单元无砟道床温度场时空分布非均匀特征.pdf
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1、第45卷第8 期2023年8 月铁道学报JOURNALOFTHECHINARAILWAY SOCIETYVol.45No.8August2(023文章编号:10 0 1-8 36 0(2 0 2 3)0 8-0 118-11单元无作道床温度场时空分布非均匀特征刘,钰2,蒋典佑12,孙晓丹1-2,赵国堂1.2.3(1.西南交通大学土木工程学院,四川成都6 10 0 31;2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,四川成都6 10 0 31;3.中国国家铁路集团有限公司,北京10 0 8 44)摘要:无道床温度场是无碓道床温度效应的控制因素。基于传热学原理和实时阴影技术,构建CRTSI 型
2、板式无诈轨道单元结构温度场计算模型,研究持续高温环境下温度场的时、空分布特征及在短时气温骤变作用下的演变规律。研究表明:无碓道床的温度和温度梯度以天为单位周期性变化。三天持续高温环境下,无诈道床温度逐步上升,温度梯度逐步下降。短时气温骤变引起温度梯度快速变化,但其影响会在次日清晨消失。短时气温骤升使温度梯度明显升高,但在骤变次日之后温度梯度反而低于原气温情况;短时气温骤降的影响趋势恰好相反。任意时刻,温度场沿水平和深度方向均呈强烈非均匀性。水平方向,正温度梯度时,太阳辐射起主导,阳面温度显著高于阴面,板端高于板中,板角最高;负温度梯度时,对流换热起主导,温度双向对称分布,板中高于板端,板角最低
3、。深度方向,温度非线性变化,轨道板内尤为显著;同一深度,板中心点对气温骤变最不敏感,板角敏感性大于板端。关键词:板式无碓轨道;单元结构;温度场;时空非均匀;气温骤变中图分类号:U213.244Temporal and Spatial Non-uniformity of Temperature Field of Unit(1.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Key Laboratory of High-speed RailwayEngineering,Ministry
4、 of Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;3.China State Railway Group Co.,Ltd.,Beijing 100844)Abstract:The temperature field of ballastless track bed is the controlling factor for the temperature effect of ballastlesstrack bed.Based on the principle of heat transfer and real-t
5、ime shadow technology,a numerical model of the unit struc-ture of CRTSII slab ballastless track was established for the temperature field calculation,to study the temporal and spa-tial distribution characteristics of the temperature field under continuous high temperature environment and the effects
6、 ofsudden temperature changes on the temperature field.The results show that both the temperature and temperature gradi-ent of the ballastless track bed vary periodically in units of days.During three days of continuous high temperature,thetemperature of the track bed gradually increases whereas the
7、 temperature gradient gradually decreases.Sudden tempera-ture change causes rapid response of temperature gradient,but the response will not disappear till the early morning ofthe next day.A sudden temperature rise causes a remarkable increase in the temperature gradient,but from the next dayof the
8、sudden temperature change,the temperature gradient will be lower than that without sudden temperature change.By contrast,the effect of sudden temperature drop shows an opposite trend.At any time,the temperature field showsstrong non-uniformity along the horizontal and depth directions.In the horizon
9、tal direction,for a positive temperaturegradient,the solar radiation dominates the temperature field,exhibiting a significantly higher temperature in the sunnyside than that in the shady side,with higher temperature at the slab end than that in the slab center and the highest val-ue at the slab corn
10、er.For a negative temperature gradient,the convective heat transfer is the dominant factor,which收稿日期:2 0 2 1-0 9-0 1:修回日期:2 0 2 1-10-19基金项目:国家自然科学基金(517 0 8 459);四川省自然科学基金(2 0 2 3NSFSC0388)作者简介:刘钰(19 8 2 一),男,福建漳平人,副教授,博士。E-mail:liuyu 文献标志码:ABallastless Track BedLIU Yu,JIANG Dianyou2,SUN Xiaodan-2,Z
11、HAO Guotangdoi:10.3969/j.issn.1001-8360.2023.08.0131,2,3第8 期leads to a symmetrical distribution of temperature in both longitudinal and transverse directions,with higher temperatureat the slab center than that in the slab end and the lowest value at the slab corner.Along the depth direction,the tem-
12、perature changes nonlinearly,especially within the track slab.At the same depth,the slab center is the least sensitive tosudden temperature changes,whereas the slab corner is more sensitive to sudden temperature changes than the slab endKey words:slab ballastless track;unit track structure;temperatu
13、re field;temporal and spatial non-uniformity;suddentemperature change我国高速铁路无碓轨道修建里程长,覆盖范围广,几乎跨越所有典型气候带及大温差、季冻区等特殊地区。无诈轨道作为多层带状结构,温度场受材料热工参数与环境因素影响很大。无诈轨道暴露于自然环境中,受太阳辐射和热对流的影响,表面不断积聚热量,并向内部逐渐传递。由于混凝土热传导率小、传热性能差,温度的传递速度较慢,结构各层间温度差明显。温度是引起无碓轨道变形、损伤的最主要因素。对于单元轨道结构,温度沿竖向上的不均匀分布将导致轨道板的温度翘曲变形2 。周期性的温度作用,使结
14、构层产生反复的翘曲变形,引起结构层间脱空,还将在无碓轨道顶面或底面产生较大的拉应力,导致混凝土开裂,严重影响无诈轨道的耐久性和服役安全性。传统上,无诈轨道内部的温度分布特征采用温度梯度表达,亦常简化为线性变化3。但随着无礁轨道温度效应引起的轨道结构损伤问题日益增多,线性温度梯度荷载已不足以解释板式无诈轨道的损伤产生和演化4。国内外针对无礁轨道温度场开展了诸多研究,大体分为四类:开展无轨道原位温度测试,基于实测数据的统计分析,得到轨道板温度竖向分布规律5,构建气象参数与轨道板竖向温差之间的映射关系(6-,提出与气温相关的轨道板温度预估模型 ;开展无确轨道温度场模型试验,基于试验数据探索无碓轨道温
15、度横、竖向分布形式9 ,研究CA砂浆与混凝土热传导性能差异对温度梯度的影响10 以及太阳照射方位的影响;从解析角度出发,将无礁轨道温度场视作半无限空间的一维传热问题,建立温度场理论解析式,分析无诈轨道温度沿垂向分布的规律5.8 ,得出不同区域温度梯度的建议值12 ;利用仿真计算,建立轨道结构温度场数值模型,基于传热学理论,模拟轨道结构内部温度场的瞬态变化。最早见于单元轨道结构早期温度场及温度应力的研究,用以分析CRTS型板式无碓轨道单元期温度场和轨道结构早期损伤的关系,以及混凝土浇筑温度对早期温度场的影响2.3-1。后期用于研究温度沿横、竖向的空间分布特征17 19 1,分析风速、太阳辐射强度
16、等不同的气象因素或遮挡效应对轨道板温度分布的影响2 0-2 1,或刘钰等:单元无碓道床温度场时空分布非均匀特征+入(ax2+ay2=pct式中:入为热导率;p和c分别为密度和比热容。119给出不同地区温度梯度最值的出现时刻2 0 。近些年,机器学习也被引入温度场研究,替代传统的数学统计方法,研究太阳辐射、大气温度、风速等多因素与轨道板温度场之间的映射关系2 1-2 无轨道温度场主要关注温度荷载的竖向变化,主要是参考混凝土路面温度场理论的做法,对温度的纵、横向分布特征关注不多2 1-2 4。但无诈轨道为多层薄板结构,宽度比路面结构窄,上表面与侧边均开放于空气中,与周围空气的热交换更为剧烈,受风速
17、等环境因素影响更为显著。而且,混凝土路面板间仅为接触,CRTSI型板式无诈轨道层间相互黏结,各层材料换热系数存在差异,使轨道结构内部温度场呈现强烈非均匀性,特别是温度梯度的空间分布同样具有强烈非均匀特征,不仅沿深度、横向非均匀,在路桥、路隧过渡段还会沿纵向出现。这种强烈非均匀性,会导致结构层间的应力分布呈现强烈非均匀性,是影响轨道结构变形和层间损伤演变的控制性因素。因此,为解释轨道结构层间界面的损伤的产生、演化机制,深化无碓轨道温度场研究、完善轨道结构损伤的温度荷载条件,至关重要。为此,本文基于传热学原理,建立CRTS型板式无诈轨道单元结构三维瞬态温度场计算模型,引人实时阴影技术确定热边界条件
18、,对持续高温条件下无诈轨道单元结构三维瞬态温度场进行模拟,探讨无碓轨道温度场的时变性和强烈空间非均匀分布特征,同时研究短时气温骤变对无诈轨道温度场时、空特征的影响规律。1无碓轨道瞬态温度场计算模型无诈轨道温度场是一个三维瞬态温度场,其表达式为T=f(x,y,z,t)式中:T为温度;,y,z为空间坐标分量;t为时间。假设轨道结构内部混凝土材料各向同性、均质,且符合线弹性假定,根据傅里叶热传导方程,可得轨道结构内部温度与时空的对应关系为aT+aT,T)+(1)aT(2)120由于气象因素和传热因素对边界条件和初始条件的影响,用解析法求解式(2)具有很大难度。更为现实的手段是采用数值仿真方法,构建轨
19、道结构数值分析模型,根据气温、太阳辐射和风速等环境因素,确定初始条件和边界条件,借助有限元分析求解三维瞬态温度场。1.1CRTSI型板式无轨道数值模型利用有限元软件ABAQUS建立CRTSI型板式无轨道单元结构有限元模型,见图1。模型中采用三维热实体单元构建轨道板、CA砂浆层和底座板三个结构层。表面边界条件和层间接触边界条件满足传热学基本原理。未发生离缝的情况下,各结构层间接触面温度以及通过接触面的热流密度均相等。考虑底座板下表面的温度变化幅度很小,同时桥上CRTS型板式轨道结构底座与桥梁间铺设的“两布一膜”对二者间的热量传递有一定阻隔,因此模型中忽略底座板与桥梁之间的热传导。模型中,轨道板长
20、、宽、厚度分别为6 450、2 550、2 0 0 mm。底座板宽度为2 9 50 mm,厚度为2 0 0 mm。为消除热传导边界效应的影响,沿线路纵向令底座板两端比轨道板各长1m。C A 砂浆层厚度为30 mm。各结构层热传导参数见表125506450845029502981208(a)轨道结构模型图1单元期板式无诈轨道结构有限元模型(单位:mm)表1无轨道热传导参数导热系数/密度/结构层(Wm-1.-)轨道板1.67CA砂浆层0.93底座板1.671.2热边界条件假设经轨道结构表面进人轨道结构的热流密度q为q=q1+q+qs(3)式中:9 为因大气和轨道结构表面温差引起的热传导;9。为风速
21、对对流换热的影响;9。为太阳辐射的作用。假设轨道结构所处环境温度为T。,轨道结构表面实时温度为T,则排除掉轨道结构作为热源向外辐射的热量后,实际进人轨道结构的热流密度2 5 为4-8-C(273+)*+g C(273+T(8.+1)+(s.-1)sin,铁道学报式中:,为长波辐射吸收率;C。为Stefan-Boltzmann常数;8 为大气辐射系数;8 为轨道结构热辐射发射率;,为轨道结构表面倾角,对于水平外表面取9 0,对于竖向外表面取0。若环境风速为,则考虑实时风速影响后,经对流换热进人轨道结构的热流密度为l。=h.(T -T)式中:h。为轨道结构表面对流换热系数。根据Jirges-Nus
22、selt公式2 6 ,对于5.0 m/s时,即h。=2.6(/T -T,T +1.54u)经太阳辐射进人轨道结构的热流密度公式2 5 为q,=,(Ip+Idg+Ig)(7)式中:。为短波辐射吸收率;I,为太阳直接辐射强度;I为天空散射强度,表达经过大气分子、水蒸气、灰尘等质点的反射,改变了方向的太阳辐射;IrB为地表反射强度,表达直接辐射和散射辐射投射到地表后的反射。对于直接受到太阳照射的区域,太阳直接辐射I,为Ip=I。Pami.cosy(8)式中:I。为太阳常数;H为太阳高度角,为太阳光线与地平面之间的夹角;P为复合大气透明度系数;为太阳人射角。散射Ie和地表反射I可根据I,推算,计算式为
23、1+sin,轨道板(0.271I。-0.2 9 41,)s i n Hd=-CA砂浆2十底座板1-sin,(b)横截面2式中:r。为地表短波反射率。任意时刻,轨道结构上存在不受太阳直射的区域,比热容/称为实时阴影区。因为自身背向太阳导致不受太阳直(kgm)J(kg:)2.500900195012002.50090012第45卷(5)(6)(9)214gI,sinH+1+sin,射的区域,称为自阴影区。因为受到轨道结构其他部位遮挡导致不受太阳直射的区域,称为他阴影区。自阴影区一般位于轨道结构竖向外表面上,他阴影区仅存在于底座板顶面。实时阴影区范围可依据轨道结构和太阳的实时相对位置确定。当轨道结构
24、竖向外表面的法向量与太阳光线夹角大于9 0 时,不受太阳光线直射,形成自阴影区。当底座板顶面某点与太阳光线的连线,穿过轨道板板面,认为该点被轨道板遮挡,无法受到太阳直射。底座板顶面所有不受太阳直射的点,构成他阴影区。其中,太阳的位置可利用太阳高度角H和方位角V确定2 7 ,即sinH=singsinp+cosocospcoswsinHsingp-sindcosV=cosHcos(4)式中:为纬度;为太阳时角;8 为赤纬角。(10)(11)第8 期2车轨道结构三维瞬态温度场模型验证借助建立的温度场数值分析模型,对安徽宿州某高铁段无诈轨道原位实测温度数据进行模拟。将实测数据作为初始条件。热边界条件
25、中参数的取值见表2。气温变化符合双正弦函数2 8 ,则环境温度T。为T,=T,+.0.96sin(-T。)+0.146sin2o(-T。)式中:T。、予。分别为日平均气温和气温振幅,根据当地历史气象资料查定;T为时间,h,规定早晨6 点(太阳时)时=O;T。为太阳辐射最大值与最高气温间的时差,h,取为3h。大气透明系数取安徽地区2010年全年大气透明系数平均值2 9 ;太阳常数和方位参数(时角、赤纬角和日角)根据天体物理学基本公式计算2 7 ;短波辐射吸收率。取0.6 2 6 ;长波辐射吸收率2 6 和轨道结构热辐射发射率2 5 e均取0.9;大气辐射系数8。由环境温度T.确定30 。表2 三
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