高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道快速升降温模型试验研究

周凌宇，赵 磊，张广潮，魏天宇，曾一回，彭秀生

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410000)

温度变化是无砟轨道结构产生离缝[1]、翘曲[2]、纵向屈曲[3]和轨道不平顺[4]等的最主要因素之一，温度分布对轨道系统温度作用效应影响较大[5-11]。近年来对CRTSⅡ型无砟轨道结构温度场的研究[12-13]逐渐增多，部分研究专注于路基和轨道板[14-15]，关于高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道结构温度场的研究则较少，且主要集中于周期性气候条件下的理论解[16-17]。此外，现有关于无砟轨道温度场分布的研究方法主要为基于有限元计算的理论分析法和基于现场监测的统计分析法，较少采用模型试验方法。文献[18]基于有限元软件，建立无砟轨道温度场热力学分析模型，研究不同气候条件下无砟轨道的竖向温度分布，由于数值模型中缺少确切的水泥乳化沥青砂浆热力学参数，未能形成对CRTSⅡ型无砟轨道整体温度分布的全面了解。文献[16-17]基于CRTSⅡ型无砟轨道现场日温度变化监测数据统计，用指数形式拟合了轨道结构平均竖向温差分布，得到超高段无砟轨道横向温度分布的日变化规律，但由于缺少水泥乳化沥青砂浆层温度测点，未能完整描述桥上CRTSⅡ型轨道系统横、竖向温度分布规律。

综上所述，现阶段对无砟轨道温度场的研究并无系统深入地控制温度升降的模型试验方法；对CRTSⅡ型无砟轨道温度分布的研究也较少关注水泥乳化沥青砂浆的影响，对其在非周期性气候类极端高温快速升降条件下的横、竖向温度场分布规律的研究非常缺乏；此外，我国规范也尚未对高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道温度场分布形式做出规定。

基于此，本文以高速铁路CRTSⅡ型无砟轨道-预应力简支箱梁桥缩尺模型为研究对象，在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室开展高温快速升降试验，利用密集布置的温度传感系统，深入研究无砟轨道横、竖向温度场分布规律，为高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道温度作用效应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CRTSⅡ型无砟轨道-桥梁结构体系原型梁采用我国计算跨径31.5 m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CRTSⅡ型板式无砟轨道系统两部分构成。轨道系统由钢轨、弹性扣件、轨道板、水泥乳化沥青砂浆(以下简称CA砂浆)填充层、底座板、滑动层、高强度挤塑板、侧向挡块、台后锚固结构等组成。根据形状相似原则制作1/4缩尺试验模型，总体立面见图1。

图1 试验模型总体立面图(单位:mm)

考虑到CA砂浆灌注施工及传感器布设，CA砂浆层厚度设计与原型梁相同。底座板与箱梁之间的滑动层由两层土工布和一层土工膜构成(两布一膜)。试验模型所用材料均与原型梁一致。结构体系试验模型横截面尺寸构造见图2。

图2 试验模型横截面图(单位:mm)

1.2 模型梁主要材料参数

梁体、轨道板及轨道板宽接缝混凝土均为C50，底座板混凝土为C30。CA砂浆材料实测强度及弹性模量等满足要求，配合比如表1所示。

表1 CA砂浆配合比 g/L

1.3 温度试验装置及加载制度

1.3.1 试验装置

为准确模拟CRTSⅡ型板式无砟轨道系统升、降温环境，设计了一套加热装置和一套温度控制系统。加热装置主要由角钢支架、红外线加热灯管等构成，单根红外线加热灯管长1.2 m，额定功率1.2 kW。沿试验段桥面纵向对称布置8个角钢支架，满布于整个桥面，每个角钢支架纵向1.2 m，横向2.5 m，竖向比轨道板顶面高出0.2 m；每一角钢支架上均匀布置6根灯管，见图3(a)。加热装置外围用锡箔纸和硅酸铝纤维毯覆盖保温，可使轨道板上表面升温至60 ℃以上，见图3(b)。

图3 温度试验装置

温度控制系统主要由温度感应器、温度控制箱组成；温度感应器布置于加热装置下的轨道板上表面，将温度信号传入温度控制箱，在设定最高加热温度后，控制箱通过自动开、断电功能智能控制加热装置的灯管，从而达到升温和恒温控制目的，恒温控制精度为±1 ℃。

1.3.2 测点布置及数据采集

在跨中无砟轨道各层正中和上、下表面埋设JMT-36B型半导体温度传感器，沿竖向共7层，见图4。层间传感器数据同时为上层的底面温度和下层的顶面温度，数据使用JMZX-3001综合测试仪采集，温度测试精度±0.1 ℃。

图4 温度传感器布置(单位：mm)

1.3.3 温度加载制度

文献[19]根据近50年大气温度的统计分析，得到高速铁路桥梁无砟轨道结构极端温度最高可达到57.77 ℃；此外，文献[20]中，中央气象局统计的我国冬季与夏季温差最大地区的年平均温差达50 ℃。综合以上考虑，本次温度试验设定最高温度为58 ℃，初始时刻与终止时刻的温差设定为50 ℃。即从初始8 ℃加热至58 ℃，达到最高温度后，温控系统自动进行恒温控制，温度保持(58±1)℃，恒温一段时间，使轨道系统各层温度得到一定程度的整体上升，随后关闭加热系统，模拟自然降温；以快速升降温的方式，模拟最不利情况下高温天气温度升降作用的均匀温度场。

2 轨道系统竖向温度分布及规律

2.1 全过程温度-时间曲线

温度试验正值冬季，轨道系统各层初始温度均为(8±1)℃，升温持续185 min，自然降温105 min，试验全过程共持续290 min，温度变化见图5。

图5 全过程温度-时间曲线

图5显示：轨道板顶面升温最快，最高温度达到58.2 ℃，升温初、终时刻温差达50.2 ℃。自然降温阶段，轨道板顶面降温最快，试验结束时降至33.1 ℃；轨道板竖向温度-时间曲线出现交叉，产生负温度梯度。试验全过程轨道系统各层温度变化趋势相同，CA砂浆上层与中层曲线间隔明显，层内温差较大；层间温度传递存在滞后现象，距离轨道系统上表面越远，滞后越明显，底座板底面滞后最显著。

2.2 竖向温差及温度梯度变化规律

为得到受温度影响的最不利结构层，对轨道系统各层内部温差进行分析比较，见图6(a)。结果表明：轨道板内部最大竖向温差为12.7 ℃，自然降温时出现负温差，最大值-3.3 ℃；底座板内部竖向温差小且变化曲线平缓，最大竖向温差仅为4 ℃；CA砂浆层内部最大竖向温差均大于其他层，最大值达20.9 ℃，是温度作用最不利结构层。

图6 竖向温差及温度梯度变化曲线

为了分析轨道系统各结构层中部之间最不利温度梯度的发生位置，进一步比较层间温度梯度变化，见图6(b)。结果显示：温度试验全过程CA砂浆层与底座板间竖向温度梯度最大值为1.73 ℃/cm；轨道板与CA砂浆层间温度梯度最大值达4.5 ℃/cm，最不利温度梯度发生于轨道板与CA砂浆层间；可以推测，轨道板与CA砂浆层间是CRTSⅡ型无砟轨道最容易产生剥离、滑移和离缝的结构部位。

2.3 竖向温度分布及温差分布

2.3.1 竖向温度分布

为准确描述CRTSⅡ型无砟轨道竖向温度分布，将全过程试验竖向温度分布按升温阶段和自然降温阶段分析，见图7。

由图7(a)可知，初始时刻(0 min)，无砟轨道各层温度大致相等，并有竖向三阶段分布趋势，升温开始后轨道系统整体竖向温度分布呈三段式阶梯形；不同层内竖向温度分布均呈非线性；在距离轨道板顶面50～80 mm的CA砂浆层温度-时间曲线较平缓，表明CA砂浆层具有隔热效应，能够阻止热量自上而下传递。

图7 轨道系统竖向温度分布曲线图

自然降温阶段竖向温度分布与升温阶段形式一致，仍为三段式阶梯形，见图7(b)；由于CA砂浆层自然降温缓慢，对底座板形成保温效应，因此，在轨道板降温时，CA砂浆层使底座板保持升温一段时间；随着降温的持续，轨道系统上部温度逐渐小于中部温度，轨道板出现负温差。

为表达轨道系统竖向各层温度分布形式，将图7(a)中具有代表性的温升最高时刻(185 min)的竖向温度分布曲线，按三阶段用最小二乘法进行二次多项式拟合，结果相关系数为1，可靠度较高。进一步将本文温升最高时刻(185 min)的竖向温度分布曲线同文献[18]中长沙地区纵连板式无砟轨道竖向正温度荷载模式进行对比，结果见图8。

图8 竖向温度分布对比

结果表明：文献[18]曲线最低温度为37.7 ℃，最高温度48 ℃；本文曲线最低温度23 ℃，最高温度58.2 ℃；本文三段式阶梯形温度分布与文献的指数型分布差异较大，主要原因：一方面，文献[18]的数值模型缺少CA砂浆热力学参数，未考虑CA砂浆层对竖向温度分布的影响；另一方面，本文试验模拟无砟轨道所能达到的极限高温，因此升温前后温度变化范围远大于文献[18]的日常温度模式。此外，分析结果进一步表明：CA砂浆与混凝土热传导性能具有较大差异是产生CRTSⅡ型无砟轨道三段式阶梯形温度分布的重要原因，也是CRTSⅡ型无砟轨道竖向温度分布不同于其他类型无砟轨道的主要因素；同时，本文温度曲线在CA砂浆层出现较大跨越，致使上层轨道板与下层底座板之间的温差异常显著，这一异常显著的大温差将导致轨道系统层间离缝的产生，因此，在CRTSⅡ型无砟轨道温度效应设计和研究中应重视CA砂浆层的影响。

2.3.2 竖向温差分布

将全过程温度试验竖向温差分布按升温阶段和自然降温阶段分析，见图9。

图9 轨道系统竖向温差分布曲线图

由图9(a)显示：CRTSⅡ型无砟轨道竖向温差呈三段式阶梯形；升温过程中轨道系统顶、底面温差最高达36.0 ℃；在距离顶面50～80 mm之间的CA砂浆层曲线平缓，温度梯度显著。

图9(b)可知：自然降温阶段竖向温差仍然呈三段式阶梯形，中部CA砂浆层温差变化显著；随着降温的持续，轨道系统中部温差逐渐大于上部，且温差分布曲线逐步趋向于同升温初始时刻一致。

进一步，将本文温升最高时刻(185 min)竖向温差分布曲线同文献[11]CRTSⅠ型双块式无砟轨道正温差分布及文献[17]CRTSⅡ型无砟轨道晴天竖向正温差曲线做对比分析，见图10。

图10 竖向温差分布对比

结果表明，文献[11]曲线最大温差为11.5 ℃，文献[17]曲线最大温差为10.5 ℃，本文曲线最大温差为35.2 ℃；图10中两参考文献给出的温差分布曲线均为指数型，温差分布数据较为近似，表明在常温条件下，文献给出的CRTSⅡ型无砟轨道竖向温差分布形式与CRTSⅠ型双块式无砟轨道近似。此外，本文竖向三段式阶梯形温差分布与文献[17]指数型分布不同，主要原因：一方面为文献[17]竖向测点布置密度小于本文，未在CA砂浆层布置温度测点，从而缺少CA砂浆层温度数据，且由于文献[17]研究对象为超高段无砟轨道，测点布置的均匀性不足，因此未形成轨道系统完整的竖向温差分布；另一方面，由于文献研究条件为现场长期缓慢的日常周期性监测，温度升降较小，持续时间长，各层热量传递较为充分，因此可获得连续的指数型温差分布，而本文为短期高温升降，热量传递时间短，层间温度未及时传导也可能是温差分布呈现三段式阶梯形的原因；此外，由于本文试验对象为1/4缩尺模型，轨道板和底座板厚度小于实尺无砟轨道，这也是模型轨道系统的温度和温差分布呈非常显著的三段式阶梯形的重要因素。

试验全过程竖向温度场分布结果共同表明：由于CA砂浆层具有比混凝土更显著的隔热、保温性能，会对热量传递产生阻碍，造成层间温度差进一步增大，故与其他类型无砟轨道相比，CRTSⅡ型无砟轨道层间温度荷载模式更为复杂。因此，在研究CRTSⅡ型无砟轨道温度作用效应时应重点关注CA砂浆层的影响，同时设计规范也应对CRTSⅡ型无砟轨道竖向温度场分布形式做专项规定。

3 轨道系统横向温度分布及规律

3.1 横向温度分布

为研究CRTSⅡ型无砟轨道横向温度分布，将试验中升温阶段终点(185 min)和自然降温阶段终点(290 min)的横向温度分布列出，见图11。轨道系统外部均匀受热，因此轨道系统两侧温度基本相同。

图11 轨道系统横向温度分布曲线图

图11(a)结果表明：升温阶段，轨道板顶面中间温度略高于边缘，但中、底层中间温度与边缘温度基本一致；CA砂浆的中层和底层中间温度小于边缘，横向温度分布呈凹形抛物线形，最大负温差达-4.4 ℃(中间温度大于边缘时温差为正，反之为负，下同)；底座板中层和下层中间温度与边缘基本一致。

图11(b)结果表明：自然降温阶段，轨道系统各层中间温度均高于边缘，横向温度分布呈凸形抛物线形，产生横向正温差；轨道板横向最大正温差为1.5 ℃，CA砂浆层为1.1 ℃，底座板为5.5 ℃；底座板横向温度梯度最为显著。

图11(c)结果表明：升温阶段，横截面等温线总体呈上凸形，唯有轨道板上部等温线略微下凹，表明该阶段轨道板横截面上部的中间温度略高于边缘，而轨道系统其他部位的中间温度略低于边缘；升温阶段整体上表现为由外向内逐步传热、逐步升温。

图11(d)结果表明：自然降温阶段，轨道系统横截面等温线围绕轨道板中下部位呈环绕形，轨道板底面(CA砂浆顶面)以上部位的等温线上凸，而轨道板底面以下部位的等温线则下凹，表明该阶段轨道系统的横向温度均为中间高于边缘，降温时轨道系统横向最高温度的核心部位为轨道板中下部的中间；自然降温阶段整体上表现为由内向外逐步散热、逐步降温。

结合竖向温度分布规律分析得到：由于CA砂浆具有隔热、保温性能，温度在CA砂浆层竖向传递受阻，热量难以向CA砂浆中、下部传导，因此，升温阶段CA砂浆层外部温度高于内部温度，使横向温度分布呈凸形抛物线形。而在自然降温末段，已经充分吸热升温的CA砂浆层内部热量难以向外部传导，从而对轨道板和底座板中部形成持续供热和保温效应，因此，轨道系统各层中间温度均高于边缘，使横向温度分布呈凸形抛物线形；此外，由于箱梁阻隔了底座板中间的热量散失，从而在降温段底座板中间温度大大高于边缘，使得底座板横向温度梯度显著地高于其他层。总体而言，CA砂浆层的影响是桥上CRTSⅡ型无砟轨道横向温度分布具有上述特点的最主要因素。

3.2 横向温差变化规律

为全面描述轨道系统横向温差的全过程试验变化规律，进一步对轨道系统各层横向温差进行分析比较，见图12。

图12 轨道系统横向温差变化曲线

全过程试验结果表明：轨道板主要受横向正温差作用，最大值为4.5 ℃，产生于轨道板下部，温差先增大后减小，最后逐渐趋于0。CA砂浆层主要受横向负温差作用，最大值达-4.4 ℃，产生于CA砂浆层下部(底座板上部)，负温差绝对值先增大后减小，降温后期出现较小的正温差，最后逐渐趋于0。底座板在升温阶段主要受横向负温差作用，呈先增大后减小趋势，最大值为-4.0 ℃，产生于底座板中部；降温阶段主要受横向正温差作用，产生于底座板中部，最大值达到5.5 ℃，并有逐渐增大趋势。

横向温差变化规律分析结果进一步表明：升温过程中，轨道系统上部轨道板主要受正温差作用，而下部的CA砂浆和底座板结构层则主要受负温差作用，因此，在轨道板与CA砂浆接触的界面处温度效应将极其显著，可以推测升温时CRTSⅡ型无砟轨道层间滑移等形态将主要发生在该界面。降温末期，底座板内横向温差非常显著，此时CA砂浆层与底座板界面受温度效应影响很大。

3.3 横、竖向温度三维分布

为完整描述高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道横、竖向温度分布，取升温阶段终点(185 min)和降温阶段终点(290 min)为代表时刻，将轨道系统沿横向宽度、竖向深度(与顶面距离)和温度整理为三维分布曲面，见图13。

图13 轨道系统横、竖向温度三维分布曲面图

图13(a)完整地呈现了CRTSⅡ型无砟轨道升温阶段横、竖向温度分布情况，表明轨道系统竖向整体温度分布呈三段式阶梯形曲面；该阶段横向温差量级与竖向相比较小，三维分布曲面较为平坦。

图13(b)表明：降温阶段轨道系统横、竖向温度三维分布仍然呈三段式阶梯形曲面；但由于自然降温时横向温度分布的凸形抛物线形较显著，轨道系统下部横、竖向温度三维分布呈马鞍形曲面，而上部轨道板横、竖向温度三维分布则出现转折，呈鸭舌形曲面。说明自然降温阶段，横向温度变化与竖向温度变化处于同一数量级，此时横向温度分布对CRTSⅡ型无砟轨道整体温度分布影响较大。

4 结论

通过对高速铁路桥上CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道1/4缩尺模型的温度场分布规律进行试验研究，得到以下主要结论：

(1)试验温度从初始8 ℃到58.2 ℃，升温跨度达50.2 ℃，持续升温185 min；降温阶段持续105 min，轨道板最终温度降至33.1 ℃；试验全过程轨道系统最大温差达36.0 ℃，正确模拟了高温快速升降。

(2)CA砂浆层具有隔热、保温效应，试验中该层最大竖向温差达20.9 ℃，温度梯度显著，是温度作用下轨道系统最不利结构层。轨道系统竖向负温差主要产生于轨道板，最大值-3.3 ℃。此外，轨道板与CA砂浆层间竖向温度梯度最高达4.5 ℃/cm，远高于其他层间梯度，是轨道系统最容易产生剥离、滑移和离缝的结构部位。

(3)升温时CRTSⅡ型无砟轨道竖向为正温差，降温时轨道板出现负温差。轨道系统整体竖向温度分布呈三段式阶梯形；竖向温差分布仍然呈三段式阶梯形；现行规范宜对CRTSⅡ型无砟轨道在温度作用下的竖向温度或温差分布形式做进一步规定。

(4)CA砂浆与混凝土热量传导性能存在较大差异，是CRTSⅡ型无砟轨道高温条件下竖向温度分布不同于其他类型无砟轨道的主要因素，因此，在研究高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道温度作用效应时，应重点关注CA砂浆层的影响。

(5)CRTSⅡ型无砟轨道各层横向温度二维分布呈抛物线形；升温时横向温度分布呈凹形抛物线形，降温时呈凸形抛物线形；横向正温差最大值为5.5 ℃，负温差最大值为-4.4 ℃；CA砂浆层是影响CRTSⅡ型无砟轨道横向温度分布的最主要因素。

(6)高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道横、竖向温度三维分布呈三段式阶梯形曲面；降温时轨道系统下部横、竖向温度三维分布呈马鞍形曲面，上部轨道板横、竖向分布呈鸭舌形曲面。