Путевая плита безбалластного основания железнодорожного пути

Заявляемое решение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к плитам безбалластного основания железнодорожного пути, например, колеи 1520 мм для высокоскоростного грузопассажирского движения.
Известно укладываемое на балластный слой блочное рамно-лежневое подрельсовое основание из предварительно напряженного железобетона, каждый блок которого для стыкования друг с другом имеет на одном торце выступ, а на другом - паз. Предварительное напряжение блоков осуществляется с помощью пучка высокопрочных струн, причем каждая струна продольной арматуры натягивается силой до 63,8 Н (6,5 кг), а весь пучок объединяется витками арматуры с шагом спирали 15 см. В известном решении верхняя поверхность блока имеет уклон 1/40 внутрь колеи. Для соединения блоков друг с другом с помощью перемычек, на внутренней стороне блоков имеются металлические пластины, приваренные к арматуре. Пластины одновременно служат амортизаторами при передаче боковых ударов или вибрации, а за счет их толщины можно регулировать расстояние между блоками. Известная конструкция блочного рамно-лежневого подрельсового основания обеспечивает более плавное и безопасное движение поездов, снижение затрат на текущее содержание и периодические ремонты пути, распределенную передачу подвижных нагрузок на основную площадку земляного полотна без больших перепадов, имеющих место при рельсошпальной решетке (патент США №3223328, МПК: Е01В 3/38, опубл 14.12.1965 г. ) - аналог.
Недостатком известного решения является то, что из-за относительных перемещений отдельных элементов конструкции не сохраняются в течение длительного срока нормативные характеристики рельсовой колеи, в частности, ее ширина, подуклонка рельсов и т.д., сохранение которых особо существенно для высокоскоростного движения.
Известна конструкция путевой плиты безбалластного основания железнодорожного пути из предварительно напряженного бетона, которая содержит встроенные крепежные элементы, изолированные друг от друга и неконтактирующие между собой стержни из ненапряженной стали, ориентированные в теле плиты продольно и поперечно, и стержни из предварительно напряженной стали, расположенные по длине и ширине плиты (патент РФ №2588352, МПК: Е01В 3/34, опубл. 27.06.2016 г.) - прототип.
Недостатком известного решения является недостаточная вибростойкость и надежность плиты особенно при высокоскоростном движении, что обусловлено отсутствием контакта между продольными и поперечными стержнями ненапрягаемой стальной арматуры. Каждый из продольно и поперечно ориентированных стержней ненапрягаемой стальной арматуры контактирует с цементным камнем тела плиты, но с учетом того, что нагрузки, как по величине, так и по направлению воздействия на продольные и поперечные стержни не равнозначны, а ненапрягаемые стержни не соединены друг с другом, в теле плиты возникает нагрузочный дисбаланс, который приводит к усиленному разрушению цементного камня. Особенно интенсивно такие процессы протекают при наличии вибрационных воздействий, характерных для железнодорожной нагрузки в целом и, особенно при высокоскоростном движении, что приводит к быстрому развитию трещин в бетоне, характерных для конструкций с недостаточной вибростойкостью и надежностью и не обеспечивает долговечность известной плиты на длительный срок эксплуатации.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение вибростойкости и надежности безбалластной путевой плиты, путем перераспределения нагрузок в сетках стержней ненапрягаемой арматуры.
Указанный технический результат достигается тем, что в путевой плите безбалластного основания железнодорожного пути из предварительно напряженного бетона, содержащей встроенные крепежные элементы, стержни из ненапряженной стали, ориентированные в теле плиты продольно и поперечно, и стержни из предварительно напряженной стали, расположенные по длине и ширине плиты, стержни из ненапряженной стали размещены в плите с образованием сетки в зоне верхней поверхности плиты и сетки в зоне нижней поверхности плиты, причем каждая сетка установлена на высоте защитного слоя Н и образована продольными и поперечными стержнями из ненапряженной стали, соединенными между собой в местах пересечения соответствующих продольных и поперечных стержней.
Плита, в которой соединение соответствующих продольных и поперечных стержней из ненапряженной стали осуществляют сваркой.
Плита, в которой соединение сеток из ненапряженной стали осуществляют стержневыми элементами - хомутами.
Плита, характеризующаяся тем, что встроенные крепежные элементы выполнены в виде полимерных дюбелей.
Заявляемое решение конкретизировано на фиг. 1-6, где на фиг. 1 представлен вид заявляемой плиты с размещением предварительно напряженной арматуры, на фиг 2. - представлен вид заявляемой плиты с размещением предварительно ненапряженной арматуры, на фиг. 3 - увеличенный вид А фиг. 2 с указанием защитного слоя толщиной Н, на фиг. 4 сечение Б-Б подрельсового узла плиты, показанной фиг. 2, на фиг. 5 - представлен вид сверху на заявляемую плиту, на фиг. 6 - представлено положение продольных и поперечных стержней напрягаемой арматуры.
Путевая плита 1 безбалластного основания железнодорожного пути содержит встроенные крепежные элементы 2, стержни 3 из ненапряженной стали ориентированные в теле плиты продольно и стержни 4 из ненапряженной стали ориентированные в теле плиты поперечно. Стержни 3 и 4 образуют сетки, одна из которых расположена в зоне верхней поверхности плиты, а другая - в зоне нижней поверхности плиты, причем каждая сетка установлена на высоте Н защитного слоя. В плите также размещены стержни из предварительно напряженной стали 5, расположенные по ширине и 6 - расположенные по длине плиты. Для дополнительного уменьшения усадки и ползучести заявляемой конструкции, сетки могут быть связаны между собой стержневыми элементами, например, вертикальными хомутами 7, как показано на фиг. 2 и фиг. 5, которые объединяют верхнюю и нижнюю сетки из ненапряженных стальных продольных и поперечных стержней и могут, выступать из нижней поверхности плиты, в случае если необходимо обеспечить дополнительную связь с основной площадкой земляного полотна или монтажного слоя, который устроен на ней, повышая сдвиговое сопротивление, или оставаться в теле плиты.
Высокоскоростное движение поезда, в том числе и по железнодорожному пути колеи 1520 мм, создает большие нагрузки на верхнее строение пути, в которое входят рельсы, подрельсовые скрепления, опоры и плиты, в которые эти опоры интегрированы. Плиты являются массивным основанием для рельсов и передают нагрузку от колес на земляное полотно. Плиты имеют верхнюю 8 и нижнюю 9 поверхности - рабочие поверхности. Подрельсовые опоры интегрированы в верхнюю поверхность плиты. Нижней поверхностью плита опирается на основную площадку земляного полотна.
В случае организации грузопассажирского движения по высокоскоростной линии уровень динамических воздействий на плиту основания становится более высоким, чем при пассажирском движении. При этом динамическая прибавка воздействия на плиту не является постоянной к статическому давлению (воздействию) на нее. Величина и характер распределения динамического воздействия зависит от скорости движения экипажей, ровности пути, профиля пути, характера тяги (разгон или торможение) и колебательных характеристик как экипажей с учетом рессорных подвешиваний, так и самого верхнего строения пути.
Для восприятия повышенных внутренних усилий в плите, она изготавливается из преднапряженного железобетона, с установкой продольной и поперечной стальной напрягаемой арматуры. Для повышения вибростойкости плиты и обеспечения долговечности, в заявляемой конструкции плиты дополнительно к предварительно напряженной арматуре устанавливаются стальные ненапрягаемые стержни, направленные вдоль и поперек оси плиты, имеющие скрепление между собой в местах пересечений, например, жесткое - контактной сваркой для образования прочной сетки. Для дополнительного уменьшения усадки и ползучести путевой безбалластной плиты, возможно также скрепление сеток между собой стержневыми элементами, например, вертикальными хомутами.
В заявляемой конструкции, при плоском деформированном состоянии в процессе эксплуатации повышается сопротивление ненапрягаемых соединенных в сетку, как продольно, так и поперечно ориентированных стержней, динамическим деформациям, как быстрым, так и медленно протекающим. Сетки из ненапрягаемых металлических стержней устанавливаются на высоте защитного слоя Н от верхней и нижней плоскостей плиты, обеспечивая вибростойкую и долговечную работу плиты, в том числе в зонах максимального сжатия и растяжения.
Размещение стержней из ненапряженной стали в плите с образованием сетки в зоне верхней поверхности плиты и сетки в зоне нижней поверхности плиты, а также то, что каждая сетка установлена на высоте защитного слоя Н от верхней и от нижней поверхности плиты, в рамках данной заявки означает, что размещение верхней и нижней сеток учитывает параметры защитного слоя железобетонной конструкции (ЖБИ), определенные нормативными документами, и не нарушает их. Верхняя и нижняя сетки расположены вне защитного слоя расположенного, как у верхней, так и у нижней поверхности плиты.
Понятие защитного слоя определено в научной литературе - «Защитный слой бетона в железобетонных конструкциях создается размещением арматуры на некотором удалении от поверхности элемента. Защитный слой бетона необходим для совместной работы арматуры с бетоном на всех стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций, он защищает арматуру от внешних воздействий, высокой температуры, агрессивной среды т.п.» (см. В.Н. Байков, Э.Е. Сигалов «Железобетонные конструкции. Общий курс» изд. 4 1985 г. Москва, стр. 75); и в нормативных документах - Защитный слой бетона - это толщина слоя бетона от грани элемента до ближайшей поверхности арматурного стержня, (п.3.5 СП 63.13330.2018). Длина стержня выбирается с учетом толщины защитного слоя бетона от наружной грани элемента до торцевых поверхностей стержня.
Какой толщины должен быть защитный слой бетона для каждого типа ЖБИ - определяют строительные нормативные документы, например, СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003», а также рабочие чертежи, согласно которым выпускаются бетонные изделия. При этом на нормирование толщины защитного бетонного слоя влияет масса факторов: тип арматуры, назначение изделия, условия его эксплуатации и т.д.
Размещение и выполнение встроенных крепежных элементов выполненных в виде полимерных дюбелей позволяет удобно крепить плиту при изготовлении и на стадии монтажа временными элементами, присоединенными к ней путевыми шурупами, ввернутыми во встроенные крепежные элементы из полимерных дюбелей, а после завершения монтажа снять все лишние монтажные элементы.
3
Пример выполнения. В качестве примера реализации заявляемой полезной модели можно привести ее проектную разработку в виде плиты с габаритными размерами длина 4636 мм, ширина 2600 мм, толщина 220 мм, на верхней плоскости плиты интегрированы по 8 подрельсовых опор под каждый рельс, плита выполнена из бетона класса В 50 по прочности на сжатие по ГОСТ 26633-2012 объемом 2, 8254 м. Плита армирована предварительно напряженной стержневой арматурой диаметром 10 мм класса прочности арматурной стали Ат800 по ГОСТ 10884 так, что стержни ориентированные вдоль плиты расположены в два ряда на расстоянии от верней и нижней плоскости 54 мм, а стержни ориентированные поперек в один слой на расстоянии 110 мм от верхней или нижней плоскости. Ненапрягаемая арматура выполнена из стержней диаметром 8 мм из стали периодического профиля по ГОСТ 5781-82 длинами продольные 4586 мм, поперечные длиной 2550 мм с толщиной защитного слоя 25 мм от верхней и нижней поверхности плиты, с хомутами объединяющими верхнюю и нижнюю сетки из стальных стержней толщиной 12 мм периодического профиля по ГОСТ 52544-2006. Продольные и поперечные стержни ненапрягаемой арматуры сварены между собой в местах пересечений контактной сваркой с образованием сетки.
Крепежные элементы выполнены из пластмассовых дюбелей ЦП 369 ТУ-7 под путевой шуруп ЦП 54, расположенные на боковых сторонах плиты на расстоянии 880 мм от края по два с каждой стороны.
При лабораторных натурных испытаниях плита, выполненная с изолированными друг от друга стержнями ненапрягаемой продольной и поперечной арматуры, показала статическую прочность на 14% ниже чем плита с ненапрягаемой арматурой сваренной в сетки. При испытаниях на выносливость плита с изолированными друг от друга стержнями ненапрягаемой продольной и поперечной арматуры показала на 23% ниже долговечность по сравнению с плитой с ненапрягаемой арматурой сваренной в сетки.
Таким образом, предлагаемое решение обеспечивает обеспечивает достижение заявленного технического результата, а именно повышение вибростойкости и надежности безбалластной путевой плиты.