高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法，属于高速铁路无砟轨道领域。该方法在考虑影响板式无砟轨道结构温度分布三大主要环境因素的基础上，用数学方法描述环境边界条件，建立基于能量守恒的板式无砟轨道结构热平衡方程，并根据建立的边界条件和近似一维均质半无限体的无砟轨道结构热传导方程，求解板式无砟轨道结构的实时温度场、温度分布方程；得出不同时间板式无砟轨道结构内部不同深度处的实时温度分布数据。
【专利说明】高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于计算不同时间板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速 确定方法，属于高速铁路无砟轨道领域。
【背景技术】
[0002] 高速铁路无砟轨道技术是一项技术含量较高的工程技术，是保证高速铁路长期安 全、稳定运营的前提，在进行高速铁路无砟轨道结构设计时往往要考虑轨道结构可能遭受 的环境温度荷载作用，才能保证轨道结构的长期安全，否则有可能会因对温度荷载的考虑 不足而导致轨道结构提前失效破坏，导致维修或更换次数增加，直接影响高速铁路运营费 用的和列车行车安全。在考虑无砟轨道结构设计的温度荷载时，常因无相关温度分布数据 而难以准确计算其产生的荷载作用，目前主要通过现场实测来了解轨道结构的温度分布规 律进而计算温度荷载，但在轨道结构设计和建设前是无法获得实测条件的，并且不同地区 轨道结构遭受的温度荷载也有所不同。所以必须对高速铁路无砟轨道结构中温度的分布规 律和计算方法进行深入研究，使高速铁路轨道结构温度荷载的设计符合环境、地域及建设 的需求。
[0003] 目前，国内外针对高速铁路板式无砟轨道结构的温度分布数据没有一套系统的计 算方法，大多都是通过现场有限数量的实测来演绎判断轨道结构内部的温度分布情况，并 进而确定可能遭受的温度荷载，无法完全、真实的反映高速铁路板式无砟轨道结构将要遭 受的温度荷载情况。实际上板式无砟轨道结构遭受的温度荷载是与外界环境密切相关的， 且外界环境又是不断变化的，只有建立反映外界环境与轨道结构内部温度分布之间的关系 才能完全解决这个难题，但受困于外界环境条件数学描述的复杂性，目前还没有关于计算 板式无砟轨道结构实时温度场、温度分布数据的计算方法。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高速铁路板式无砟 轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法，该方法在考虑用数学描述影响轨道结构表面 的外界环境因素的基础上，根据能量守恒定理，建立了轨道结构表面热平衡方程和等效温 度计算方程，并根据近似一维均质半无限体的无砟轨道结构热传导问题和建立的边界条 件，求解获得板式无砟轨道结构的温度场方程；得出不同时刻板式无砟轨道结构不同位置 的实时温度分布数据。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高速铁路板式无砟轨道结构实 时温度分布数据的快速确定方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤A，根据高速铁路板式无砟轨道结构所处的气候环境，确定高速铁路板式无砟 轨道结构表面温度的影响因素；
[0007] 步骤B，根据确定的高速铁路板式无砟轨道结构表面温度的影响因素，构建描述环 境边界条件；
[0008] 步骤C，根据能量守恒定理，建立高速铁路板式无砟轨道结构表面热平衡方程；
[0009] 步骤D，将步骤B中确定的环境边界条件代入步骤C确定的热平衡方程中，建立高 速铁路板式无砟轨道结构表面温度计算公式；
[0010] 步骤E，根据高速铁路板式无砟轨道结构的传热特征，构建描述轨道结构传热的 热传导方程及其解的边界条件；将步骤D确定的表面温度计算公式代入轨道结构热传导方 程，根据该热传导方程解的边界条件，得出无砟轨道结构温度场的解，该解即为无砟轨道结 构实时温度分布数据的集合。
[0011] 所述步骤A中确定环境对板式无砟轨道结构表面温度的影响因素有太阳辐射、风 速和大气温度。
[0012] 所述步骤B中，构建描述环境边界条件包括以下步骤：
[0013] 步骤B1，根据一天中不同时刻t的太阳辐射强度I(t)与当日太阳辐射强度1,，得 出太阳辐射对轨道结构表面热能量q s(t)的贡献可表示为：
[0014] qs(t) = asI (t) (2)
[0015] 其中as为轨道结构表面混凝土材料的太阳辐射吸收系数；
[0016] 步骤B2,根据轨道结构表面温度1；(〇和周围大气温度Tsky(t)的辐射热，并取天 空大气温度T sky(t)等于气温Ta(t)，得出这两个辐射热差值进入轨道结构表面的净辐射能 q r(t)：
[0017] qr(t) = 4. 15[Ta(t)-Ts(t)] (4)
[0018] 步骤B3,根据轨道结构表面温度Ts(t)、天空大气温度Tsky(t)以及风速v，取天空 大气温度T sky(t)等于气温Td(t)，得出轨道结构表面因与天空大气温度的温差而产生对流 换热进入轨道结构表面的等效热量q CT(t):
[0019] qcv(t) = acv[Ta(t)-Ts(t)] (5)
[0020] 其中，为对流换热系数，当风速v彡5m/s时，a" = 6+4v，当风速 v彡5m/s时，aev = 7· 41v°_78，气温
【权利要求】
1. 一种高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法，其特征在于， 包括以下步骤： 步骤A，根据高速铁路板式无砟轨道结构所处的气候环境，确定高速铁路板式无砟轨道 结构表面温度的影响因素； 步骤B，根据确定的高速铁路板式无砟轨道结构表面温度的影响因素，构建描述环境边 界条件； 步骤C，根据能量守恒定理，建立高速铁路板式无砟轨道结构表面热平衡方程； 步骤D，将步骤B中确定的环境边界条件代入步骤C确定的热平衡方程中，建立高速铁 路板式无砟轨道结构表面温度计算公式； 步骤E，根据高速铁路板式无砟轨道结构的传热特征，构建描述轨道结构传热的热传导 方程及其解的边界条件；将步骤D确定的表面温度计算公式代入轨道结构热传导方程，根 据该热传导方程解的边界条件，得出无砟轨道结构温度场的解，该解即为无砟轨道结构实 时温度分布数据的集合。
2. 根据权利要求1所述的高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定 方法，其特征在于：步骤A中确定环境对板式无砟轨道结构表面温度的影响因素有太阳辐 射、风速和大气温度。
3. 根据权利要求2所述的高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定 方法，其特征在于：步骤B中，构建描述环境边界条件包括以下步骤： 步骤B1，根据一天中不同时刻t的太阳辐射强度I(t)与当日太阳辐射强度Id，得出太 阳辐射对轨道结构表面热能量1(0的贡献可表示为： qs(t) = asI (t) (2) 其中as为轨道结构表面混凝土材料的太阳辐射吸收系数； 步骤B2,根据轨道结构表面温度1；(〇和周围天空大气温度Tsky(t)的辐射热，并取天 空大气温度Tsky(t)等于气温Ta(t)，得出这两个辐射热差值进入轨道结构表面的净辐射能 q r(t)： qr(t) = 4. 15[Ta(t)-Ts(t)] (4) 步骤B3,根据轨道结构表面温度Ts (t)、天空大气温度Tsky (t)以及风速v，天空大气温 度Tsky(t)等于气温Ta(t)，得出轨道结构表面因与天空大气温度的温差而产生对流换热进 入轨道结构表面的等效热量q CT(t): qcv(t) = acv[Ta(t)-Ts(t)] (5) 其中，a"为对流换热系数，当风速v彡5m/s时，a" = 6+4v，当风速v彡5m/ s时，aev = 7. 41v°_78,气温
；日环境温度平均
9 值 Ta,max为每日最高气温、Ta, min为每日最低气温，幅值 ，
Y为最高温度出现时与最大太阳辐射出现时的时间差值，t为时 间。
4. 根据权利要求3所述的高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定 方法，其特征在于：步骤C中建立的高速铁路轨道结构表面热平衡方程为： qs (t) +qcv (t) +qr (t) = 0 (7) 其中，qs(t)为太阳辐射对轨道结构表面热能量，qCT(t)为轨道结构表面因与天空大气 温度的温差而产生对流换热进入轨道结构表面的等效热量，qjt)为轨道结构表面温度和 周围大气温度的辐射热差值进入轨道结构表面的净辐射能。
5. 根据权利要求4所述的高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定 方法，其特征在于：步骤D中建立高速铁路轨道结构表面温度计算方程方法为： 将步骤8中确定的环境边界条件(13(〇，(^(〇以及(^(〇代入步骤(：确定的热平衡方 程中；修正因最大太阳辐射出现时与最高气温出现时的差值而引起轨道结构表面温度峰值 出现的时间相位h，得到轨道结构表面温度的表达式为：
(8) 式中：Γ、.，--考虑太阳辐射作用引起的轨道结构表面在白天的等效温度幅值，
(B为轨道板表面换热 系数，）
6. 根据权利要求5所述的高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定 方 法，其特征在于：步骤E中无砟轨道结构实时温度分布数据的求解方法为： 步骤E1 :根据高速铁路板式无砟轨道结构的传热特征，构建描述板式无砟轨道结构传 热的热传导方程及其解的边界条件： 所述热传导方程为
该热传导方程解的边界条件为
式中
--轨道结构在深z处t时刻的温度场函数；
--轨道结构温度随时间的变化率；
--轨道结构温度沿深度的变化率； a(z)--轨道结构材料的导温系数； τ--轨道结构表面等效温度幅值，白天取i = ,夜间取r = rM; 步骤Ε2 :将步骤D确定的表面温度计算公式代入板式无砟轨道结构热传导方程，根据 该热传导方程解的边界条件，得出板式无砟轨道结构实时温度场的解，该解即为板式无砟 轨道结构实时温度分布数据的集合：
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【文档编号】G06F19/00GK104063607SQ201410310314
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】孙璐, 欧祖敏 申请人:东南大学