ШПАЛА ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ С ПОВЫШЕННЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ СДВИГУ В БАЛЛАСТЕ
REINFORCED CONCRETE SLEEPER WITH HIGHER RESISTANCE TO SHIFT IN BALLAST

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности к конструкции железобетонных шпал для участков обращения поездов массой до 6300 тонн.
Известна сборная железобетонная шпала, состоящая из двух армированных железобетонных блоков и соединительного элемента, при этом соединительный элемент выполнен в виде съемной балки, соединенной посредством болтов с закладными деталями, размещенными в железобетонных блоках (патент РФ №13378, E01B 3/32, 2000 г.) - аналог.
Недостатком известного решения является недостаточная изгибная прочность в условиях больших осевых нагрузок подвижного состава и грузонапряженности движения, что приводит к увеличенным остаточным осадкам пути.
Известна железобетонная шпала, состоящая из двух симметрично расположенных подрельсовых частей с имеющимися на них подрельсовыми площадками и средней части (М.А.Фришман и др. «Конструкция железнодорожного пути и его содержание», М., «Транспорт», с.74-75) - аналог.
Недостатком известного решения является то, что при его использовании не обеспечивается необходимое сопротивление сдвигу в поперечном к оси пути направлении.
Известна шпала железобетонная предварительно напряженная с повышенным сопротивлением сдвигу в балласте, состоящая из выполненных зацело двух симметрично расположенных подрельсовых частей и средней части, причем соотношение площадей поперечного сечения средней части и наибольшей площади поперечного сечения подрельсовой части составляет 1:1,5 (патент РФ №77613, МПК E01B 3/28 (2006.01), опубл. 2008.10.27) - прототип.
Недостатком известного решения является то, что оно не достаточно надежно, в частности в кривых участках пути. Это связано с тем, что в известном решении не учтены соотношения торцевых размеров подрельсовых частей и средней части, и кроме того, в данном решении не предусмотрено армирование шпалы металлическими элементами.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение трещинностойкости, прочности и жесткости железобетонной шпалы.
Указанный технический результат достигается тем, что шпала железобетонная, предварительно напряженная, с повышенным сопротивлением сдвигу в балласте, содержащая среднюю часть и две симметричные подрельсовые части, армирована стержнями с предварительным напряжением, концы стержней защищены на торцах подрельсовой части шпалы, причем соотношение площадей торца подрельсовой части шпалы и в среднем сечении шпалы определяется либо из соотношения 1,3≤S/S1≤1,33, либо из соотношения 1,35<S/S1<1,6, где S - площадь торца подрельсовой части шпалы, S1 - площадь в среднем сечении шпалы.
Шпала может быть армирована, по меньшей мере, четырьмя стержнями с серповидным профилем, расположенными симметрично относительно плоскости симметрии шпалы.
Шпала, у которой концы стержней могут быть защищены пластмассовыми пробками или заделаны цементно-песчаным раствором или каким либо другим способом.
Сущность заявляемого решения поясняется на фиг.1-3, где на фиг.1 представлен вид сверху шпалы железобетонной, предварительно напряженной, с повышенным сопротивлением сдвигу в балласте, на фиг.2 - вид А фиг.1, на фиг.3 - сечение Б-Б фиг.1.
Заявляемая шпала содержит подрельсовую часть 1, среднюю часть 2, участок 3, стыкующий среднюю часть 2 с подрельсовой частью 1, причем подрельсовая часть 1 имеет торец 4. Шпала армирована стержнями 5, 6, 7 и 8 с предварительным напряжением, концы которых защищены на торцах подрельсовой части 1 шпалы.
Заявителем проведены теоретические и экспериментальные исследования, которые показали, что для достижения заявляемого технического результата для заявляемого решения необходимо выполнение совокупности следующих условий:
- использование предварительно напряженного железобетона, особенно в средней части шпалы;
- армирование шпалы металлическими стержнями с предварительным натяжением;
- обеспечение заявляемого диапазона соотношения площадей торцевой поверхности подрельсовой части и в среднем сечении шпалы.
Применение предварительно напряженного железобетона способствует повышению трещинностойкости, прочности и жесткости заявляемой шпалы, причем для достижения оптимальных показателей желательно использование тяжелого бетона класса прочности на сжатие не ниже В55.
Для повышения трещинностойкости, прочности и жесткости шпалы ее армирование необходимо производить, по меньшей мере, четырьмя металлическими стержнями, величина начальной силы натяжения которых определяется в зависимости от конкретного материала, из которого они изготовлены, их геометрических параметров и т.д. Концы стержней на торцах шпалы должны быть защищены пластмассовыми пробками или заделаны цементно-песчаным раствором или другим материалом, причем для облегчения распалубки шпал дополнительно допускается применение на концах стержней (вокруг них) полимерных элементов, например наконечников, которые при распалубке остаются в теле бетона шпалы.
В случае обеспечения заявляемого соотношения площадей торца подрельсовой части шпалы и в среднем сечении шпалы либо из соотношения 1,3≤S/S1≤1,33, либо из соотношения 1,35≤S/S1≤1,6, где S - площадь торца подрельсовой части шпалы, S1 - площадь в среднем сечении шпалы, заявляемый технический результат также достигается.
В случае, если заявляемое соотношение больше 1,6, то увеличиваются объем и массовые характеристики шпалы, что в совокупности с элементами армирования приводит к снижению показателей трещинностойкости и прочности заявляемой шпалы. Кроме того, в настоящее время для укладки рельсошпальной решетки используются краны ограниченной грузоподъемностью. При существующих нормативах укладки по количеству шпал на километр пути вес шпалы также ограничен.
В случае, если заявляемое соотношение меньше 1,3, то это предполагает либо утоньшение шпалы в среднем сечении для сохранения возможности формирования достаточного балластного слоя, либо сокращения балластного слоя. В обоих случаях произойдет снижение показателей прочности, жесткости и трещинностойкости заявляемой шпалы.
Заявителем проведены испытания шпал из бетона класса В55, морозостойкостью F200, размеры - длина 2700 мм, ширина 320 мм, высота 222 мм, армирование шпал произведено четырьмя стержнями диаметром 9,6 мм с серповидным профилем по ТУ 0930-011-01115863-2008, из термически упрочненной арматурной стали Ат1400К. По результатам испытаний шпалы выдержали без образования трещин следующие контрольные нагрузки:
в подрельсовом сечении при изгибе вниз - 12000 кгс;
в среднем сечении при изгибе вверх - 10000 кгс; при изгибе вниз - 6000 кгс.