基于气象资料的CRTSⅢ型无砟轨道温度场特性研究

为研究无砟轨道温度场分布规律,基于气象学和传热学原理,建立CRTSⅢ型无砟轨道温度场瞬态分析模型。以实测轨道内部的温度数据验证模型有效性,在此基础上研究轨道结构温度场分布规律,并探讨风速和太阳辐射强度对轨道板内部温度变化的影响。结果表明:轨道结构温度沿竖向呈非线性分布,且随着深度的增加,温度变化幅度逐渐减小;横向温度分布随昼夜交替呈现周期性变化,在0.4～2.1 m存在温度平稳区。太阳辐射强度和轨道表面温度以日为单位呈周期性变化,轨道表面最大温度较太阳辐射峰值滞后约1 h。风速对无砟轨道表面以下10 cm范围的温度梯度影响较大,超过此范围的影响较小可忽略不计。有限元分析结果与实测数据基本吻合,研究结论可为CRTSⅢ无砟轨道温度场特性研究提供依据。     

无砟轨道温度场计算及持续高温天气影响分析

为研究持续高温天气下无砟轨道温度特性,分析了无砟轨道与大气环境的换热机理并考虑地温影响,推导基于气温、太阳辐射及风速的无砟轨道温度场计算公式。开展无砟轨道温度试验,验证公式准确性,利用该公式计算了2013年杭州地区持续高温天气下无砟轨道温度。结果表明:根据实测气象资料能够准确算得当地无砟轨道温度场;持续高温天气下,地温达到42℃,无砟轨道最大正温度梯度达到100℃/m,道床板中部日平均温度能够达到47.5℃,比平均气温高约15℃;持续高温天气期间,较强的太阳辐射和较高的日平均气温是导致无砟轨道整体温度升高的主要原因。     

基于气象资料的无砟轨道温度场计算与分析

为研究大气环境下高速铁路无砟轨道结构温度分布和温度场变化规律,建立利用气象数据资料描述环境因素的边界条件,以求解无砟轨道结构温度场热传导方程。利用京沪高速铁路CRTS-Ⅱ型轨道板现场实测的温度分布数据,验证本文用于轨道结构温度场的计算公式,分析气象数据资料变化引起的轨道结构温度分布和温度场变化规律。对比结果表明,本文推导得到的计算公式能够准确、有效的用于无砟轨道结构温度场的计算。京沪高速铁路无砟轨道结构现场实测和计算的结果表明:其夏季最大正温度梯度在12:00~14:00左右,最大负温度梯度在3:00~5:00左右。影响因素分析表明太阳辐射、风速和气温变化是影响轨道结构内部温度分布状况的主要因素。     

桥上CRTSⅡ型板式轨道结构竖向温度场预估模型

将桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构视为多层层状体系,基于传热学基本原理,考虑模型边界条件,建立轨道结构温度场分析模型,以日照时长、日辐射总量、日平均气温和日温差为自变量,回归分析提出轨道结构竖向温度分布预估模型,研究桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的竖向温度场分布。研究结果表明:利用理论模型计算得到的轨道结构温度场分布与实测结果对比具有较好一致性;将各环境因素视为独立变量,轨道结构表面温度最值、轨道板温差随日照时长、日辐射总量、日平均气温、日温差成线性变化,轨道结构内部温度在当表面温度取最值时随深度成3次曲线线形变化;根据预估模型所得的轨道板表面温度最值、轨道板温差、轨道结构竖向温度预估值与实测值、理论值误差小于2%;利用温度场预估模型可根据气象数据快速计算得到轨道结构竖向温度分布,可为精确计算轨道结构温度效应提供参考。     

圆曲线段无砟轨道横竖向温度梯度研究

研究目的:为得到设有超高的无砟轨道温度场分布的时变规律,建立无砟轨道横竖向温度梯度荷载模式,在某客运专线圆曲线段上CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道中埋设温度传感器对其温度场进行了长期连续观测。研究结论:(1)无砟轨道昼夜温度变化较大,表面最高日温差可达24.7℃,平均日温差达19.0℃;(2)随着距表面深度的增加,无砟轨道温度变化幅值逐渐减小,峰值出现时间不断滞后;(3)底座板底面最大日温差为6.1℃,平均为5.0℃;(4)纵连板式无砟轨道的竖向温度梯度可拟合为指数曲线,与铁路桥梁设计规范规定的箱梁竖向温度梯度分布在形状上较为符合;(5)纵连板式无砟轨道横向温度梯度分为轨道板和底座板两类,轨道板横向温度梯度可采用二次函数拟合回归,底座板横向梯度可采用线性分段函数拟合;(6)研究成果可为我国中部地区高速铁路设计温度荷载模式提供指导作用。     

无砟轨道轨道板温度测量与温度应力分析

研究目的:针对秦沈线和遂渝线无砟轨道板存在的问题,对轨道板温度进行全天的测量,总结轨道板温度的变化规律,研究温度对轨道板的影响,根据温度测量结果,进行温度翘曲应力的仿真分析,为板式无砟轨道的结构设计提供参考.研究结论:通过对轨道板进行的温度测量,得出轨道板上表面和底面最高温度较当地最高气温分别高出16 ℃和3 ℃左右,轨道板上下表面的最大温差为10～13 ℃,轨道板侧面的温度梯度接近0.5 ℃/cm的线性变化.通过建立轨道板温度翘曲应力的计算分析模型,得出框架轨道板较普通轨道板发生更小的翘曲位移和翘曲应力;普通轨道板的最大翘曲位移为0.82 mm,框架轨道板为0.61 mm;普通轨道板的最大翘曲纵向应力为1.81 MPa,框架轨道板为1.51 MPa;普通轨道板的最大翘曲横向应力为0.75 MPa,框架轨道板为0.58 MPa.     

CRTSⅢ型无砟轨道冬季温度场特性

为研究CRTSⅢ型无砟轨道温度场分布规律,在昌赣客运专线外进行足尺无砟轨道板温度场监测,基于统计学原理分析冬季轨道结构温度变化规律并提出适合CRTSⅢ型无砟轨道的竖向温度梯度预估模型.研究结果表明:CRTSⅢ型无砟轨道结构温度场受外界环境影响较大,其中轨道板顶面温度变化最为明显,沿深度方向各结构层温度峰值有明显的滞后现象;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;日太阳辐射总量和最大温度梯度具有较好的相关性,据此建立了冬季日最大温度梯度经验回归公式,可为不同气候条件下的CRTSⅢ型无砟轨道的温度梯度研究提供参考.     

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道温度梯度试验研究

根据现场监测数据,对高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道复合轨道板温度梯度变化规律、温度梯度与太阳日辐射强度、日最高气温等环境因素的相关性进行了统计分析。研究结果表明:复合轨道板最大正、负温度梯度分别为0.69,0.35℃/cm;日最大正温度梯度一般出现在14:00—15:00,日最大负温度梯度一般出现在5:00—8:00;春夏季复合轨道板的温度梯度较其他季节大;复合轨道板正、负温度梯度均呈非线性分布,10:00—12:00非线性分布特性更为显著;日最大正温度梯度与日太阳辐射总量、日最高气温相关性较好,可根据本文获得的回归方程推测不同地区复合轨道板的日最大正温度梯度。     

东北极端低温条件下板式无砟轨道温度场特性

基于环境监测资料和热力学基础理论,建立CRTSⅠ型板式无砟轨道三维瞬态温度场模型,分析哈尔滨地区冬季极端低温气象条件下无砟轨道温度场分布规律和影响因素,确定东北严寒地区无砟轨道性能分析的温度参数。结果表明：无砟轨道温度场分布的影响因素包括极端气温、轨道板吸收率、风速等;无砟轨道内温度变化滞后于环境温度,轨道板板顶及板边的日温度变化幅度较大;沿轨道板板顶向下,温度场呈非线性变化,温度波动幅值不断缩小;轨道板吸收率越大,则板顶温度及温度梯度越高;风速越大,板顶温度越低,轨道板内正温度梯度越小,负温度梯度越大;建议东北极端低温条件下轨道板的温度参数取正温度梯度75℃/m,负温度梯度-25℃/m。     

高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道快速升降温模型试验研究

为深入系统研究高速铁路桥上CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道温度场分布规律,制作无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁1/4缩尺试验模型,通过开展快速升降温试验,分析CRTSⅡ型无砟轨道二维温度场分布规律,提出轨道系统横、竖向温度三维分布形式。研究结果表明:高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道竖向温度及温差分布呈三段式阶梯形;横向温度分布呈抛物线形;CA砂浆层是影响轨道系统横、竖向温度场分布的最主要因素;轨道系统竖向负温差主要产生于轨道板;轨道板与CA砂浆层间竖向温度梯度最为显著,最高达4.5℃/cm;横向最大负温差为-4.4℃,最大正温差为5.5℃,分别产生于底座板上部和中部;轨道系统横、竖向温度三维分布呈三段式阶梯形曲面。研究结果可为高速铁路桥上CRTSⅡ型无砟轨道温度效应设计和研究提供参考。     

低速磁浮轨道梁的温度效应分析

建立低速磁浮轨道梁有限元模型,通过稳态热传导分析,获得上下表面温差和左右侧面温差荷载作用下轨道梁的温度场,运用热-结构耦合分析方法,计算了不同温差荷载作用下磁浮轨道梁的温度变形。计算结果表明,磁浮轨道梁的温度沿温差荷载作用方向近似线性分布,温度梯度随温差值增加而增大;在本文计算条件下,环境温度对轨道梁的温度变形影响较小,当温差荷载大于20℃时,温度引起的磁浮轨道梁竖向或横向挠度超过高速磁浮交通相关规定限值,故实际工程应用中有必要对低速磁浮轨道梁的温度效应进行校核分析。     

公铁两用钢桁梁温度场边界条件及分布研究

以沪苏通长江公铁大桥主航道桥为工程背景，基于该桥梁结构健康监测系统运营期极端高温和低温的现场实测数据，对既有温度场边界条件进行修正，并运用有限元软件ANSYS对钢桁梁结构温度场时空分布进行研究。结果表明：桥梁结构温度场受结构的形式、尺寸和材料特性，桥梁的轴线方向和经纬度，风速风向及大气温度等因素的共同影响；在进行其温度场边界条件计算时，太阳直接辐射计算应考虑钢桁梁结构遮蔽影响，对流换热计算应考虑钢桁梁结构中存在双面对流换热现象及风速折减，辐射换热计算应考虑结构表面倾角、流体温度和桥梁结构温度及二者温差的影响；因结构材料导热特性存在差异，钢桁梁温度场分布在时间和空间上分别具有时滞性和横（竖）向差异性，桥梁钢结构和沥青桥面分别约在14:00和15:00达到自身最高温度，且在15:00各结构之间温差较大，最高可达18.4℃；公路桥面、铁路桥面顶板和底板、中间横联与其连接的腹杆连接点是温度差异显著部位。     

局部接触对制动盘温度及摩擦性能的影响

将摩擦块设计为2侧接触和中间接触2种接触形式,利用轨道列车缩比惯性制动试验台,分别在制动压力为0.50,0.75和1.00 MPa,制动速度为50,80,120,160和200 km·h~(-1)条件下,研究局部接触形式对制动盘表面温度和摩擦性能的影响,并与全接触形式对比。结果表明:局部接触的位置对盘面温度和摩擦系数的影响明显;在制动速度为200 km·h~(-1)、制动压力为1.00 MPa工况下,局部接触导致摩擦系数降低约10%左右;相对于全接触,中间接触时盘面峰值温度升高约31%、最大温差增大约37%,2侧接触时盘面峰值温度下降约11%、最大温差减小约68%。其原因在于中间接触时接触区域与盘面高能量区重合,起到了加剧温度集中程度的作用,而2侧接触时接触区域偏离高能量区,有助于改善盘面温度的均匀性。     

温度对板式无砟轨道结构的影响研究

研究目的:基于传热学的基本理论,采用有限元分析法,利用大型商业软件ABAQUS对板式无砟轨道结构在温度作用下的影响进行仿真计算,分析不同基础支撑形式及不同轨道板宽度和厚度对无砟轨道结构温度效应的影响,探讨温度变化对板式无砟轨道结构的影响规律,为无砟轨道的结构设计提供依据. 研究结论:(1) 温差变化和结构变形并非呈现简单的线性关系,而是温度越高,变形的变化幅度越大.(2) 刚性基础支撑下由于温差而引起的轨道板的温度应力远大于弹性支撑下轨道板的温度应力,但是刚性基础支撑下由于温差而引起的轨道板的最大竖向位移差则小于弹性支撑下轨道板中的情况.(3) 在相同的板厚温度梯度条件下,轨道板的变形量随板厚的增加而增大,随板宽的增大而增大.     

极端温度作用下桥上CRTSⅡ型无砟轨道受力特性

为研究极端温度作用下高速铁路简支梁桥与CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道相互作用,以5～32 m简支梁为例,建立考虑钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板、滑动层、摩擦板、端刺,以及梁体、墩台等构件的桥上CRTSⅡ型无砟轨道系统精细化仿真模型,研究高温和严寒等极端温度条件下系统的受力与变形特征,探讨不同轨道伸缩刚度、滑动层摩擦因数和砂浆黏结力对系统受力与变形的影响.研究结果表明:在高温条件下,轨道板代替钢轨承受了更多伸缩力,轨道板轴向力最大值出现在主端刺处,易导致上拱破坏;正温度梯度作用下,轨道板上、下表面最大纵向应力差达10.1MPa,将引起翘曲变形导致端部砂浆层脱黏;在极寒条件下,轨道板最大纵向拉力出现在右端刺处,最大值达3.9 MPa,轨道板易发生断裂;底座板初始裂缝对轨道板及底座板的受力分布与变形产生不利影响;滑动层可有效减小梁轨之间的相互作用,适当增大砂浆黏结力有利于减小轨道板-底座板离缝和砂浆脱黏等病害的发生几率.     

持续高温作用下CRTSⅡ型无砟轨道层间离缝分析

在夏季持续高温天气下,CRTSⅡ型板式无砟轨道由于温度梯度的持续作用,轨道板与砂浆层之间易产生层间离缝。基于现场气温与轨道板温度梯度实测数据,采用有限元建模计算分析持续正温度梯度作用下轨道板与砂浆层间离缝产生和发展的特征。研究结果表明:持续高温天气期间,轨道板温度整体高于气温,且温度力作用过程中正温度梯度虽未超过规范规定的轨道板设计正温度梯度90℃/m,但轨道板与砂浆层之间仍能产生层间离缝。通过比较,持续高温与温度梯度90℃/m作用下,两者层间损伤程度较为接近,且靠近板角位置层间离缝现象比其他位置更加严重。建议工务部门重视持续高温对无砟轨道工作性能的影响。     

合福高铁CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度监测

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构是由钢筋混凝土组成的多层叠加连续结构,轨道结构温度变化受气温影响较大。在合肥地区小半径曲线地段的CRTSⅡ型板式无砟轨道结构长期实时监测的基础上,对温度数据进行了统计分析,研究表明:(1)CRTSⅡ型板式无砟轨道结构中钢轨、轨道板和底座板温度的变化趋势与气温的变化趋势相同,且呈现以日为周期的不等幅值的周期性变化;(2)轨温最大值比气温高19℃左右,轨温最小值与气温近似。这与《铁路无缝线路设计规范》(TB 10015-2012)中结论接近;(3)自上到下各层轨道结构的温度变化存在相位滞后现象;(4)根据无砟轨道结构温度变化的特点,采用正弦函数拟合出高温天气下钢轨、轨道板、底座板的温度时程方程和曲线,拟合精度较高,结果较为可靠。     

基于不平顺的CRTS Ⅱ型轨道板状态评价方法研究

研究目的:CRTSⅡ型轨道板在夏季高温天气易产生上拱变形,引起轨道板和砂浆层离缝及板间接缝伤损等病害,导致板长波段的轨道不平顺恶化,严重影响行车的舒适性和安全性。由于固定监测缺乏普适性,且成本较高,因此基于动态轨道不平顺检测数据间接监控轨道板状态具有一定的优势,本文研究提出细化轨道不平顺波长进行状态评估的方法,可有效地识别出存在轨道板变形伤损区段,较原有的评价方法在效率和准确性方面均有很大提高。研究结论:(1)由轨道不平顺时序波形、历史演变和频谱方法分析表明,轨道板拱起影响波长在5～6.5 m之间,部分高低峰值呈逐年增加趋势,说明部分结构状态逐年恶化;(2)通过有限元建模分析,运用相关系数和曲线拟合等方法,研究高低峰值和气温的关联关系,结果表明轨面高低峰值随温度的变化特性可以反映轨道板变形受温度影响的变化特性:轨道板变形与温度具有较强的相关性,呈现非线性增加特性;(3)设计滤波器提取轨道不平顺中的轨道板波长特征,进行合理分段处理,定义为轨道板状态指数,并根据统计特征得到评价阈值范围在0.5时,经地面复核测试可以识别出约为70%的病害位置;(4)本研究成果可为高速铁路轨道板结构状态评价和运营维护提供技术、理论和实践支撑。     

CRTS Ⅰ型轨道板温度变形及与砂浆垫层间离缝的测试研究

在哈大高铁施工第Ⅰ和第Ⅲ标段线路的直线段和曲线段上,选择24块砂浆灌注施工已完成1～3个月,但尚未铺轨的CRTSⅠ型轨道板,对其高程及与砂浆垫层间离缝进行24 h全天跟踪测试,研究温度变化对轨道板温度翘曲变形及与砂浆垫层间离缝的影响规律.结果表明:轨道板的表面温差变化幅度大于环境温差的变化幅度;当轨道板表面温度达到最高时,轨道板高程的变化量、轨道板与砂浆垫层间的离缝最小,反之最大;轨道板高程的变化幅度大于轨道板与砂浆垫层间离缝的变化幅度;轨道板4个端角处的高程及离缝的变化幅度大于轨道板其他各处;曲线段上轨道板高程及轨道板与砂浆垫层间离缝的变化幅度大于直线段上的变化幅度.     

铁路混凝土箱梁温度场及温度效应

运用试验方法,对铁路混凝土箱形梁的水泥水化、日照温度场及温度效应进行研究。结果表明,箱梁水化热温度峰值可达70℃以上,梁体浇筑后最大温升可达44℃,箱梁局部板件(如腹板)混凝土芯部与表面的温差可达10℃以上,箱梁内部混凝土温度与箱梁周围养护区内的环境温度差可达35℃;箱梁沿板厚方向受日照影响存在一定的温度梯度,对于无碴轨道箱梁,顶板的温度梯度超过10℃;箱梁沿梁高方向存在较大的温度梯度,有碴桥梁梁顶和梁底温差可达15℃,无碴桥梁梁顶和梁底温差可达20℃;当外界温度变化时,混凝土内部温度变化存在滞后现象。