Армированная бетонная шпала

Шпала относится к основанию железнодорожного пути, изготовленного из шпальных решеток, каждая из которых содержит множество шпал соединенных с парой рельсов пути анкерными скреплениями. Шпала предназначена для её использования в строениях железнодорожного пути преимущественно на железнодорожном транспорте.
Из зарубежной патентной документации известны шпалы, в частности шпала, включающая в себя рельсовые канавки, предварительно отформованные отверстия или пластиковый корпус с предварительно установленными слоями, промежуточную рельсовую часть, нижнюю рельсовую часть и конец шпалы, при этом поперечная стальная сетка расположена в шпале, а продольные стержни расположены в шпале с интервалами. Толщина шпалы больше 150 мм и меньше 200 мм. Не подвергнутые предварительному напряжению стальная сетка расположена в нижней части промежуточной направляющей части и в верхней части нижней направляющей части вдоль направления шпалы. На верхней части нижней части рельса в поперечном направлении расположена стальная сетка под шпалой. Спиральные стержни расположены в шпале, они обходят предварительно сформированные отверстия или предварительно заглубленный пластиковый корпус. Постель шпалы снабжена обручной сеткой. Конструкция шпалы выполнена с уклоном 1:40, которая имеет низкую внутреннюю часть и высокую внешнюю поверхность. Постель шпалы имеет толщину менее 200 мм. Стальные сетки используются в зонах давления бетона нижней рельсовой части и промежуточной части шпалы для увеличения прочности бетона на конце шпалы (CN 201326141Y, 2009-10-14).
Известна шпала из предварительно напряженного бетона с использованием арматуры из стальной проволоки со спиральным зацепом, длина шпалы L = 2500 мм, высота нижней части шпалы h1 = 204 мм, верхняя ширина B1 = 169 мм, нижняя ширина B2 = 280 мм, высота средней секции шпалы h2 = 165 мм, верхняя ширина b1 = 161 мм, нижняя ширина b2 = 250 мм. Вертикальное усиление представляет собой арматура из спиральных стальных проволок и боковых кольцевых усилений, образованных 6 мм стальными прутьями с гладкой поверхностью, бетонное сжимающее напряжение шпалы выполнено так, чтобы иметь тенденцию быть унифицированным, и шпала имеет сопротивление образования вертикальных трещин, при этом несущая способность шпалы составляет при 190 кН в нижней части опорного места и 140 кН в средней части опорного места (CN 2510522 Y, 2002-09-11). КR20190113407 A, 2019-10-08 CN 2019323269 А, 2019-08-30.
Известна шпала железобетонная универсальная, включающая брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с верхними поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления с закладными или анкерными деталями, брус армирован проволоками в четыре вертикальных ряда, расположенными симметрично по два ряда относительно вертикальной оси поперечного трапецеидального сечения, отличающаяся тем, что армирование бруса выполнено в виде 16 высокопрочных проволок, причем каждый первый ряд содержит пять проволок, а каждый второй ряд содержит три проволоки, при этом размеры шпалы в торце имеют соответственно номинальные размеры трапецеидального сечения по высоте 190 мм, по ширине верхнего и нижнего оснований 213 мм и 300 мм, а средняя часть трапецеидального сечения имеет номинальные размеры соответственно 185 мм, 178 мм и 235 мм, причем в подрельсовом сечении номинальные размеры шпалы составляют соответственно 217 мм, 188 мм и 277 мм с учетом выемок под анкерные детали. Каждый узел рельсового скрепления выполнен в виде анкера из металлической детали переменного сечения с горизонтальной перемычкой, соединяющей наружную и внутреннюю части анкера, при этом наружные части анкера, выступающие над поверхностью бетона, имеют выемки для размещения в них эксцентриковых элементов и упругих клемм и передачи прижимного усилия от клемм через изолирующие элементы на подошву рельса. Каждый узел рельсового скрепления выполнен из двух анкеров в виде металлических деталей переменного сечения с выступающей частью над поверхностью бетона для размещения упругих клемм и передачи прижимного усилия от клемм на подошву рельса. В другом исполнении каждый узел рельсового скрепления выполнен из двух пластмассовых анкерных деталей с резьбовым отверстием, в котором размещены металлические шурупы для передачи прижимного усилия на упругие клеммы и подошву рельса (RU 93812 U1, 10.05.2010).
Известна железобетонная шпала, выполненная в форме армированного бруса с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с наклонными верхними поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления, с отверстиями для закладных деталей или замоноличенными анкерными деталями, отличающаяся тем, что поперечное сечение шпалы выполнено в виде двух трапеций, расположенных одна над другой, при этом верхнее основание одной трапеции является нижним основанием другой трапеции, боковые стороны нижней трапеции имеют наклон 79-87° к нижнему основанию по всей длине шпалы, боковые стороны верхней трапеции по всей длине шпалы выполнены в виде широкой фаски под углом 60-77° к нижнему основанию, а номинальная высота нижней трапеции постоянна по всей длине шпалы. Каждая торцевая часть шпалы выполнена с суммарной высотой сечения номинальным размером 175-200 мм. Средняя часть шпалы выполнена с высотой сечения номинальным размером 155-170 мм. Средняя часть челночной шпалы для крепления охранных приспособлений в виде уголка выполнена с высотой сечения номинальным размером 180-200 мм. В каждой концевой части шпалы выполнена дополнительная фаска под углом, отличным от угла верхней трапеции, для каждой из боковых сторон верхнего трапецеидального сечения. Каждая верхняя наклонная площадка шпалы в зоне расположения анкерных деталей выполнена без упорных выступов бетона. Для различных типов скреплений на каждой верхней наклонной площадке шпалы в зоне расположения скрепления и рельса предусмотрены углубления для деталей скрепления и рельса. Верхние кромки шпалы и зоны перехода от сечения верхней трапеции к нижней скруглены по радиусу. По кромкам торца шпалы предусмотрены дополнительные фаски для расформовки шпалы. Каждый торец шпалы при ее изготовлении со стержневым армированием в маломестных шпальных формах выполнен с наклоном под углом 80-87° к основанию шпалы (RU 2293810 С1, 20.02.2007).
Известна шпала из бетона для железных дорог, включающая брус из бетона с размещенной внутри него арматурой, отличающаяся тем, что рабочая арматура выполнена из четырех стеклопластиковых стержней диаметром 5÷10 мм с периодическим профилем, расположенных в объеме шпалы по всей ее длине, при этом расстояние от верхней поверхности бетона до крайнего верхнего ряда рабочей арматуры составляет не менее 25 мм, а от нижней поверхности бетона до крайнего нижнего ряда рабочей арматуры - не менее 30 мм, а в объеме бетон армирован кусками полимерной фибры с рельефной поверхностью размером до 100 мм, которые добавлены в состав сухой шихты бетона (RU 2550782 С1, 10.05.2015).
Известна бетонная шпала, содержащая продольные армирующие стержни из композитного материала, причем в качестве композитного материала использован базальтопластик. Шпала дополнительно содержит армирующие стержни, расположенные по диагонали. Армирующие стержни покрыты полимерным связующим, содержащим абразивный материал. В качестве абразивного материала использован песок (RU 97135 U1, 27.08.2010).
Известна железобетонная шпала с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением, с наклонными верхними поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления, с отверстиями для закладных деталей и со стержневым армированием, отличающаяся тем, что в торцевых частях железобетонной шпалы устанавливают дополнительное армирование в виде каркасов, где каркас представляет собой пространственную конструкцию из четырех парных стержней, расположенных в горизонтальной плоскости и двух стержней, расположенных в вертикальной плоскости, соединенных между собой сваркой, при этом: расстояние между осями парных горизонтальных стержней каркаса должно быть не менее диаметра основной конструктивной стержневой арматуры, а расстояние между вертикальными стержнями каркаса должно быть не более расстояния между крайними основными конструктивными стержнями арматуры по горизонтали; каркас имеет пространственную форму за счет изгиба на 90° по одному стержню из каждой пары горизонтальных стержней, где длина загибов стержней определяется технологичностью монтажа в шпальную форму. Каркас имеет пространственную форму за счет изгиба на 90° каждого стержня из каждой пары горизонтальных стержней, где длина загибов стержней определяется технологичностью монтажа в шпальную форму (RU 1964338U1, 28.02.2020).
Известна железобетонная шпала для метрополитена, выполненная в форме армированного бруса длиной, не превышающей 2610 мм, и массой, не превышающей 230 кг, при этом брус выполнен переменного по длине поперечного сечения и состоит из выполненных в едином корпусе по меньшей мере трех типов частей: срединной, двух наклонных и одной горизонтальной, при этом каждая наклонная часть выполнена с возможностью размещения элементов рельсового скрепления для крепления рельса к шпале и по меньшей мере одна из наклонных частей выполнена с возможностью размещения на ней элемента фиксирования контруголка, а горизонтальная концевая часть шпалы выполнена с возможностью фиксации к ней кронштейна контактного рельса. Элементы рельсового скрепления представляют собой анкерные элементы рельсового скрепления с вертикально ориентированными элементами, или пустотообразователи, или дюбеля, или элементы рельсовых скреплений, образованные частями перечисленных элементов. Элемент фиксирования контруголка представляет собой замоноличенный в шпалу шуруп, закладную деталь или шпильку. Элементы фиксирования кронштейна представляют собой замоноличенные в шпалу пустотообразователи или закладную деталь или шпильку. Вертикально ориентированные элементы анкерного рельсового скрепления выполнены с возможностью изменения расстояния между ними в процессе изготовления шпалы (RU 157311U1, 27.11.2015).
Известна железобетонная шпала с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением, с наклонными верхними поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления, с отверстиями для закладных деталей и со стержневым армированием, отличающаяся тем, что в торцевых частях железобетонной шпалы установлено дополнительное армирование в виде спиралей, где спираль выполнена в виде конуса, и сторона с меньшим диаметром конуса зафиксирована на торцевых колпачках на шпальной арматуре, которую устанавливают на каждый арматурный стержень с обеих сторон, при этом со стороны с меньшим диаметром конуса не менее двух витков спирали должны быть сомкнутыми, а длина спирали и величина наибольшего ее диаметра определяются количеством арматурных стержней и расположением закладных элементов в подрельсовых частях шпалы, при этом минимальное расстояние между смежными витками соседних спиралей в шпале должно быть не менее 20 мм; величина защитного слоя между витками спирали и боковыми поверхностями шпалы должна быть не менее 13 мм; исключается касание витков спирали и закладного элемента. Закладные элементы выполняют в виде металлических анкеров для прикрепления рельсов к шпале. Закладные элементы выполняют в виде полимерных дюбелей, предназначенных для прикрепления рельсов к шпале (RU 196437 U1, 28.02.2020).
Известна шпала бетонная, представляющая собой горизонтально расположенный параллелепипед, симметричный относительно вертикальной оси, к верхней поверхности которого прилегают прямые и наклонные призмы с сечением в виде трапеции с цилиндрическими и коническими сквозными отверстиями для крепления рельсов, отличающаяся тем, что она выполнена из фибробетона на минеральном связующем, армированного отрезками минеральных или органических волокон, их различными комбинациями и/или частыми сетками в сочетании со стержневой металлической, неметаллической композитной арматурой или без нее (RU 126710 U1, 10.04.2013).
Известна железобетонная шпала для железнодорожного пути с колеей В = 1520 мм, выполненная в форме армированного бруса с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с наклонными поверхностями для размещения подкладок и с отверстиями для размещения закладных деталей скреплений, отличающаяся тем, что нижняя поверхность шпалы в пределах рельсовой колеи выполнена в виде двух наклонных плоскостей, образующих в продольном сечении равносторонний треугольник с высотой, равной (0,02-0,04)В, а поперечное сечение шпалы выполнено в виде прямоугольника с переменной по длине шпалы высотой и с основанием, равным ширине подошвы шпалы, и расположенных над ним двух плавно сопрягаемых равносторонних трапеций, причем большее основание верхней трапеции сопрягается с меньшим основанием нижней трапеции на расстоянии (0,04-0,05)В от плоскости подошвы шпалы и имеет длину, равную (0,11-0,13)В, меньшее основание верхней трапеции равно (0,07-0,10)В, а большее основание нижней трапеции имеет длину (0,18-0,20)В, равную ширине подошвы шпалы, при этом радиусы сопряжения горизонтальных и наклонных плоскостей r равны 4-8 мм, а радиусы сопряжения наклонных поверхностей боковой грани шпалы R равны 40-80 мм. Арматурная проволока в ней разделена на две зоны и размещается на одинаковом расстоянии от нижней и верхней поверхности торца шпалы, равном (0,015-0,02)В, причем верхние стержни разнесены на расстояние (0,03-0,04)В от вертикальной оси сечения шпалы, а нижние - на расстояние (0,04-0,06)В. Подрельсовая верхняя часть шпалы в пределах наклонной площадки для размещения накладок выполнена из фибробетона толщиной (0,02-0,03)В, а высота бортов упоров - на 2 мм выше при их длине, равной (0,09-0,1)В (RU 13659 U1, 10.05.2000).
Известна преднапряженная железобетонная плита для железных дорог, включающая напрягаемую стальную арматуру из высокопрочной предварительно напряженной проволоки, уложенную в продольном и поперечном направлениях, а также пустоты для крепежных элементов и уклоны для стока воды, отличающаяся тем, что дополнительно содержит в плоскости, расположенной в пределах от 60 до 80 мм от нижней поверхности плиты, горизонтальные сквозные каналы диаметром, выбранным в пределах от 20 до 40 мм, ориентированные вдоль рельсового пути параллельно друг другу на расстоянии от трех до семи минимальных толщин плиты, начиная от края плиты на расстоянии, взятом в пределах от одной до двух минимальных толщин плиты, вход и выход сквозных каналов в торцах плиты выполнен с симметричным оси каналов углублением в бетон в виде цилиндрической полости глубиной и диаметром, равными половине минимальной толщины плиты, для введения в торец плиты амортизирующих упругих цилиндрических элементов, а часть плит выполнена с технологическими крепежными прямоугольными пустотами для протягивания, натяжения и закрепления стальных канатов вместе с анкерами с последующим омоноличиванием бетоном, при этом ширина таких крепежных пустот соответствует минимальной толщине плиты, а длина выбирается в пределах от полутора до трех минимальных толщин преднапряженной плиты, а соседние крепежные пустоты могут смещаться относительно друг друга на расстояние, не меньшее такового между соседними сквозными каналами.
Преднапряженная железобетонная плита снабжена в своей нижней части оребрением, ориентированным перпендикулярно нижней поверхности плиты и параллельно продольной напряженной арматуре, с высотой и шириной ребра, выбранных в пределах от 0,3 до 0,8 минимальной толщины плиты. Верхняя часть плиты выполнена с выемками для опирания рельсов и снабжена отверстиями для скрепления рельсов, а сквозные каналы выполнены с ребристой футеровкой из металла или пластмассы (RU 2373317 С2, 20.11.2009).
Известен способ укрепления торцевых частей железобетонных шпал, армированных стержневой арматурой, путем дополнительного армирования, отличающийся тем, что в торцевых частях железобетонной шпалы устанавливают дополнительное армирование в виде спиралей, где спираль выполняют в виде конуса и сторону с меньшим диаметром конуса фиксируют на торцевых колпачках на шпальной арматуре, которую устанавливают на каждый арматурный стержень с обеих сторон, при этом со стороны с меньшим диаметром конуса не менее двух витков спирали должны быть сомкнутыми, а длина спирали и величина наибольшего ее диаметра определяются количеством арматурных стержней и расположением закладных элементов в подрельсовых частях шпалы, закладные элементы выполняют в виде металлических анкеров или полимерных дюбелей, предназначенных для прикрепления рельсов к шпале, при этом минимальное расстояние между смежными витками соседних спиралей в шпале должно быть не менее 20 мм, величина защитного слоя между витками спирали и боковыми поверхностями шпалы должна быть не менее 13 мм для исключения касания витков спирали и закладного элемента (RU 2711776 С1, 22.01.2020).
Известен способ укрепления торцевых частей железобетонных шпал, армированных стержневой арматурой, путем дополнительного армирования, причем в торцевых частях железобетонной шпалы устанавливают дополнительное армирование в виде каркасов, где каркас представляет собой пространственную конструкцию из четырех парных стержней, расположенных в горизонтальной плоскости и из двух стержней, расположенных в вертикальной плоскости, соединенных между собой сваркой, при этом для возможности установки каркаса на основную конструктивную арматуру расстояние между осями парных горизонтальных стержней каркаса должно быть не менее диаметра основной конструктивной стержневой арматуры, а расстояние между вертикальными стержнями каркаса должно быть не более расстояния между крайними основными конструктивными стержнями арматуры по горизонтали, причем дополнительное усиление конструкции шпалы достигается путем выполнения каркаса пространственной формы за счет изгиба на 90° каждого или по одному стержню из каждой пары горизонтальных стержней, где длина загибов стержней определяется технологичностью монтажа в шпальную форму (RU 2716373 С1, 11.03.2020).
Известна железобетонная шпала, характеризующаяся тем, что она включает армированный брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и верхними опорными площадками для размещения на каждой из них деталей рельсового скрепления, расположенные на площадках анкеры, каждый из которых выполнен с замоноличенной в железобетон ножкой, верхняя часть ножки выполнена в виде верхней и нижней полок с образованием между ними зева, в котором размещена перемычка между полками, при этом верхняя полка расположена в продольной полости, а на внешней стороне каждого кронштейна выполнена прямоугольная выемка для фиксации концов клеммы, высота каждого анкера над поверхностью шпалы находится в пределах 40-55 мм, каждый кронштейн выполнен с уклоном в сторону размещения рельса, ножка в сечении имеет форму двутавра, причем шпала армирована стержневыми элементами, выполненных из холоднодеформированной стали периодического профиля и на каждом конце стержневого элемента в плоскости торца бруса установлена пластмассовая пробка для защиты стержневого элемента от влаги, при этом в другом исполнении каждый конец стержневого элемента на торце бруса заделан цементно-песчаным раствором или другим водонепроницаемым материалом, не агрессивным по отношению к бетону и стержневому элементу (RU 109465U1, 20.10.2011 – прототип).
Общими признаками представленной в данном описании армированной бетонной шпалы и раскрытой в прототипе шпалы, являются такие признаки, которые характеризуют армированную бетонную шпалу, выполненную в виде трапециевидного в поперечном сечении протяженного бруса, имеющего с каждой стороны от поперечной оси симметрии четыре трапециевидных в поперечном сечении участка и пару анкеров с каждой стороны от поперечной оси симметрии шпалы, при этом шпала армирована арматурой в виде протяженных вдоль шпалы армирующих стержней, образующих собой на всем протяжении шпалы ядро жесткости шпалы, стержни расположены в ядре жесткости симметрично на углах ядра жесткости, при этом шпала имеет прямолинейную центральную часть в виде трапеции в поперечном сечении с прямой горизонтальной верхней площадкой, с каждой стороны от центральной части шпалы она имеет несущую часть шпалы в виде трапеции в поперечном сечении с наклонной к середине шпалы верхней площадкой, на которой расположена пара анкеров, между центральной частью шпалы и её несущей частью расположена переходная часть шпалы с наклонной к середине шпалы верхней площадкой, при этом на каждом конце шпалы она имеет концевую часть с наклонной верхней площадкой в сторону от середины шпалы, при этом линия перехода между центральной частью шпалы и переходной частью шпалы наклонена в сторону от центральной части шпалы.
Прототип в недостаточной мере отвечает требованиям её прочности в течение срока службы, что связано как с формой выполнения отдельных элементов шпалы, так и соотношениями между этими элементами.
Техническим результатом представленной в данном описании шпалы является повышение её срока службы шпалы.
Технический результат получен армированной бетонной шпалой, выполненной в виде трапециевидного в поперечном сечении протяженного бруса, имеющего с каждой стороны от поперечной оси симметрии четыре трапециевидных в поперечном сечении участка и пару анкеров с каждой стороны от поперечной оси симметрии шпалы, при этом шпала армирована арматурой в виде протяженных вдоль шпалы армирующих стержней, образующих собой на всем протяжении шпалы ядро жесткости шпалы, стержни расположены в ядре жесткости симметрично на углах ядра жесткости, при этом шпала имеет прямолинейную центральную часть в виде трапеции в поперечном сечении с прямой горизонтальной верхней площадкой, с каждой стороны от центральной части шпалы она имеет несущую часть шпалы в виде трапеции в поперечном сечении с наклонной к середине шпалы верхней площадкой, на которой расположена пара анкеров, между центральной частью шпалы и её несущей частью расположена переходная часть шпалы с наклонной к середине шпалы верхней площадкой, при этом на каждом конце шпалы она имеет концевую часть с наклонной верхней площадкой в сторону от середины шпалы, при этом линия перехода между центральной частью 6 шпалы и переходной частью шпалы наклонена в сторону от центральной части шпалы, между армирующими стержнями шпалы образовано ядро жесткости шпалы, причем, при постоянной площади поперечного сечения ядра жесткости шпалы по всей длине шпалы – длина Lц центральной части шпалы находится в пределах 560-760 мм, длина Lн несущей части шпалы находится в пределах 580-780 мм, длина Lп переходной части шпалы находится в пределах 58-218 мм, длина Lк концевой части шпалы находится в пределах 122-322 мм, при этом ширина sц центральной части шпалы находится в пределах 132-232мм, высота hц центральной части шпалы находится в пределах 95-200 мм, при этом нижняя поверхность шпалы образована множеством углублений и чередующихся выступов между углублениями для зацепления шпалы с постелью основания железнодорожного пути, а угол α сужения боковых сторон несущей части шпалы в сторону центральной части шпалы находится в пределах 1,0-10,0°.
При армировании шпалы металлическими стержнями, вокруг конца каждого стержня выполнено углубление в каждом торце шпалы, в каждом углублении расположен торец армирующего стержня, при этом в углублении расположена заглушка в виде тарелки, герметично соединенная со стенками углубления и расположенная заподлицо с торцом шпалы, при этом в центральной части заглушки выполнен выступ обращенный к торцу стержня и направленный к середине шпалы.
При армировании шпалы металлическими стержнями конец каждого армирующего стержня расположен снаружи торца шпалы так, что он выходит из торца шпалы и с ним жестко и герметично соединена выполненная в виде колпака заглушка, упирающаяся в торец шпалы при растяжении стержня, причем контактная площадь заглушки больше площади поперечного сечения стержня.
При армировании шпалы стержнями из композитной арматуры торец конца каждого армирующего стержня расположен заподлицо с торцом шпалы.
В верхней плоскости расположения ядра жесткости расположен торец ножки каждого анкера.
На фиг.1 показана армированная бетонная шпала, вид спереди.
На фиг.2 - армированная бетонная шпала, вид сверху.
На фиг.3 - армированная бетонная шпала, вид снизу.
На фиг.4 - армированная бетонная шпала, вид с торца шпалы.
На фиг.5 – разрез А-А на фиг.1.
На фиг.6 – разрез Б-Б на фиг.1 по оси анкера (увеличено).
На фиг.7 – волнообразная нижняя поверхность шпалы во взаимодействии с постелью основания железнодорожного пути (вариант).
На фиг.8 – вариант расположения конца армирующего элемента в отверстии торца шпалы, закрытого заглушкой.
На фиг.9 – вариант закрытого заглушкой конца армирующего элемента, который расположен за пределами торца шпалы.
На фиг.10 – клинообразная нижняя поверхность шпалы во взаимодействии с постелью основания железнодорожного пути.
Шпала 1 (фиг.1) выполнена в виде трапециевидного в поперечном сечении протяженного бруса, имеющего по длине восемь различных по форме сечений – по четыре трапециевидных сечения с каждой стороны от поперечной оси симметрии шпалы.
Шпала выполнена из армированного бетона, она включает четыре анкера 2, по два анкера с каждой стороны от поперечной оси симметрии шпалы. Каждый анкер 2 имеет ножку (фиг.6), наглухо замоноличенную в отвержденном бетоне шпалы.
Шпала армирована арматурой в виде протяженных вдоль шпалы армирующих стержней 3 (фиг.5) с зацепами (не показаны). В одном варианте
каждый армирующий стержень выполнен из металла, в другом варианте каждый стержень выполнен из нержавеющего материала, в частности из серийно выпускаемой композитной арматуры, обладающей большой сопротивляемостью на изгиб и выполненной из скрученных вокруг продольной оси стержня стекловолокон или из стеклобазальтопластиковых нитей, пропитанных отвержденной эпоксидной смолой.
Предусмотрены два варианта расположения армирующих стержней 3 вдоль шпалы. Один вариант расположения армирующих стержней в поперечной плоскости шпалы выполнен так, что стержни расположены на углах прямоугольника фиг.6. Другой вариант расположения армирующих стержней в поперечной плоскости шпалы выполнен так, что стержни расположены на углах трапеции, нижняя сторона которой большей верхней её стороны (фиг.5).
На выходе из торца шпалы вокруг каждого металлического армирующего стержня 3 (фиг.8) выполнено глухое отверстие (углубление), в котором герметично расположена заглушка 4 для предотвращения торца армирующего стержня 3 от действия внешней среды. Заглушка 4 выполнена в виде тарелки, расположена заподлицо с торцом шпалы, и в центральной части заглушки выполнен направленный к середине шпалы выступ, обращенный к торцу стержня так, как это показано на фиг.8.
Во втором исполнении шпалы (фиг.9) предусмотрено, что конец каждого стержня 3 выходит за пределы торца 12 шпалы. В этом исполнении на конец стержня 3 надета выполненная в виде колпака заглушка 4, имеющая в центре глухое отверстием внутри, в котором расположен конец стержня 3. Известными средствами такая заглушка жестко соединена с концом армирующего стержня 3, при этом она выполняет две функции – держит конец предварительно натянутого стержня 3 в натяжении и закрывает собой торец стержня 3 от действия внешней среды. Заглушки 4 в виде колпаков герметично соединены со стержнями. В этом варианте исполнения заглушки 4 (фиг.9) упираются в торцы 12 шпалы, частично воспринимают на себя нагрузки при растяжении стержней и изгибе шпалы, а также они удерживают предварительно напряженный стержень арматуры в напряженном положении. При работе шпалы и восприятии знакопеременных нагрузок от движущегося подвижного состава заглушка 4 в виде колпака, показанная на фиг.9, удерживает каждый преднапряженный стержень 3 арматуры в рабочем состоянии, как при изгибе шпалы в сторону основания рельсового пути, так и при её отрыве от основания рельсового пути. Для исключения разрушающего действия на торец шпалы – контактная площадь заглушки в виде колпака выбрана значительно больше площади поперечного сечения арматурного стержня, что не исключает иные решения увеличения контактной площади.
В случае, если шпала армирована композитной арматурой, то в этом исполнении шпалы торец каждого армирующего стержня 3 расположен заподлицо с торцом 12 шпалы (данное расположение торца стержня на чертеже не показано). Существенно, что в этом исполнении шпалы глухие отверстия (углубления) в торцах шпалы при использовании армирующих стержней 3 из композитной арматуры не требуются, поскольку арматура из нержавеющего композитного материала во взаимодействии с водой и воздухом не окисляется и не происходит коррозия материала стержней.
Шпала (фиг.1) имеет прямолинейную центральную часть 6 в виде трапеции в поперечном сечении с прямой горизонтальной верхней поверхностью (фиг.5). С каждой стороны от центральной части 6 шпалы она имеет несущую часть 7 (фиг.1) в виде трапеции в поперечном сечении, с верхней наклонной к середине шпалы площадкой 10, на которой расположены анкеры 2. Между частями 6 и 7 шпалы имеется переходная часть 8 шпалы в виде трапеции в поперечном сечении, с наклонной к середине шпалы верхней площадкой 9. На каждом конце шпалы она имеет концевую часть в виде трапеции в поперечном сечении с верхней площадкой 11, наклонной в сторону от середины шпалы. Длина Lц центральной части 6 шпалы находится в пределах 560-760 мм, длина Lн несущей части 7 шпалы находится в пределах 580-780 мм, длина Lп переходной части 8 шпалы находится в пределах 58-218 мм, длина Lк концевой части шпалы находится в пределах 122-322 мм. Ширина Sц центральной части шпалы находится в пределах 132-232мм, высота hц центральной части шпалы находится в пределах 95-200мм. Указанные минимальные и максимальные значения параметров сведены в Таблицу 1, в которой показаны значения параметров оптимального сравнительного образца шпалы, относительного которого параметры двух образцов смещаются в стороны уменьшения или увеличения.
Таблица 1
№№образцовшпалы при min, max и opt параметрах
Lцдлина центр. части шпалымм
Lндлина несущ.части шпалымм
Lкдлина концев. части шпалымм
Lпдлинаперех. частишпалы мм
sцшир. центр. части шпалымм
hцвысота центр. части шпалымм
Lдлина образца шпалымм
Gмассаобразцашпалыкг
1 min
560
580
122
58
132
95
2080
240
2 max
760
780
322
218
232
200
3400
320
3 opt
660
680
222
138
182
145
2740
280
Каждый торец 12 шпалы (фиг.4) имеет углубления в виде глухих круглых отверстий 13, в которых расположены концы армирующих стержней. Отверстия 13 в рабочем положении шпалы герметично закрыты заглушками 4.
Нижняя поверхность 5 шпалы выполнена шероховатой, шероховатость образована углублениями 14 и выступами 15 отвержденного бетона шпалы, входящими в зацепление с постелью 16 основания железнодорожного пути (фиг.7). Высота каждого выступа и каждого углубления находится в пределах 0,5-10,0мм.
Шпала имеет линии 17 перехода между центральной частью 6 и переходной частью 8 шпалы, каждая из которых образована углом между этими частями шпалы, и эта линия наклонена в сторону от середины шпалы.
Шпала имеет расположенное на всем её протяжении ядро 18 жесткости (фиг.6), которое ограничено с четырех сторон армирующими стержнями 3. Ядро жесткости в поперечном сечении может быть прямоугольным (фиг.6) или иметь форму трапеции, как это показано на фиг.5. В верхней плоскости расположения ядра жесткости расположен торец ножки каждого анкера для повышения прочности соединения анкера с бетоном шпалы и для обеспечения надежного опирания торца ножки на более прочную часть шпалы.
Указанное ядро жесткости определено высотой hц центральной части шпалы (фиг.1) и шириной sц центральной части шпалы (фиг.2). В соответствии с этими значениями, образованная прямоугольником на фиг.6 площадь поперечного сечения ядра жесткости шпалы (f = hц х sц), является постоянной величиной в любой плоскости поперечного сечения шпалы на всём её протяжении. Ядро жесткости шпалы на фиг.5 образовано трапецией, и площадь поперечного сечения такой формы также является постоянной величиной в любой плоскости поперечного сечения шпалы на всём её протяжении.
Работает шпала следующим образом. От движущегося подвижного состава по рельсовому железнодорожному пути нагрузки от колес подвижного состава воспринимаются анкерами, шпалой и постелью 16 основания железнодорожного пути. Указанные нагрузки являются динамическими, знакопеременными, действующими в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В вертикальной плоскости имеют место нагрузки сжатия шпалы и её отрыва от постели основания пути, в горизонтальной плоскости возникают нагрузки сдвига шпалы и среза анкеров, что в результате создает опасность разрушения шпалы. При этом шпала работает на изгиб в указанных плоскостях. В этой связи существенна сопротивляемость шпалы разрушающим нагрузкам, конструкция которой оптимизирована под указанные виды нагрузок.
При возникновении нагрузок сдвига шпалы относительно постели основания пути, выступы 14 и углубления 15 шпалы создают повышенную сцепляемость нижней поверхности шпалы с постелью 16 основания пути, в результате повышается устойчивость шпалы в рабочем положении от усилий сдвига шпалы и стабильность проектного положения шпалы в шпальной решетке. Выбранные числовые значения частей шпалы по их длине позволили повысить прочность шпалы за счет повышения жесткости несущих нагрузку частей 7 шпалы и повышения гибкости прямолинейной центральной части 6 шпалы, которая соединяет две несущие нагрузку части 7 шпалы. Это позволило в заданных пределах сбалансировать нагрузки на несущих частях 7 шпалы, уменьшить опасность разрушения центральной части 6 шпалы вследствие чрезмерной жесткости и снизить материалоемкость шпалы за счет перераспределения нагрузок с одной несущей части шпалы на другую несущую часть шпалы.
Указанные пределы длин переходных частей шпалы позволяют в этих пределах изменять длину центральной части 6 шпалы путем изменения длин переходных частей шпалы при постоянных длинах несущих частей 7 шпалы, не изменяя функции несущих нагрузку несущих частей шпалы.
Как следует из Таблицы 1 длина Lц центральной шпалы может изменяться в пределах от 560 до 760мм. В этом случае при постоянном значении длины Lн каждой несущей части, равной 580мм соотношение длин может представлено в виде Lц=(0,96-0,77)Lн. Данное соотношение имеет место для любых комбинаций длин частей шпалы.
Изменение значения Lц при изготовлении шпалы возможно с целью уменьшения или увеличения упругой гибкости центральной части 6 шпалы. Из соотношения видно, что повышение гибкости центральной части 6 шпалы возможно увеличением длины этой части шпалы в указанных пределах.
При этом увеличении длины центральной части шпалы уменьшается масса бетона центральной части шпалы. При этом за счет данного уменьшения возможно при необходимости увеличение масс бетона несущих частей шпалы, а также возможно уменьшение общей массы бетона шпалы.
Выбор длины центральной части 6 шпалы возможен, если шпала имеет её переходные части 8. За счет уменьшения или увеличения длин частей 8 шпалы возможно изменение центральной части 6 шпалы при постоянстве длин несущих частей 7 данного типоразмера шпалы. В этом случае прочность несущих частей шпалы не изменяется.
Перераспределение масс бетона с центральной части шпалы на несущие части шпалы существенно для шпал, укладываемых на закруглениях рельсового пути, когда путь имеет наклон к центру закругления и шпала на таком участке закругления имеет на одном конце большую нагрузку в сравнении с нагрузкой шпалы на её другом конце.
Использование композитной нержавеющей арматуры в одном из исполнений шпалы исключает необходимость изготовления на торцах шпалы глухих отверстий и при этом использовать заглушки, закрывающие эти отверстия и концы арматурных стержней, которые расположены в отверстиях, что также позволило повысить прочность шпалы за счет повышения прочности её торцовых частей.
В результате представленная в данном описании шпала в совокупности её изложенных в формуле признаков имеет повышенную прочность и устойчивость к нагрузкам в течение более продолжительного срока её службы.