反射隔熱涂料在無砟軌道上的適用性分析

李佳莉，康維新，孫澤江，劉學(xué)毅

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反射隔熱涂料在無砟軌道上的適用性分析

李佳莉，康維新，孫澤江，劉學(xué)毅

(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

為研究反射隔熱涂料對無砟軌道溫度及溫度應(yīng)力的降低效果，建立考慮氣溫、太陽輻射和風(fēng)速的無砟軌道溫度場計算模型，并開展試驗對其進(jìn)行驗證，分析反射隔熱型涂料對成都地區(qū)雙塊式軌道溫度的影響，分別計算使用該涂料前后單元式和縱連式軌道的溫度應(yīng)力，并探討不同風(fēng)速下該涂料的效果。研究結(jié)果表明：建立的無砟軌道溫度場模型是準(zhǔn)確和有效的；成都地區(qū)使用該類型涂料道床板溫度梯度能夠降低約50%，但對軌道整體溫度影響不大；使用涂料后單元式無砟軌道翹曲應(yīng)力降低較為顯著；風(fēng)速超過4級后反射隔熱涂料降低軌道翹曲應(yīng)力的效果一般。

無砟軌道；溫度梯度；涂料；溫度應(yīng)力

無砟軌道以其高平順性、少維修等特點，在高速鐵路領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。作為暴露在自然環(huán)境中的長條狀結(jié)構(gòu)物，氣象因素周期性變化會導(dǎo)致其溫度周期性升降，加上混凝土導(dǎo)熱性差，在軌道垂向還存在非線性溫度梯度。溫度升降和溫度梯度都使得無砟軌道產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，惡劣天氣下容易出現(xiàn)離縫、上拱、脫空等病害。無砟軌道溫度場及其效應(yīng)已有一些研究，楊榮山等[2?5]基于試驗監(jiān)測分析了我國主要地區(qū)溫度荷載的取值，Zumin等[6?7]通過理論和仿真計算分析了無砟軌道溫度場與氣象因素間的關(guān)系，對無砟軌道溫度場特性進(jìn)行了研究。付娜等[8]對溫度引起的軌道變形和應(yīng)力進(jìn)行了分析，這些研究為無砟軌道的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨著材料科學(xué)的興起，各種隔熱材料在建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。反射隔熱涂料是一種能夠增強結(jié)構(gòu)物表面對太陽光反射能力、降低太陽輻射吸收系數(shù)的新型復(fù)合材料，主要應(yīng)用于暴露太陽輻射下的屋頂?shù)仁彝饨Y(jié)構(gòu)。無砟軌道長年暴露在自然環(huán)境中，太陽輻射也是影響軌道溫度場的重要因素，這種材料應(yīng)用在無砟軌道上的效果如何，尚未有人進(jìn)行研究。為此本文分析無砟軌道與環(huán)境的換熱機理，建立無砟軌道溫度場有限元模型，開展試驗研究，驗證有限元模型的正確性，分析涂料對軌道溫度場的影響。

1 無砟軌道溫度場計算模型及換熱機理

1.1 無砟軌道溫度場計算模型

無砟軌道主要有板式軌道和雙塊式軌道。雙塊式軌道以其材料簡單，施工方便的特點在我國廣泛應(yīng)用。如圖1所示，雙塊式軌道由鋼軌、扣件、道床板和支承層組成，道床板厚度為260 mm，寬度為2 800 mm，采用C40混凝土，支承層厚度為300 mm，寬度為3 400 mm，采用C15混凝土。

如圖2所示，忽略鋼軌、扣件、軌枕等的影響，將雙塊式軌道簡化為上下兩層結(jié)構(gòu)，基于通用有限元軟件ANSYS，采用20節(jié)點的solid90實體單元和表面效應(yīng)單元，建立有限元模型。為了減小兩端邊界效應(yīng)，模型總長設(shè)為10 m。新型涂料層一般厚度較薄，建模時將其忽略，僅考慮涂料對混凝土太陽輻射吸收系數(shù)的影響。

單位：mm

圖2 無砟軌道溫度場有限元模型

熱力學(xué)計算中，空氣對流荷載和太陽輻射引起的熱流密度荷載無法同時作用在軌道表面。為此，本文建模時在軌道上表面加一層表面效應(yīng)單元，將對流換熱荷載加在軌道表面上，而熱流密度荷載加在表面效應(yīng)單元上，實現(xiàn)對流荷載和熱流密度荷載的同時施加。

鋼筋混凝土和素混凝土熱工性能有所不同，根據(jù)文獻(xiàn)[9]，2種材料的計算參數(shù)按照下表取值。

表1 材料參數(shù)

瞬態(tài)熱力學(xué)計算中需要已知物體的初始溫度，而無砟軌道溫度初始溫度較難獲取，為此本文取初始時刻軌道溫度為當(dāng)時氣溫。為了降低初始條件引入的誤差，在正式分析軌道溫度場前進(jìn)行3~4 d的瞬態(tài)計算。

1.2 無砟軌道溫度場荷載

影響無砟軌道溫度場的因素主要有：太陽輻射、大氣溫度和風(fēng)。

1.2.1 太陽輻射

太陽輻射是無砟軌道的主要熱量來源。照射在軌道結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射，一部分被反射，一部分被吸收。普通無砟軌道表面太陽輻射吸收系數(shù)約為0.65[10]，新型涂料對太陽輻射有很強的反射能力，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，其反射率大于等于0.8，吸收系數(shù)小于0.2。無砟軌道側(cè)表面面積較小，接收到太陽輻射也比較少，且反射涂料成本高，故僅考慮在軌道上表面涂抹反射涂料。計算中將太陽輻射乘以相應(yīng)吸收系數(shù)后作為熱流密度荷載加在軌道上表面的表面效應(yīng)單元上。

1.2.2 大氣及風(fēng)的影響

大氣對無砟軌道溫度場也有很大影響。大氣與無砟軌道的換熱方式主要有對流換熱和輻射換熱，本文將二者等效為綜合換熱荷載施加在暴露于空氣中的軌道表面上。由牛頓冷卻定律知，綜合換熱產(chǎn)生的熱流密度主要由大氣與軌道結(jié)構(gòu)的溫差及綜合換熱系數(shù)決定，其中綜合換熱系數(shù)受風(fēng)速影響很大，按式(1)取值[12]。

式中：α為綜合換熱系數(shù)，W/(m2?℃)；為風(fēng)速，m/s。

綜上所述，熱力學(xué)分析時無砟軌道所受荷載主要有：太陽輻射產(chǎn)生的熱流密度荷載和空氣對流換熱荷載。

2 計算模型的試驗驗證

2.1 氣象參數(shù)

2016?08?17~2016?08?21成都地區(qū)氣溫、太陽輻射、風(fēng)速如圖3所示，這5 d除了2016?08?18多云外，都為晴天。以上述氣象數(shù)據(jù)作為已知條件，初始時刻取為26℃，前4 d作為試算過程，以降低初始條件不準(zhǔn)確所引入的誤差，瞬態(tài)計算全程120 h，時間間隔0.5 h。太陽輻射吸收系數(shù)分別取為0.65和0.2，分別計算未使用反射隔熱涂料軌道和使用涂料后軌道結(jié)構(gòu)的溫度特性。

圖3 2016?08?17~2016?08?21成都?xì)庀筚Y料

2.2 有限元模型的試驗驗證

為驗證無砟軌道溫度場有限元模型的有效性，在成都地區(qū)(104°1′E，30°5′N，海拔500 m)修筑了長10 m CRTS I型雙塊式無砟軌道，軌道走向北偏西37°。成都地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，常年較為濕潤，夏季日照較足。在道床板中心，垂向均勻布置了6個鉑電阻溫度傳感器，各傳感器距表面距離為0，6，11，16，21和26 cm。采用溫度采集模塊連續(xù)采集溫度數(shù)據(jù)，采樣間隔為30 min?，F(xiàn)將2016?08?21未使用涂料時無砟軌道溫度實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比如圖4(a)所示。

圖4 道床板中各測點實測溫度與計算值

圖4(a)表明，計算值與實測值相差不大。道床板上表面溫度15:00出現(xiàn)最大值50℃，6:00出現(xiàn)最小值32℃，日溫差18℃。隨著深度增加，溫度極值減小，出現(xiàn)時間滯后，且溫度總體趨于平緩。道床板下表面20:00出現(xiàn)極大值38℃，滯后于上表面4 h。

圖4(b)給出了當(dāng)日道床板垂向溫度分布隨時間的變化情況，在0:00時至8:00時，主要呈現(xiàn)下熱上冷的負(fù)溫度梯度狀態(tài)，最大負(fù)溫度梯度在6:00出現(xiàn)，約為15℃/m，12:00至15:00主要為上熱下冷的正溫度梯度狀態(tài)，最大正溫度梯度為60℃/m，其余時間段為復(fù)雜的非線性溫度分布。

3 成都地區(qū)反射隔熱涂料的降溫效果分析

成都地區(qū)夏季風(fēng)速較小，基于本文建立的無砟軌道溫度場有限元計算模型，分析反射隔熱涂料對成都地區(qū)軌道溫度及溫度梯度的影響。

3.1 反射隔熱對整體溫度的影響

前述分析知，軌道結(jié)構(gòu)最高溫度出現(xiàn)在15:00，現(xiàn)將2016?08?21這一典型時刻軌道橫截面的溫度分布云圖對比如圖5所示。

圖5 典型時刻時反射隔熱涂料作用對比

圖5表明，使用反射隔熱涂料時，軌道最低溫度與最高溫度均有所降低，溫度分布形式有所變化，高溫區(qū)域面積減少，低溫區(qū)域面積增大。由上圖5可以看出反射隔熱材料主要使得軌道白天溫度有所降低，且主要影響道床板溫度，對支承層溫度影響較小。圖6給出了使用反射隔熱涂料后道床板各深度處溫度的日變化曲線。

相比圖4(a)，圖6表明：使用涂料后15:00時道床板表面最高溫度降低了10℃，11 cm深度處溫度降低5 ℃，道床板下表面溫度變化不大，涂料主要影響道床板中部以上區(qū)域。

圖6 道床板各深度處溫度隨時間變化圖

取道床板上表面、道床板中部、道床板下表面溫度為代表，分析使用涂料的效果，如表2所示。

表2 道床板代表深度處反射隔熱降溫效果

圖6和表2表明，夏季時反射隔熱涂料對道床板上表面最高溫度降低效果較為明顯，道床板下表面及以下，降溫效果一般，且反射隔熱涂料對于各深度處的日平均溫度影響較小。

3.2 反射隔熱涂料對溫度梯度的影響

道床板除了承受溫度整體升降荷載導(dǎo)致的伸縮應(yīng)力外，還承受溫度梯度荷載引起的翹曲應(yīng)力。前述分析知無砟軌道道床板內(nèi)溫度分布非常不均勻，圖7給出了使用反射隔熱涂料后軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度分布。

圖7表明，使用反射隔熱涂料后軌道中心垂向溫度分布有所變化，上表面日溫差約10℃，相比未使用涂料的軌道結(jié)構(gòu)，降低了約8 ℃。15:00時最大正溫度梯度為30 ℃，相比未使用涂料時降低了一半，6:00的最大負(fù)溫度梯度與未使用涂料時相差不大。

圖7 使用反射隔熱涂料后軌道溫度分布

上述分析表明，新型反射隔熱涂料在成都地區(qū)夏季能夠有效降低道床板表面最高溫度，減小道床板最大溫度梯度。

表3 使用反射隔熱涂料后道床板的翹曲應(yīng)力和變形

注：表3中負(fù)號表示垂直于道床板表面向下的方向

3.3 反射隔熱涂料對應(yīng)力和變形的影響

根據(jù)前述分析，反射隔熱涂料對軌道結(jié)構(gòu)的整體溫度影響較小，卻能夠顯著降低道床板內(nèi)部的溫度梯度。下以橋上單元雙塊式無砟軌道和路基上縱連雙塊式軌道為例，分析使用反射隔熱涂料前后最大正溫度梯度荷載引起的道床板翹曲應(yīng)力和變形，計算中假設(shè)道床板與其下部結(jié)構(gòu)為完全黏結(jié)狀態(tài)，相關(guān)參數(shù)按規(guī)范取值。

由表3可以看出，使用反射隔熱涂料后，單元式軌道中溫度梯度導(dǎo)致的拉應(yīng)力較縱連式降低更為明顯，最大應(yīng)力降低約50%，板中和板角位移在使用涂料前后均較小。分析表明，反射隔熱涂料應(yīng)用在單元式軌道中更為有效，可顯著降低軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力。

4 風(fēng)速對反射隔熱效果的影響

4.1 風(fēng)速對反射隔熱降溫效果的影響

前述對反射隔熱效果的分析是建立在日平均風(fēng)力等級約為0級的基礎(chǔ)上，實際上風(fēng)本身就有降低軌道結(jié)構(gòu)溫度的效果，為此取2016?08?21當(dāng)日風(fēng)為1~7級，分析相應(yīng)條件下反射隔熱涂料的效果。不同風(fēng)力等級下綜合換熱系數(shù)按表4取值。

表4 不同風(fēng)力等級下的綜合換熱系數(shù)

圖8給出了道床板表面最高溫度和平均溫度隨各級風(fēng)力的變化關(guān)系。

圖8表明，隨著風(fēng)速增大，道床板表面最高溫度減小，且未使用涂料時更明顯。表5給出了各級風(fēng)下道床板表面最高溫度和平均溫度在使用涂料后的降低效果，表5中只給出了未使用反射隔熱涂料時道床板的溫度梯度，使用涂料后，不同風(fēng)力等級下，道床板溫度梯度均為30℃/m。

表5表明，風(fēng)速較大時，反射隔熱涂料的降溫效果急劇降低，風(fēng)力等級超過4級后道床板溫度梯度降低不足30%，道床板表面最高溫度降低不足5.5%，日平均溫度降低不足3.5%。

圖8 各風(fēng)力等級下的軌道溫度

表5 不同風(fēng)力等級下反射隔熱涂料降溫效果

4.2 不同風(fēng)速下軌道結(jié)構(gòu)的翹曲應(yīng)力

前述分析可知，反射隔熱涂料對單元式軌道翹曲應(yīng)力的降低效果更為明顯，現(xiàn)以單元式軌道為例分析不同風(fēng)速對使用涂料前后道床板翹曲應(yīng)力的影響，取2016?08?21道床板內(nèi)部出現(xiàn)最大正溫度梯度時刻進(jìn)行計算，如圖9所示。

由圖9可得，隨著風(fēng)力等級的增加，未使用反射隔熱涂料的道床板翹曲應(yīng)力顯著降低，使用涂料后道床板翹曲應(yīng)力基本不變。使用反射隔熱涂料后，4級及4級風(fēng)以下道床板最大拉應(yīng)力降低超過0.5 MPa，4級風(fēng)以上，應(yīng)力降低不足0.5 MPa，故在夏季風(fēng)力等級超過4級地區(qū)應(yīng)用該類型涂料的性價比不高。

圖9 各風(fēng)力等級下的道床板最大拉應(yīng)力

5 結(jié)論

1) 基于氣象資料，采用有限元模型能準(zhǔn)確有效地計算無砟軌道溫度場。

2) 成都地區(qū)夏季風(fēng)速較小，道床板最大溫度梯度出現(xiàn)在16:00，為60℃/m，表面最高溫度達(dá)到50℃。使用反射隔熱涂料后，道床板表面最高溫度降低約10 ℃，最大正溫度梯度為30 ℃/m。

3) 反射隔熱涂料應(yīng)用在單元式無砟軌道中較為適宜，風(fēng)速較低時可顯著降低其內(nèi)部應(yīng)力。

4) 風(fēng)速低于4級時，反射隔熱涂料能夠有效降低道床板表面溫度，減小無砟軌道溫度梯度，道床板翹曲應(yīng)力降低超過0.5 MPa。夏季風(fēng)速超過4級的地區(qū)，不建議使用反射隔熱涂料。

[1] 劉學(xué)毅, 趙坪銳, 楊榮山, 等. 客運專線無砟軌道設(shè)計理論與方法[M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 2010: 1?20.

LIU Xueyi, ZHAO Pingrui, YANG Rongshan, et al. Design theory and methods of ballastless track[M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2010: 1?20.

[2] 楊榮山, 萬章博, 劉學(xué)毅, 等. CRTS I型雙塊式無砟軌道冬季溫度場試驗[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2015, 50(3): 454?460.

YANG Rongshan, WAN Zhangbo, LIU Xueyi, et al. Temperature field test of CRTS I twin-block ballastless track in winter[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2015, 50(3): 454?460.

[3] 吳斌, 劉參, 曾志平, 等. CRTS II型板式無砟軌道溫度場特征研究[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2016, 33(3): 25?27.

WU Bin, LIU Can, ZENG Zhiping, et al. Research on the temperature field characteristic of CRTS II slab ballastless track[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2016, 33(3): 25?27.

[4] ZHAO Pingrui, LIU Xueyi, LIU Guan. Experimental study of temperature gradient in track slab under outdoor conditions in Chengdu area[J]. Journal of Modern Transportation, 2014, 22(3): 148?155.

[5] SU H, YAN B, DAI G. Temperature filed experimental study of longitudinally connected ballastless track on bridge in one year period[C]// IABSE Symposium Report. International Association for Bridge and Structural Engineering, 2016, 106(8): 580?589.

[6] OU Zumin, LI Fujian. Analysis and prediction of the temperature field based on in-situ measured temperature for CRTS-II ballastless track[J]. Energy Procedia, 2014, 61(6): 1290?1293.

[7] 閆斌, 劉施, 戴公連, 等. 我國典型地區(qū)無砟軌道非線性溫度梯度及溫度荷載模式[J]. 鐵道學(xué)報, 2016, 38(8): 81?86.

YAN Bin, LIU Shi, DAI Gonglian, et al. Vertical nonlinear temperature distribution and temperature mode of unballasted track in typical areas of China[J]. Journal of the China Railway Society, 2016, 38(8): 81?86.

[8] 付娜, 劉鈺, 李成輝. 單元雙塊式無砟軌道道床板溫度翹曲變形的影響研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2016, 60(3): 16?18.

FU Na, LIU Yu, LI Chenghui. Study on warping deformation of slab in unit twin-block ballastless track[J]. Railway Standard Design, 2016, 60(3): 16?18.

[9] GB50176—93, 民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S].

GB50176—93, Thermal design code for civil building[S].

[10] 朱伯芳. 大體積混凝土施工過程中受到的日照影響[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 1999, 66(3): 35?41. ZHU Bofang. Influence of solar radiation on temperature of mass concrete in the process of construction[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 1999, 66(3): 35?41.

[11] GB/T 25261—2010, 建筑用反射隔熱涂料[S].

GB/T 25261—2010, Solar heat reflecting insulation coatings for buildings[S].

[12] 張建榮, 劉照球.混凝土對流換熱系數(shù)的風(fēng)洞實驗研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2006, 39(9): 39?42.

ZHANG Jianrong, LIU Zhaoqiu. A study on the convective heat transfer coefficient of concrete in wind tunnel experiment[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(9): 39?42.

Applicability analysis of the solar heat reflective andinsulation coating for the ballastless track

LI Jiali, KANG Weixin, SUN Zejiang, LIU Xueyi

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to find out the decreasing effect of the temperature and thermal stress of the ballastless track when the solar heat reflective and insulation coating was used, a calculation model considering the air temperature, solar radiation and wind speed for the temperature field of the ballastless track was established, and a field test was conducted to verify the calculation model. Then the influence of solar heat-reflective and insulation coating on the temperature of the bi-block ballastless track in Chengdu was analyzed, the thermal stress of the unitary and longitudinal ballastless track before and after using the solar heat-reflective and insulation coating were also calculated, respectively, and the effect of the wind speed on the temperature distribution of the ballastless track with solar heat-reflective and insulation coating was also analyzed. The results show that, the temperature distribution of the ballastless track can be obtained accurately and efficiently by this calculation model. After using this kind of coating, the temperature gradient of the concrete slab drops by 50%, while the whole track temperature remains almost unchanged. The curl stress of the unitary ballastless track decreases significantly when the solar heat-reflective and insulation coating is used. The decreasing effect of this kind of coating on the curl stress is not satisfying when the wind scale is larger than 4.

ballastless track; temperature gradient; coating; thermal stress

U213.2

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0024 ? 07

2016?12?20

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1434208)；四川省科技支撐計劃資助項目(2016GZ0333)

劉學(xué)毅(1962?)，男，四川中江人，教授，博士，從事高速重載軌道結(jié)構(gòu)和輪軌系統(tǒng)動力學(xué)研究；E?mail：xyliu@home.swjtu.edu.cn