Железобетонная шпала

Полезная модель относится к верхнему строению железнодорожного пути и предназначена для обеспечения движения специального подвижного состава.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является железобетонная шпала, содержащая концевые участки, участки для крепления рельсов и участки сопряжения со средним участком, имеющим ширину меньше ширины других участков, при этом средний участок в поперечном сечении выполнен в виде трапеции, а участки для крепления рельсов выполнены с сопряженными между собой наклоненными к горизонтали гранями, одними из которых образованы грани соответствующих концевых участков, при этом участки сопряжения со средним участком выполнены с наклоненными к горизонтали гранями, одни из которых сопряжены с другими гранями участков для крепления рельсов. Достигаются осевые нагрузки до 400 кН [Патент RU № 2504611, МПК E01B 3/28, E01B 3/32, 2014].
Основными недостатками известной железобетонной шпалы являются низкая трещиностойкость подрельсовой зоны, отсутствие возможности пропуска специального подвижного состава с осевыми нагрузками более 400 кН, обусловленное отсутствием армирования околодюбельной зоны и отсутствие возможности регулировки ширины рельсовой колеи.
Предлагаемое техническое решение позволит пропускать подвижной состав с осевыми нагрузками более 400 кН.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в усилении прочностных характеристик железобетонной шпалы, таких как увеличение трещиностойкости в подрельсовой зоне и увеличение сопротивляемости на вырыв дюбеля из тела железобетонной шпалы при пропуске специального подвижного состава с осевыми нагрузками более 400 кН в кривых участках пути, требующих регулировку ширины рельсовой колеи.
Указанный технический результат достигается тем, что железобетонная шпала включает железобетонный брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и верхними подрельсовыми площадками, элементы продольной предварительно напряженной арматуры, закладные элементы, установленные в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса на концах подрельсовых площадок, при этом расстояние между точками пересечения плоскости подрельсовой площадки  и плоскости внешней упорной поверхности находится в диапазоне 1965-2005 мм, арматура выполняется в виде стержней диаметром 3-10,5 мм с рифлением, расположенных симметрично относительно поперечного сечения железобетонной шпалы, в количестве от 4 до 50, причем стержни равномерно распределены в вертикальной плоскости поперечного сечения, закладные элементы выполняются в виде дюбелей, состоящих из корпуса с установленным на нем армирующим элементом в виде спирали, содержащим верхнее цилиндрическое основание и участок с внутренней и наружной резьбой, при этом спираль имеет форму песочных часов с уменьшением диаметра в средней части и расширением к верху и к низу в форме конуса.
Стержни арматуры могут иметь общую силу натяжения стержней в диапазоне от     400 кН до 600 кН.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена 3D-модель железобетонной шпалы.
На фиг.2 чертёж железобетонной шпалы основной вид.
На фиг.3 поперечный разрез железобетонной шпалы.
На фиг.4 чертёж железобетонной шпалы вид сверху.
На фиг.5 разрез подрельсовой площадки с закладными элементами.
Железобетонная шпала (фиг.2) содержит железобетонный брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и верхними подрельсовыми площадками (1).
Железобетонная шпала (фиг.3) содержит элементы продольной предварительно напряженной арматуры (2).
Железобетонная шпала (фиг.4) содержит закладные элементы, выполненные в виде дюбелей (3), установленные в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса на концах подрельсовых площадок (1).
Железобетонная шпала (фиг.5) содержит закладные элементы, выполненные в виде дюбелей (3), состоящие из корпуса с установленным на нем армирующим элементом в виде спирали (4).
Расстояние между точками пересечения плоскости подрельсовой площадки и плоскости внешней упорной поверхности является колееобразующим и выбор его в диапазоне от 1965 – 2005 мм позволяет устанавливать заданную ширину рельсовой колеи в зависимости от радиуса кривого участка пути.
Выбор арматурных стержней диаметром от 3 мм до 10,5 мм выполненных с рифлением в количестве от 4 до 50, а также их равномерное распределение в вертикальной плоскости поперечного сечения с общим усилием натяжения стержней в диапазоне от 400 кН до 600 кН увеличивает работоспособность железобетонной конструкции шпалы на изгиб как в подрельсовой зоне, так и в центральной части шпалы.
Использование стержней с диаметром более 10,5 мм приводит к увеличению металлоемкости железобетонной шпалы, что нецелесообразно. Применение стержней диаметром меньше 3 мм технически не представляется возможным и затрудняет получение необходимой трещиностойкости железобетонной шпалы.
Применение в конструкции стержней в количестве меньше 4 приводит к растрескиванию бетона. Применение стержней в количестве больше 50 экономически нецелесообразно.
Закладные элементы, выполненные в виде дюбелей, состоящих из корпуса с установленным на нем армирующим элементом в виде спирали, содержащим верхнее цилиндрическое основание и участок с внутренней и наружной резьбой, при этом спираль имеет форму песочных часов с уменьшением диаметра в средней части и расширением к верху и к низу в форме конуса, позволяют повысить трещиностойкость и жесткость железобетонной конструкции в подрельсовой зоне.
Пример
Был изготовлен ряд железобетонных шпал заявленной конструкции для участка железнодорожного пути длинной 25 м. Расстояние между точками пересечения плоскости подрельсовой площадки и плоскости внешней упорной поверхности составило 1985 мм. Железобетонная шпала содержала 6 предварительно напряженных стержней. Диаметр стержней составил 9,6 мм. Общая сила натяжения стержней 510 кН. На концах подрельсовых площадок находились закладные элементы, выполненные в виде дюбелей, состоящих из корпуса с верхним цилиндрическим основанием и участком с внутренней и наружной резьбой, с расположенными на них спиралями в форме песочных часов с уменьшением диаметра в средней части и расширением к верху и к низу в форме конуса.
В условиях ПАО «Северсталь» на железнодорожных путях с осевыми нагрузками более 500 кН в течение 6 месяцев проводились испытания железобетонных шпал. В ходе визуального контроля не было выявлено дефектов железобетонных шпал, и замена их не требовалась. На ранее используемых шпалах за это время появлялись трещины в районе подрельсовых площадок.
Испытания показали, что использование предложенной железобетонной шпалы продлевает срок службы путей на 20% и позволяет пропускать подвижной состав с осевыми нагрузками более 400 кН.