ТРАНСПОРТНОЕ ПОЛОТНО
TRANSPORT BED

Область техники
Изобретение относится к области строительства, в частности к области дорожного, аэродромного, железнодорожного строительства при сооружении конструкций, используемых для движения по ним транспортных средств, а также для устройства трубопроводных опор и прочих строительных сооружений.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известны различные дорожные конструкции, включающие тело из армированного высокопрочного бетона. В частности, известен способ сооружения дорог, раскрытый в патенте US 3,716,302, опубликованном 13.02.1973, в котором дорожное полотно включает несущий бетонный слой, армированный металлическими листами, выполненными в продольном сечении изогнутой квазисинусоидальной формы. Кроме того, известна дорожная конструкция, раскрытая в патенте US 5,380,123, опубликованном 10.01.1995, включающая пространственный арматурный каркас, выполненный в поперечном сечении трапециевидной формы.
Недостатком данных технических решений является невысокая долговечность таких конструкций ввиду значительного внутреннего напряжения, возникающего в металлических элементах армирующей конструкции, а также высокая себестоимость конструкций, обусловленная необходимостью использования высокопрочного бетона для обеспечения возможности восприятия как эксплуатационных нагрузок, так и нагрузок, обусловленных изменением характеристик подстилающего слоя.
Наиболее близким в заявленному изобретению является транспортное полотно по патенту US 3,716,302, опубликованному 13.02.1973, включающее подстилающий слой, несущий слой, армированный гофрированными металлическими листами, и слой дорожной одежды.
Недостатками данного технического решения являются низкая несущая способность транспортного полотна, обусловленная невысокой жесткостью гофрированной листовой арматуры и наличием в ней значительных остаточных напряжений, влекущая за собой недолговечность полотна, а также высокая материалоемкость и, соответственно, себестоимость транспортного полотна вследствие использования листовой арматуры и необходимости применения высокопрочного бетона для обеспечения возможности восприятия как эксплуатационных нагрузок, так и нагрузок, обусловленных изменением характеристик подстилающего слоя.
Кроме того, транспортному полотну по патенту US 3,716,302 присущ такой недостаток, как недолговечность, обусловленная хрупкостью слабо армированного бетонного основания при изгибе от динамичных сосредоточенных переменных нагрузок и подвижности слоев песчано-гравийной смеси или песка. При этом не выполняется главное исходное условие долговечности бетона - это условие стационарной жесткости его подложки, не допускающей деформаций бетона в слое.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного изобретения, является повышение несущей способности и эксплуатационной надежности транспортного полотна при снижении его материалоемкости и себестоимости, а также повышение долговечности, т.е. увеличение срока службы транспортного полотна без капитального ремонта.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в транспортном полотне с армированным несущим слоем, установленном на подстилающий слой, армированный несущий слой состоит из пространственного арматурного каркаса, включающего верхние и нижние продольные стержни и поперечные стержни, расположенные наклонно к продольным стержням с образованием тетраэдров с разнонаправленными вершинами с шагом между ними от 1 до 3 диаметров отпечатка внешнего механического воздействия на поверхность полотна при эксплуатационных нагрузках, и расположенного над арматурным каркасом бетонного слоя, омоноличивающего, по крайней мере, верхние стержни пространственного арматурного каркаса. При этом диаметр стержней составляет 0,025…0,1 от высоты арматурного каркаса, а толщина части бетонного слоя, омоноличивающей арматурный каркас, не превышает одной трети от высоты арматурного каркаса.
По крайней мере, часть наклонных стержней может быть выполнена с выпусками в подстилающий слой, длина которых определяется фракцией материала подстилающего слоя и составляет не менее размера зерна фракции. Кроме того, по крайней мере, часть наклонных стержней может быть выполнена зигзагообразно изогнутой по длине.
Арматурный каркас может быть снабжен боковыми выпусками, выходящими, по крайней мере, за одну вертикальную плоскость, проходящую через основания тетраэдров. При этом, по крайней мере, часть выпусков верхних продольных стержней может быть снабжена цилиндрами с отверстиями для размещения концов стержней.
Арматурный каркас может быть выполнен в виде полой пространственной структуры. При необходимости пространство между стержнями арматурного каркаса может быть либо заполнено инертным материалом, в качестве которого используют каменный природный материал, либо в пространстве между стержнями арматурного каркаса могут быть размещены трубы для коммуникаций, по крайней мере, часть из которых может быть выполнена со смотровыми люками для обеспечения возможности монтажа или диагностики состояния коммуникаций.
Стержни арматурного каркаса могут быть выполнены из металла или композитных материалов на основе базальта или углерода, а на бетонный слой дополнительно может быть нанесен слой дорожной одежды.
Кроме того, транспортное полотно может быть снабжено средствами его обогрева, размещенными в арматурном каркасе, а в подстилающем слое может быть выполнен желоб с возможностью размещения в нем труб для транспортировки газожидкостных энергоносителей или других веществ. Транспортное полотно может быть также снабжено средствами бесконтактного электромагнитного питания, размещенными внутри пространственной структуры арматурного каркаса для осуществления питания, например электромобилей, движущихся по этому транспортному полотну, и т.п.
Указанный технический результат достигается за счет того, что несущий слой выполнен состоящим из двух слоев: арматурного каркаса оригинальной конструкции в виде структуры тетраэдрического типа и бетонного слоя. За счет подобной конструкции в несущем слое происходит перераспределение действующих на него нагрузок, которые воспринимаются арматурным каркасом. Арматурный каркас в момент нагружения, например колесами автомобиля, перераспределяет усилие сосредоточенной нагрузки равномерно по всем узлам конструкции, а бетонный слой в этом случае играет роль наполнителя и не воспринимает изгибающих моментов. По сути, бетонный слой является только основанием для укладки слоя дорожной одежды и испытывает только нагрузки на сжатие, не вызывающие разрушение бетонного слоя. Отсутствие изгибающих нагрузок в бетонном слое обуславливает отсутствие в нем стыков, являющихся источником разрушения дорожного полотна при ударных нагрузках. Это, во-первых, позволяет значительно уменьшить толщину бетонного слоя до величин, необходимых для формирования основания для укладки слоя дорожной одежды, т.е. до одной трети от высоты арматурного каркаса и, во-вторых, позволяет использовать бетон недорогих марок, что в конечном итоге снижает себестоимость транспортного полотна в целом.
Выполнение несущего слоя двухслойным позволяет обеспечить исключительно прочную и устойчивую опору покрытия дороги. Давление при этом на полотно и основание дороги остается равномерным и минимальным.
Используемый в транспортном полотне арматурный каркас обеспечивает высокую жесткость при минимальном весе, инвариантность к знакопеременным нагрузкам, модульность и низкую себестоимость. При этом габаритные размеры такой конструкции практически не ограничены и могут составлять, например, величину от 3 до 500 м, а вес - от 0,1 до 5000 т.
Еще одной отличительной особенностью заявленного транспортного полотна является его устойчивость к вибрациям - одним из существенных факторов, отрицательно влияющих на физико-механические характеристики конструкций. Негативное воздействие вибрации выражается в снижении надежности конструкции, увеличении деформации, уменьшении прочности и стабильности ее характеристик, а также долговечности (ресурсе) работы. Поскольку резонансная частота любой конструкции зависит от структуры изделия, то чем жестче конструкция, тем выше резонансная частота и для снижения амплитуды резонансных колебаний, как правило, либо увеличивают вес (массу) изделия, либо предварительно напрягают армирующие элементы конструкции. И в том, и в другом случае это приводит к повышению удельной нагрузки и в конечном итоге - к усталости металла с потерей им исходных физико-механических свойств. Поэтому для уменьшения влияния вибраций на эксплуатационные характеристики транспортного полотна необходимо повышать жесткость конструкции, а следовательно, резонансную частоту. В случае заявленного изобретения это достигается уменьшением веса конструкции за счет выполнения несущего слоя, одна из частей которого представляет собой полый арматурный каркас из продольных и поперечных стержней, расположенных наклонно к продольным стержням с образованием тетраэдров с разнонаправленными вершинами с шагом между ними от 1 до 3 диаметров отпечатка внешнего механического воздействия на поверхность полотна при эксплуатационных нагрузках.
Данная конструкция арматурного каркаса несущего слоя оптимизирована на основе гармонического спектрального анализа колебаний элементов и конструкции транспортного полотна в целом. Учитывая, что колебания любой частоты распространяясь внутри конструкции таким образом, чтобы число полуволн колебаний в элементах конструкции укладывалось нечетное число раз, подавляется пришедшей в исходную точку полуволной (подобно тому как это происходит при интерференции света), в том числе и отраженной, в противофазе, распадаясь на две боковые частоты колебаний. Механизм «гашения» резонансных частот в элементах такой конструкции можно видеть на примере разложения функции колебаний в ряд Фурье. Если функцию колебаний представить в виде
0
f(t)=A/2(1+sinωt);
0
0
где A - амплитуда колебания, ω=Ω(2n-1) - круговая частота; Ω=2π/2T=π/T - частота цуга полуволн, ω=2π(n-1/2)/T=π(2n-1)/T, то
k
A=∓Acosπk/2πk∓A/2πk;
0
A=0; Резонансная частота отсутствует;
1
A=A/π; Боковая частота колебаний;
2
A=0; Вторая гармоника отсутствует;
3
A=A/3π; Третья гармоника; и т.д.
Поэтому достаточно выполнить при конструировании это условие, чтобы погасить (разрушить) резонансную частоту собственных колебаний данной конструкции. В этом случае при спонтанном и вынужденном воздействии на конструкцию колебаний любой природы конструкция не будет резонировать, т.е. существенно снизится влияние вибраций и, тем самым, увеличится долговечность транспортного полотна.
Что касается шага между вершинами тетраэдров, образованных поперечными стержнями арматурного каркаса, то его оптимальная величина составляет от 1 до 3 диаметров отпечатка внешнего механического воздействия на поверхность полотна при эксплуатационных нагрузках.
При определении нижней границы указанного интервала был принят во внимание расчет напряженного состояния транспортного полотна от внешнего механического воздействия, например колеса тяжелого лесовозного автотранспорта МА3-509А+ГКБ-9383 с нормативной нагрузкой Рк=47,5 кН, приведенный в ОДН 218.046-01 Проектирование нежестких дорожных одежд. - Москва, 2001. - 145 с.
Согласно данному расчету принято:
к
Р - нагрузка нагруженного колеса на колею поперечного края плиты, равная 47,5 кН;
Д - расчетный диаметр колеса, приведенный к кругу отпечатка расчетного колеса на поверхности покрытия;
ш
Р - давление в шине колеса 0,6 МПа.
1. Диаметр отпечатка колеса (стр.25) [2]
2. Площадь отпечатка составит
3. Напряжение на поверхности грунтового основания из песка
4. Увеличение статической прочности грунтового основания на коэффициент динамического воздействия колеса Рдин=7,3.
Следовательно, для обеспечения устойчивости конструкции и возможности перераспределения динамических нагрузок из сосредоточенных в распределенные достаточно шага, равного одному диаметру отпечатка внешнего механического воздействия. Уменьшение шага влечет за собой необоснованное увеличение металлоемкости арматурного каркаса.
Верхняя граница интервала шага между вершинами тетраэдров, образованных поперечными стержнями арматурного каркаса, равная трем диаметрам отпечатка внешнего механического воздействия на поверхность полотна при эксплуатационных нагрузках, определена эмпирическим путем. Как показали исследования, при шаге, превышающем 3 диаметра отпечатка внешнего механического воздействия, надежность транспортного полотна резко снижается, поскольку изменяется перераспределение динамических нагрузок и в несущем слое нагрузка начинает восприниматься не только арматурным каркасом, но и бетонным слоем.
Таким образом, выполнение арматурного каркаса несущего слоя с определенным шагом между вершинами тетраэдров, образованных поперечными стержнями арматурного каркаса, позволяет за счет перераспределения динамических нагрузок из сосредоточенных в распределенные значительно снизить удельную нагрузку на транспортное полотно, в результате чего значительно повышается срок службы полотна, а необходимость проведения ремонтных работ сводится к минимуму, как правило, только к косметическому ремонту.
Кроме того, предлагаемая конструкция транспортного полотна позволяет исключить некоторые трудоемкие, дорогостоящие и неэкологичные операции традиционной технологии обустройства дорог, которая, как правило, предполагает существенное вмешательство в грунтовые слои на этапе подготовительных землеустроительных работ.
При возведении предложенного транспортного полотна традиционные подготовительные землеустроительные работы отсутствуют и достаточно очистить трассу от механического мусора, осуществить выравнивание грунта тонким слоем гравия, на который устанавливается несущий слой и сверху покрывается асфальт. Таким образом, сохраняется целостность грунтовых слоев и сохраняется создавшееся в них экологическое равновесие.
Срок службы предлагаемого транспортного полотна определяется преимущественно временем старения и усталости арматурного каркаса, которое для стандартной марки стали (например, А-400ГС или А-500) при постоянной нагрузке в 100 тонн на каждый квадратный метр в каждую секунду эксплуатации составляет 50 лет. Так как транспортное полотно не имеет постоянной нагрузки, то фактор старения металла стержней арматурного каркаса в гораздо большей степени зависит от его коррозии, чем от нагрузки. Обеспечив защиту металла от коррозии или используя коррозионно-стойкий материал, нечувствительный к агрессивным средам (например, нержавеющая сталь, пластиковые и композитные материалы), можно обеспечить работоспособность транспортного полотна в различных условиях.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлен в разрезе общий вид транспортного полотна;
на фиг.2 - вариант исполнения транспортного полотна с арматурным каркасом в виде полой пространственной структуры с выпусками в подстилающий слой и боковыми выпусками;
на фиг.3 - вариант исполнения транспортного полотна с арматурным каркасом, заполненным инертным материалом;
на фиг.4 - вариант исполнения транспортного полотна с арматурным каркасом, между стержнями которого размещены трубы для коммуникаций, и с желобом в подстилающем слое.
Лучший вариант осуществления изобретения
Транспортное полотно содержит несущий слой, установленный на подстилающий слой 1, и слой дорожной одежды 2. Несущий слой для перераспределения передаваемых эксплуатационных нагрузок состоит из полого пространственного арматурного каркаса и расположенного над арматурным каркасом бетонного слоя 3.
Арматурный каркас включает верхние 4 и нижние 5 продольные стержни и поперечные стержни 6, расположенные наклонно к продольным стержням с образованием тетраэдров с разнонаправленными вершинами 7.
Для арматурного каркаса используют стержни из металла или композитных материалов на основе базальта или углерода.
Экспериментально определено, что предпочтительная величина шага Н между вершинами 7 составляет от 1 до 3 диаметров отпечатка внешнего механического воздействия на поверхность полотна при эксплуатационных нагрузках.
Сборка арматурного каркаса осуществляется с использованием известных технологий, например в кондукторе, а стержни соединяются между собой посредством вязки, сварки и т.д.
На собранный арматурный каркас наносят бетонный слой 3 таким образом, чтобы оказались омоноличенными верхние стержни пространственного арматурного каркаса и примыкающие к ним незначительные по высоте верхние части наклонных стержней, а арматурный каркас, в основном, остался полым. В зависимости от степени эксплуатационной нагрузки решается вопрос о том, какая часть каркаса может быть омоноличена.
Готовый несущий слой (арматурный каркас с бетонным слоем) устанавливается на подстилающий слой 1. Для обеспечения лучшего сцепления несущего слоя с подстилающим поперечные стержни 6 арматурного каркаса могут быть выполнены с выпусками 8, длина которых определяется фракцией материала подстилающего слоя и составляет не менее размера зерна фракции. Так, например, при использовании в подстилающем слое щебня с размером зерна фракции от 25 до 60 мм или гравия фракции 20…40 мм длина выпуска предпочтительно должна быть от 40 до 100 мм с тем, чтобы обеспечить достаточное сцепление несущего и подстилающего слоев.
В отдельных случаях длина поперечных стержней 6 выбирается таким образом, чтобы обеспечить образование выпусков 9, выходящих за вертикальную плоскость, проходящую через основания тетраэдров. Функциональное назначение выпусков 9 заключается в обеспечении возможности сборки транспортного полотна большой ширины и протяженности из элементов, каждый из которых представляет собой транспортное полотно меньшей ширины и протяженности. На выпуски 9 могут быть установлены цилиндры 10 с отверстиями для размещения концов стержней арматурного каркаса сопрягаемого транспортного полотна.
В отдельных случаях, в частности при использовании транспортного полотна в качестве аэродромных покрытий или железнодорожных путей, пространство между стержнями арматурного каркаса может быть либо заполнено инертным материалом 11, в качестве которого может быть использован каменный природный материал (щебень, гравий и т.д.), а при использовании в качестве автомобильных покрытий арматурный каркас может быть выполнен в виде полой пространственной структуры, в пространстве между стержнями которой размещают трубы для коммуникаций 12. При необходимости в пространстве между стержнями арматурного каркаса могут быть размещены коммуникационные трубы 12 и оставшееся пространство заполнено инертным материалом 11.
На бетонный слой 3, в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации, наносится слой дорожной одежды 2.