，為完善我國現(xiàn)行規(guī)范中對CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度荷載的取值，提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1　CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場區(qū)域劃分

1. 1持續(xù)高溫的定義

中國氣象學(xué)上一般把日最高氣溫達(dá)到或超過35℃時(shí)稱為高溫，如果連續(xù)3 d日最高氣溫在35℃以上，則達(dá)到高溫黃色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。但是氣象學(xué)上對高溫天氣的定義多是從體感舒適度方面加以考慮的，對于高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)而言，完全照搬氣象學(xué)上的定義顯然是不合適的。對于無砟軌道而言，如果日溫差過大，即使最高溫度高于35℃，無砟軌道也能在當(dāng)天完成熱溫差循環(huán)，導(dǎo)致溫度在板內(nèi)積聚現(xiàn)象不明顯。因此，借助氣象學(xué)上的定義，本文對于CRTSⅡ型板式無砟軌道的持續(xù)高溫定義為連續(xù)3 d日最高氣溫在35℃以上，同時(shí)日溫差＜10℃。

1. 2溫度場區(qū)域劃分

將最高溫度≥35℃，持續(xù)時(shí)間≥3 d和日溫差≤10℃作為CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場區(qū)域劃分的控制指標(biāo)，對1981—2014年7—8月份全國典型城市的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。表中t代表最高溫度≥35℃且持續(xù)時(shí)間≥3 d的天數(shù)占總天數(shù)的百分比，c代表日溫差＜10℃的天數(shù)占總天數(shù)的百分比。

從表1可以看出，與華東、華中地區(qū)相比，華北地區(qū)典型城市的控制指標(biāo)均較小，即受持續(xù)高溫的影響相對較小。因此，可將CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場劃分為2個(gè)區(qū)域，即寒冷地區(qū)和溫暖地區(qū)，2個(gè)區(qū)域以“秦嶺-淮河一線”為界。圖1為CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場區(qū)域示意圖。

表1　全國典型城市連續(xù)高溫天氣指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

圖1　CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場區(qū)域示意

2　現(xiàn)場試驗(yàn)

2. 1監(jiān)測工點(diǎn)

為了揭示持續(xù)高溫對CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場的影響規(guī)律，在杭長客專的金華江特大橋上（圖2）設(shè)置了無砟軌道溫度場監(jiān)測工點(diǎn)，對氣溫和無砟軌道溫度進(jìn)行長期監(jiān)測，監(jiān)測的時(shí)間為2014年5月—2015年10月。

圖2　杭長客專金華江特大橋

2. 2監(jiān)測方法

目前軌道結(jié)構(gòu)測試以電參數(shù)測試居多，雖然該技術(shù)較為成熟，但是由于受信號干擾影響大、傳感器使用壽命有限，難以滿足軌道結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測的需要［7］。

光纖傳感技術(shù)是一門新型傳感技術(shù)［8］，具有精度和靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾、使用壽命長、易于網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，可對速度、加速度、位移、溫度、振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測［9-10］。因此現(xiàn)場試驗(yàn)使用光纖傳感技術(shù)對軌道結(jié)構(gòu)溫度進(jìn)行長期監(jiān)測。

2. 3現(xiàn)場測點(diǎn)安裝

監(jiān)測的內(nèi)容主要包括氣溫和軌道板溫度。氣溫測點(diǎn)設(shè)置在橋梁擋墻外，如圖3所示。軌道板溫度測點(diǎn)設(shè)置在軌道板板中，通過在軌道板灌漿孔打孔埋入溫度傳感器，如圖4所示。

圖3　橋上溫度測點(diǎn)布置

圖4　軌道板溫度傳感器現(xiàn)場埋設(shè)

3　監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖5為金華江特大橋日軌道板板中最高溫度與日最高氣溫關(guān)系圖。從圖5可以看出，2014年的7月10日—12日、7月18日—23日、7月29日—31日和2015年的6月26日—30日、7月13日—20日、7月26日—8月6日軌道板板中的最高溫度均出現(xiàn)了峰值，而此時(shí)的日最高氣溫均超過了35℃，且持續(xù)超過了3 d，因此可斷定軌道板板中溫度峰值的出現(xiàn)與持續(xù)高溫的影響密不可分。

圖5　金華江特大橋日軌道板板中最高溫度與日最高氣溫關(guān)系

表2為持續(xù)高溫時(shí)間內(nèi)日最高氣溫與軌道板溫度關(guān)系表。表中Z = Tc- Tq。Z為持續(xù)高溫導(dǎo)致的日最高軌道板溫度與日最高氣溫差增大值（相對于非持續(xù)高溫期間日最高軌道板溫度與日最高氣溫的差值），Tc為持續(xù)高溫期間日最高軌道板溫度與日最高氣溫差值的平均值，Tq為持續(xù)高溫前日最高軌道板溫度與日最高氣溫差值的平均值。

表2　持續(xù)高溫時(shí)間內(nèi)日最高氣溫與軌道板溫度關(guān)系

通過對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了增大值（Z）與持續(xù)天數(shù)（D）和持續(xù)高溫期間日最高氣溫平均值（T）間的關(guān)系式：Z = 0. 15D + 0. 44T - 15. 9（4≤D ≤12，35≤T≤38），該公式的擬合優(yōu)度（R2）為0. 989。根據(jù)該公式計(jì)算得到金華地區(qū)日軌道板溫度增大值與持續(xù)天數(shù)和持續(xù)高溫期間日最高氣溫平均值間的關(guān)系，如表3所示。

表3　持續(xù)高溫期間日軌道板溫度增大值與日最高氣溫平均值

4　結(jié)論

本文在CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場區(qū)域劃分研究的基礎(chǔ)上，通過對金華江特大橋日軌道板板中最高溫度與日最高氣溫?cái)?shù)據(jù)的對比分析，揭示了持續(xù)高溫對CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場區(qū)域的劃分可根據(jù)以下3個(gè)控制指標(biāo)：最高溫度≥35℃，持續(xù)時(shí)間≥3 d和日溫差≤10℃。

2）全國CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度場可劃分為2個(gè)區(qū)域，即寒冷地區(qū)和溫暖地區(qū)，2個(gè)區(qū)域以“秦嶺-淮河一線”為界。

3）金華地區(qū)軌道板溫度增大值與持續(xù)天數(shù)和持續(xù)高溫期間日最高氣溫平均值間的關(guān)系為：Z = 0. 15D + 0. 44T - 15. 9（4≤D≤12，35≤T≤38）。

4）目前規(guī)范中對無砟軌道溫度荷載的取值并未考慮持續(xù)高溫的影響，而現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明持續(xù)高溫會使軌道板板溫進(jìn)一步增大，建議在CRTSⅡ型軌道板溫度荷載取值時(shí)疊加上持續(xù)高溫導(dǎo)致的增量值。

鑒于我國幅員廣闊，各個(gè)地區(qū)高溫持續(xù)的天數(shù)和最高溫度均不同，因此下一步有必要針對全國典型城市進(jìn)行無砟軌道溫度長期監(jiān)測，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法得到各地區(qū)持續(xù)高溫影響下的CRTSⅡ型軌道板溫度荷載增量值。

參考文獻(xiàn)

［1］易忠來，李化建，溫浩，等. CRTSⅡ型板式無砟軌道充填層離縫修復(fù)技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2015（1）：102-106.

［2］苗雨. CRTSⅡ型板式無砟軌道高溫脹板病害研究與整治［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2011（34）：37-39.

［3］楊明華.橋上縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度翹曲變形及整治［J］.中國鐵路，2010（10）：78-81.

［4］李東昇，董亮，姜子清，等.橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度荷載特征試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2015（9）：106-110.

［5］吳建賢.橋上CRTSⅡ型無砟軌道結(jié)構(gòu)特征及溫度測試技術(shù)［J］.中外建筑，2015（3）：138-140.

［6］蔡小培，高亮，林超，等.京滬高速鐵路高架站軌道系統(tǒng)長期監(jiān)測技術(shù)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2015（5）：35-41.

［7］潘建軍.光纖光柵軌道狀態(tài)監(jiān)測的研究與應(yīng)用［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［8］廖延彪.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［9］范典.光纖傳感在鐵路安全監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（17）：25-26.

［10］FILOGRANO M L，CORREDERA P G，RODRíGUEZ-PLAZA M. Real-Time Monitoring of Railway Traffic Using Fiber Bragg Grating Sensors［J］. IEEE Sensors Journal，2012，12（1）：85-92.

（責(zé)任審編孟慶伶）

Experimental Study on Influence of Sustained High Temperature on Temperature Field of CRTSⅡSlab-type Ballastless Track

LIN Chao
（China Railway Siyuan Survey and Design Croup Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

AbstractCRT SⅡslab-type ballastless track takes the track slab and bed slab as the overall structure which are laid longitudinally and continuously and is greatly influenced by the temperature load，especially in the sustained high temperature weather. Based on the definition of the sustained high temperature，this paper put forward three control indexes for the temperature field region division of CRT SⅡslab-type ballastless track and temperature field region was divided through the meteorological data of typical cities in China. T hrough the long-term monitoring for temperature field of CRT SⅡslab-type ballastless track on one bridge in East China，this paper got the relationship among the increased value of track slab temperature，sustained high temperature days and the average daily maximum temperature during sustained high temperature period，which could provide a experimental basis and data supporting for the temperature load value of CRT SⅡslab-type ballastless track in existing specification of our country.

Key wordsSustained high temperature；CRT SⅡslab-type ballastless track；Region division of temperature field；Field test

中圖分類號U213. 2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 04

文章編號：1003-1995（2016）05-0015-04

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-03-18

基金項(xiàng)目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡介：林超（1989—），男，助理工程師，碩士。