高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定方法，屬于高速鐵路無砟軌道領(lǐng)域。該方法在考慮影響板式無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度分布三大主要環(huán)境因素的基礎(chǔ)上，用數(shù)學方法描述環(huán)境邊界條件，建立基于能量守恒的板式無砟軌道結(jié)構(gòu)熱平衡方程，并根據(jù)建立的邊界條件和近似一維均質(zhì)半無限體的無砟軌道結(jié)構(gòu)熱傳導方程，求解板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的實時溫度場、溫度分布方程；得出不同時間板式無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同深度處的實時溫度分布數(shù)據(jù)。
【專利說明】高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于計算不同時間板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速 確定方法，屬于高速鐵路無砟軌道領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 高速鐵路無砟軌道技術(shù)是一項技術(shù)含量較高的工程技術(shù)，是保證高速鐵路長期安 全、穩(wěn)定運營的前提，在進行高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計時往往要考慮軌道結(jié)構(gòu)可能遭受 的環(huán)境溫度荷載作用，才能保證軌道結(jié)構(gòu)的長期安全，否則有可能會因?qū)囟群奢d的考慮 不足而導致軌道結(jié)構(gòu)提前失效破壞，導致維修或更換次數(shù)增加，直接影響高速鐵路運營費 用的和列車行車安全。在考慮無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計的溫度荷載時，常因無相關(guān)溫度分布數(shù)據(jù) 而難以準確計算其產(chǎn)生的荷載作用，目前主要通過現(xiàn)場實測來了解軌道結(jié)構(gòu)的溫度分布規(guī) 律進而計算溫度荷載，但在軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計和建設(shè)前是無法獲得實測條件的，并且不同地區(qū) 軌道結(jié)構(gòu)遭受的溫度荷載也有所不同。所以必須對高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)中溫度的分布規(guī) 律和計算方法進行深入研究，使高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)溫度荷載的設(shè)計符合環(huán)境、地域及建設(shè) 的需求。
[0003] 目前，國內(nèi)外針對高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度分布數(shù)據(jù)沒有一套系統(tǒng)的計 算方法，大多都是通過現(xiàn)場有限數(shù)量的實測來演繹判斷軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布情況，并 進而確定可能遭受的溫度荷載，無法完全、真實的反映高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)將要遭 受的溫度荷載情況。實際上板式無砟軌道結(jié)構(gòu)遭受的溫度荷載是與外界環(huán)境密切相關(guān)的， 且外界環(huán)境又是不斷變化的，只有建立反映外界環(huán)境與軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布之間的關(guān)系 才能完全解決這個難題，但受困于外界環(huán)境條件數(shù)學描述的復雜性，目前還沒有關(guān)于計算 板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度場、溫度分布數(shù)據(jù)的計算方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種高速鐵路板式無砟 軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定方法，該方法在考慮用數(shù)學描述影響軌道結(jié)構(gòu)表面 的外界環(huán)境因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)能量守恒定理，建立了軌道結(jié)構(gòu)表面熱平衡方程和等效溫 度計算方程，并根據(jù)近似一維均質(zhì)半無限體的無砟軌道結(jié)構(gòu)熱傳導問題和建立的邊界條 件，求解獲得板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度場方程；得出不同時刻板式無砟軌道結(jié)構(gòu)不同位置 的實時溫度分布數(shù)據(jù)。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實 時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟A，根據(jù)高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)所處的氣候環(huán)境，確定高速鐵路板式無砟 軌道結(jié)構(gòu)表面溫度的影響因素；
[0007] 步驟B，根據(jù)確定的高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)表面溫度的影響因素，構(gòu)建描述環(huán) 境邊界條件；
[0008] 步驟C，根據(jù)能量守恒定理，建立高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)表面熱平衡方程；
[0009] 步驟D，將步驟B中確定的環(huán)境邊界條件代入步驟C確定的熱平衡方程中，建立高 速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)表面溫度計算公式；
[0010] 步驟E，根據(jù)高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的傳熱特征，構(gòu)建描述軌道結(jié)構(gòu)傳熱的 熱傳導方程及其解的邊界條件；將步驟D確定的表面溫度計算公式代入軌道結(jié)構(gòu)熱傳導方 程，根據(jù)該熱傳導方程解的邊界條件，得出無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場的解，該解即為無砟軌道結(jié) 構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的集合。
[0011] 所述步驟A中確定環(huán)境對板式無砟軌道結(jié)構(gòu)表面溫度的影響因素有太陽輻射、風 速和大氣溫度。
[0012] 所述步驟B中，構(gòu)建描述環(huán)境邊界條件包括以下步驟：
[0013] 步驟B1，根據(jù)一天中不同時刻t的太陽輻射強度I(t)與當日太陽輻射強度1,，得 出太陽輻射對軌道結(jié)構(gòu)表面熱能量q s(t)的貢獻可表示為：
[0014] qs(t) = asI (t) (2)
[0015] 其中as為軌道結(jié)構(gòu)表面混凝土材料的太陽輻射吸收系數(shù)；
[0016] 步驟B2,根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)表面溫度1；(〇和周圍大氣溫度Tsky(t)的輻射熱，并取天 空大氣溫度T sky(t)等于氣溫Ta(t)，得出這兩個輻射熱差值進入軌道結(jié)構(gòu)表面的凈輻射能 q r(t)：
[0017] qr(t) = 4. 15[Ta(t)-Ts(t)] (4)
[0018] 步驟B3,根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)表面溫度Ts(t)、天空大氣溫度Tsky(t)以及風速v，取天空 大氣溫度T sky(t)等于氣溫Td(t)，得出軌道結(jié)構(gòu)表面因與天空大氣溫度的溫差而產(chǎn)生對流 換熱進入軌道結(jié)構(gòu)表面的等效熱量q CT(t):
[0019] qcv(t) = acv[Ta(t)-Ts(t)] (5)
[0020] 其中，為對流換熱系數(shù)，當風速v彡5m/s時，a" = 6+4v，當風速 v彡5m/s時，aev = 7· 41v°_78，氣溫

【權(quán)利要求】
1. 一種高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定方法，其特征在于， 包括以下步驟： 步驟A，根據(jù)高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)所處的氣候環(huán)境，確定高速鐵路板式無砟軌道 結(jié)構(gòu)表面溫度的影響因素； 步驟B，根據(jù)確定的高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)表面溫度的影響因素，構(gòu)建描述環(huán)境邊 界條件； 步驟C，根據(jù)能量守恒定理，建立高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)表面熱平衡方程； 步驟D，將步驟B中確定的環(huán)境邊界條件代入步驟C確定的熱平衡方程中，建立高速鐵 路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)表面溫度計算公式； 步驟E，根據(jù)高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的傳熱特征，構(gòu)建描述軌道結(jié)構(gòu)傳熱的熱傳導 方程及其解的邊界條件；將步驟D確定的表面溫度計算公式代入軌道結(jié)構(gòu)熱傳導方程，根 據(jù)該熱傳導方程解的邊界條件，得出無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場的解，該解即為無砟軌道結(jié)構(gòu)實 時溫度分布數(shù)據(jù)的集合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定 方法，其特征在于：步驟A中確定環(huán)境對板式無砟軌道結(jié)構(gòu)表面溫度的影響因素有太陽輻 射、風速和大氣溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定 方法，其特征在于：步驟B中，構(gòu)建描述環(huán)境邊界條件包括以下步驟： 步驟B1，根據(jù)一天中不同時刻t的太陽輻射強度I(t)與當日太陽輻射強度Id，得出太 陽輻射對軌道結(jié)構(gòu)表面熱能量1(0的貢獻可表示為： qs(t) = asI (t) (2) 其中as為軌道結(jié)構(gòu)表面混凝土材料的太陽輻射吸收系數(shù)； 步驟B2,根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)表面溫度1；(〇和周圍天空大氣溫度Tsky(t)的輻射熱，并取天 空大氣溫度Tsky(t)等于氣溫Ta(t)，得出這兩個輻射熱差值進入軌道結(jié)構(gòu)表面的凈輻射能 q r(t)： qr(t) = 4. 15[Ta(t)-Ts(t)] (4) 步驟B3,根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)表面溫度Ts (t)、天空大氣溫度Tsky (t)以及風速v，天空大氣溫 度Tsky(t)等于氣溫Ta(t)，得出軌道結(jié)構(gòu)表面因與天空大氣溫度的溫差而產(chǎn)生對流換熱進 入軌道結(jié)構(gòu)表面的等效熱量q CT(t): qcv(t) = acv[Ta(t)-Ts(t)] (5) 其中，a"為對流換熱系數(shù)，當風速v彡5m/s時，a" = 6+4v，當風速v彡5m/ s時，aev = 7. 41v°_78,氣溫
；日環(huán)境溫度平均
9 值 Ta,max為每日最高氣溫、Ta, min為每日最低氣溫，幅值 ，
Y為最高溫度出現(xiàn)時與最大太陽輻射出現(xiàn)時的時間差值，t為時 間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定 方法，其特征在于：步驟C中建立的高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)表面熱平衡方程為： qs (t) +qcv (t) +qr (t) = 0 (7) 其中，qs(t)為太陽輻射對軌道結(jié)構(gòu)表面熱能量，qCT(t)為軌道結(jié)構(gòu)表面因與天空大氣 溫度的溫差而產(chǎn)生對流換熱進入軌道結(jié)構(gòu)表面的等效熱量，qjt)為軌道結(jié)構(gòu)表面溫度和 周圍大氣溫度的輻射熱差值進入軌道結(jié)構(gòu)表面的凈輻射能。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定 方法，其特征在于：步驟D中建立高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)表面溫度計算方程方法為： 將步驟8中確定的環(huán)境邊界條件(13(〇，(^(〇以及(^(〇代入步驟(：確定的熱平衡方 程中；修正因最大太陽輻射出現(xiàn)時與最高氣溫出現(xiàn)時的差值而引起軌道結(jié)構(gòu)表面溫度峰值 出現(xiàn)的時間相位h，得到軌道結(jié)構(gòu)表面溫度的表達式為：
(8) 式中：Γ、.，--考慮太陽輻射作用引起的軌道結(jié)構(gòu)表面在白天的等效溫度幅值，
(B為軌道板表面換熱 系數(shù)，）
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的快速確定 方 法，其特征在于：步驟E中無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的求解方法為： 步驟E1 :根據(jù)高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的傳熱特征，構(gòu)建描述板式無砟軌道結(jié)構(gòu)傳 熱的熱傳導方程及其解的邊界條件： 所述熱傳導方程為
該熱傳導方程解的邊界條件為
式中
--軌道結(jié)構(gòu)在深z處t時刻的溫度場函數(shù)；
--軌道結(jié)構(gòu)溫度隨時間的變化率；
--軌道結(jié)構(gòu)溫度沿深度的變化率； a(z)--軌道結(jié)構(gòu)材料的導溫系數(shù)； τ--軌道結(jié)構(gòu)表面等效溫度幅值，白天取i = ,夜間取r = rM; 步驟Ε2 :將步驟D確定的表面溫度計算公式代入板式無砟軌道結(jié)構(gòu)熱傳導方程，根據(jù) 該熱傳導方程解的邊界條件，得出板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實時溫度場的解，該解即為板式無砟 軌道結(jié)構(gòu)實時溫度分布數(shù)據(jù)的集合：
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【文檔編號】G06F19/00GK104063607SQ201410310314
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】孫璐, 歐祖敏 申請人:東南大學