高速铁路轨温、梁温和环境温度的研究

徐玉坡，梁 晨，蒋金洲

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

高速铁路轨温、梁温和环境温度的研究

徐玉坡，梁 晨，蒋金洲

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

实时掌握轨温和梁温对高速铁路桥上无缝线路稳定性的影响至关重要，然而高速铁路运营期间，线路管理部门无法人工实时对轨温进行测量。针对该问题，本文介绍一种对轨温、梁温和环境温度进行长期实时监测的方法，并通过一年的监测数据详细分析轨温、梁温和环境温度三者的关系:每天最值大小的关系;每天最值出现时刻的关系;温度差值的关系及相关性分析。分析结果对保障桥上无缝线路的安全和提高维修养护水平具有一定意义。

无缝线路 长期监测 轨温 梁温 环境温度

轨温对无缝线路的稳定性至关重要，实时掌握无缝线路的钢轨温度可有效地防止胀轨和断轨的发生［1-3］。桥上无缝线路除了轨温，桥梁的温度对线路的稳定性也同样重要［4-5］。随着技术的发展，中国高速铁路里程逐年增加，桥梁无缝线路更是占了相当大的比重，京津线桥梁总长占线路全长的43.13%，郑西线桥梁总长占线路全长的68.73%，京沪线桥梁总长占线路全长的86.5%［6］。

目前，由于高速铁路在运营期间，线路管理部门无法人工实时测量钢轨和桥梁的温度，只有在开天窗时才能由工作人员用温度计对特定地点的轨温和梁温进行测量。该方式不但占用劳动力、测试数据量小，而且实时性差。虽然有些文献对轨温和气温的关系进行了介绍［7-9］，但由于当时测量方法的限制，对两者的关系无法进行深入研究。针对以上问题，本文介绍了一种对温度进行长期监测的方法，并对轨温、梁温和环境温度的关系进行详细分析。

1 温度测量方法

本文采用光纤光栅温度传感器对轨温、梁温和环境温度进行长期监测，从而得到实时的温度数据。光纤光栅温度传感器属于光纤传感器的一种，而光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。该方法具有抗电磁干扰、电绝缘性能好、耐腐蚀、体积小、重量轻和测量范围广等优点［10］。

在测试现场布置温度传感器，由采集仪对数据进行采集，并通过无线网络将数据实时传回到远程服务器，从而实现对温度的实时监测，该方法测量的温度精度为±0.1℃［6］。

轨温的测量是在钢轨轨腰两侧各安装一个温度传感器，将两者的平均值作为钢轨的温度。梁温的测量是将温度传感器埋入梁体内部。环境温度的测量是将温度传感器置于避光通风处。

2 轨温、梁温和环境温度关系分析

2.1 测量数据

本文选取的监测地点为郑西线渭河桥伸缩调节器(K1008+381)附近的无砟轨道混凝土连续梁桥上，桥上铺设双块式无砟轨道、CHN60钢轨无缝线路，以及WJ-8型扣件。该处为直线地段，设计速度350 km/h。

温度监测数据从2010年9月至2011年9月，数据采集间隔为10 min，被测温度包括轨温、梁温和环境温度。下面的分析将涉及到一天内的最高轨温、最低轨温、最高梁温、最低梁温、最高环境温度和最低环境温度。

2.2 数据分析

在对数据进行分析前，为了更直观地观察轨温、梁温和环境温度三者之间的关系，分别取夏季和冬季连续3 d的观测数据进行分析，如图1和图2所示。

由图1、图2可以看出:①无论夏季还是冬季，一天内的最高温度由大到小依次为轨温、环境温度和梁温。②无论夏季还是冬季，一天内的最低温度由大到小依次为梁温、环境温度和轨温。③一天内最高轨温、最高梁温和最高环境温度出现时刻不同，出现的顺序依次为轨温、环境温度和梁温。④一天内最低轨温、最低梁温和最低环境温度出现时刻不同，出现的顺序依次为轨温、环境温度和梁温。

2.2.1 温度最值大小分析

根据上面的分析，轨温、梁温和环境温度三者在最值大小和最值出现时刻上具有一定的关联性。首先对最值大小的关系进行分析，将一年中的数据进行整理后得到轨温、梁温和环境温度每天的最大值和最小值，如图3和4所示。

图1 夏季温度

图2 冬季温度

图3温度最大值

图3 和图4的横坐标按环境温度从小到大的顺序进行排列，轨温最值和梁温最值的顺序也相应做出调整，以保证每个横坐标数据点对应的3个温度值为同一天的最值。

图4 温度最小值

根据图3、图4和统计数据可以得出:①最高轨温大于最高环境温度的占总数的99.1%，其中84.9%高出6℃;最高环境温度大于最高梁温的占总数的92%，其中83.2%集中在0℃～6℃之间。②最低梁温大于最低环境温度的占总数的96.9%，其中61.1%集中在0℃～3℃之间，34.5%集中在3℃～6℃之间;最低环境温度大于最低轨温的占总数的96.0%，其中94.7%集中在0℃～3℃之间。③最高轨温和最高环境温度的差值普遍大于最高环境温度与最高梁温的差值，最低梁温和最低环境温度的差值普遍大于最低环境温度和最低轨温的差值。

在白天，由于阳光的照射和列车的影响，同时钢轨吸收热量的能力较强，钢轨温度普遍高于环境温度，而钢筋混凝土的热导率小于空气，所以最高环境温度普遍高于最高梁温。在晚上，由于无阳光照射，钢轨导热性能比较强，受环境影响较大(例如刮风)，往往与环境温度有一定差异，而且绝大多数是偏低于环境温度，但差值不是太大，主要集中在0℃～3℃。混凝土的热导率小于空气，受环境的影响较小，所以在低温情况下，梁温普遍高于环境温度。

为了更进一步确定轨温、梁温和环境温度的关系，下面对三者的相关性进行分析，分析对象为一年内的所有温度数据、每天的最大值、每天的最小值和每天最值差(每天的最大值与最小值之差)，结果如表1所示。

表1 轨温、梁温和环境温度相关系数

从表1可知:①环境温度与梁温相比，最小值的相关性最好，为0.99，最值差的相关性最差，为0.76。②环境温度与轨温相比，最小值的相关性最好，为1，最值差的相关性最差，为0.86。③梁温与轨温相比，最小值的相关性最好，为0.99，最值差的相关性最差，为0.50。④最小值的相关性高于其它三种类型的相关性。⑤最大值的相关性与所有数据的相关性接近。

无论是轨温还是梁温，最小值一般出现在晚上。由于晚上无列车通过和阳光照射，所以轨温和梁温主要受环境温度的影响，这三者的相关系数基本接近1。白天，轨温除了受环境温度的影响，还受到行驶列车和阳光照射的影响，温度的最大值一般出现在14:00左右。由于轨温最大值主要受到三个因素的影响，而最小值主要受一个因素的影响，所以环境温度与轨温两者之间最大值的相关性要低于最小值的相关性。同理，无论在白天还是在晚上，梁温主要受到环境温度的影响，所以，环境温度与梁温最大值的相关性与最小值的相关性基本一致，并且环境温度与梁温最大值的相关性高于环境温度与轨温最大值的相关性。

2.2.2 温度最值时刻分析

对轨温、梁温和环境温度在一天内最大值和最小值出现的时刻进行分析，温度最值出现时刻如图5和图6所示。

图5 温度最大值出现时刻

图6 温度最小值出现时刻

从图5可以看出，温度最大值出现的先后顺序依次为轨温、环境温度和梁温。轨温最大值出现时刻主要集中在14:00附近，环境温度最大值出现时刻主要集中在15:30附近，梁温最大值出现时刻主要集中在18:00附近。从图6可以看出，轨温和环境温度最小值出现时刻比较接近，而且明显早于梁温最小值出现时刻。一天中的最低温度主要分布在5:00至10:00之间，少部分出现在凌晨。无论是最大值还是最小值，梁温出现的时间都晚于轨温和环境温度。

为了更确切了解三者最值出现时刻的关系，下面对梁温与环境温度的最值时间差，以及环境温度与轨温的最值时间差进行统计分析，如图7所示。

图7 时间差分布

从图7可以看出:①环境温度与轨温最大值的时间差主要集中在60～90 min，该范围占总数的47.1%。轨温达到最大值后，环境温度在150 min内达到最大值的占到总数的88.4%。②梁温最大值出现的时间明显晚于环境温度，梁温与环境温度最大值的时间差主要集中在120～150 min，该范围占总数的41.3%。环境温度达到最大值后，梁温在180 min内达到最大值的占到总数的77.8%。③环境温度与轨温最小值出现的时间基本相同，但存在环境温度晚于轨温或轨温晚于环境温度的情况，而且两种情况出现的概率基本一致。梁温与环境温度最小值的时间差与最大值的时间差规律基本一致。

2.2.3 温度差值及拟合分析

根据上面的分析，通过一天内环境温度的最大值和最小值，可以大概推断出当天轨温的最大值和最小值，以及最值出现的时刻。然而无法通过环境温度推断出实时的轨温和梁温，对于线路管理部门，除了轨温和梁温的最值具有指导意义外，能够实时掌握轨温和梁温同样重要。

首先，求出轨温与环境温度的差值和梁温与环境温度的差值，然后对差值大小进行统计，结果如表2所示。

表2 差值分布占比

从表2可以看出，轨温、梁温和环境温度的差值主要分布在-5℃～+5℃。然而，该表只是对差值进行了统计，仍然无法确切地知道每个时刻三者温度的关系。鉴于此，本文尝试对原始数据进行拟合得到了轨温与环境温度的函数和梁温与环境温度的函数。然而，在某些时间段，由以上函数求得的轨温和梁温误差较大。

因此，下面采用分段的方式对温度数据进行拟合分析。将环境温度作为自变量，分别与轨温和梁温按每小时进行分段线性拟合，然后根据拟合函数，求出轨温和梁温的预测值及其均方根误差(RMSEP)。部分结果如表3所示。

表3 温度数据分段拟合结果

由表3可以看出:①轨温与环境温度在0:00～8:00和20:00～24:00时间段内，相关系数为1.00，RMSEP值＜1.0℃。从8:00开始相关系数逐渐减小，在12:00达到最小值0.93，此时的RMSEP值为4.4℃，然后相关系数逐渐增大，在20:00达到1.00。②梁温与环境温度在0:00～10:00和19:00～24:00时间段内，相关系数为0.99，RMSEP值＜2.0℃。从10:00开始相关系数逐渐减小，在14:00达到最小值0.97，此时的RMSEP值为2.8℃，然后相关系数逐渐增大，在19:00达到0.99。③相关系数开始有明显变化的时刻轨温要早于梁温，与轨温和梁温的最值出现时刻的顺序相同。④轨温与环境温度的相关系数变化幅度为0.07，RMSEP值变化幅度为3.7℃;梁温与环境温度的相关系数变化幅度为0.02，RMSEP值变化幅度为1.4℃。0:00～9:00和17:00～24:00时间段，轨温的RMSEP值小于梁温。

虽然梁温与环境温度的最大相关系数为0.99，低于轨温与环境温度的最大相关系数1，但全天各个时间段间的相关系数变化不大，整体的相关性要好于轨温与环境温度的相关性。采用分段拟合的方式，通过环境温度可以比较精确地计算出0:00～9:00和18:00～24:00时间段内的轨温。10:00～17:00时间段内，轨温受阳光和通过列车的影响，预测结果误差较大，但对线路的安全和维护仍然具有一定的指导意义。在全天各个时间段预测得到的梁温误差不大，误差在可接受的范围内。

3 结论

由于高速铁路运行方式的限制，线路管理部门无法人工对轨温和梁温进行实时监测，而采用采集仪对温度进行实时监测的方式，从经济效益上考虑又不是太理想。通过对郑西客运专线渭河桥地区的轨温、梁温和环境温度长达一年的监测，可以看出三者无论是数值大小，还是最值出现时刻都存在一定的关联性。通过对以上三种温度的分析，增强了对轨温和梁温的了解，对线路的安全和维护具有很好的指导意义。

［1］卢耀荣.温度力和列车动载共同作用下无缝线路稳定性试验研究［J］.中国铁道科学，1990(6):1-13.

［2］李晓光.无缝线路防胀控制因素探讨［J］.铁道建筑，2004 (10):74-75.

［3］李可宁.超长无缝线路防胀初探［J］.铁道建筑，2005(2): 28-29.

［4］童智洋.温度效应对连续曲线箱梁受力的影响［J］.铁道建筑，2008(1):4-6.

［5］孙奇.温度效应对高速铁路简支梁走行安全性影响研究［D］.北京:北京交通大学，2013.

［6］中国铁道科学研究院.高速铁路检测监测技术研究——郑西高铁桥上无缝线路、道岔和钢轨伸缩调节器状态监测技术研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2011.

［7］卢耀荣.无缝线路研究与应用［M］.2版.北京:中国铁道出版社，2010:38-47.

［8］步启军，王春敏，王惠银.混凝土梁梁体温度与位移观测分析［J］.铁道建筑，2006(4):7-8.

［9］张向民，高亮，曾志平，等.青藏铁路风火山隧道气温轨温试验及无缝线路设计［J］.北京交通大学学报，2013(6): 73-78.

［10］任亮.光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用［D］.大连:大连理工大学，2008.

Study on rail temperature，girder temperature and ambient temperature for high speed railway

XU Yupo，LIANG Chen，JIANG Jin zhou
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

It is very important to take real time control of rail temperature and girder temperature for the welded rail stability of high-speed railway bridge.During high-speed railway operation，real time rail temperature can't be manually measured by rail management department.In order to solve this problem，this paper introduced a real-time method for rail temperature，girder temperature and ambient temperature long-time monitoring and analyzed the relationship among these three kinds of temperature based on annual monitoring data，including relationship among three kinds of daily maximum and minimum temperature values，the appearance time of daily maximum and minimum temperature，temperature difference relationship and correlation analysis.The analysis result has certain significance to guarantee safety and improve maintenance of CW R on bridge.

Welded rail;Long-time monitoring;Rail temperature;Girder temperature;Ambient temperature

U238

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.28

1003-1995(2015)01-0127-05

(责任审编 赵其文)

2014-08-15;

2014-11-03

徐玉坡(1983—)，男，河北石家庄人，助理研究员，硕士。