Шпала железобетонная

Полезная модель относится к верхнему строению железнодорожного пути, а именно к конструкции шпал железобетонных, и может быть использована в конструкции железных дорог общего пользования, магистральных линий, в том числе с повышенными осевыми нагрузками, высокой грузонапряженностью, высокоскоростных линий, подъездных путей, а также путей городского рельсового транспорта.
Из уровня техники известна железобетонная шпала, выполненная в форме армированного бруса с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с наклонными верхними поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления и с гнездами для закладных деталей или с замоноличенными анкерными деталями (Железнодорожный путь. Под ред. Т.Г. ЯКОВЛЕВОЙ. - М.: Транспорт, 2001, с. 46-48, рис. 1.34.). Недостатки данной шпалы следующие.
При угле наклона боковых сторон сечения шпалы 75-77 градусов к основанию шпалы затруднено уплотнение щебня между шпалами при укладке рельсошпальной решетки и ремонтных работах, а также возможно заклинивание рельсошпальной решетки при ее извлечении при проведении ремонтных работ.
Для шпалы с номинальной высотой торца порядка 150 мм невозможно использование для армирования стержней диаметром порядка 7-8 мм, из-за раскалывания шпал в торцевой части от расклинивающих напряжений преднапряженной арматуры. Также большой наклон верхней площадки концевой части не позволяет устанавливать технологический инструмент в процессе ремонтных, либо других работ при эксплуатации.
При высоте шпалы в средней части порядка 145 мм возможно раскалывание шпалы при монтаже пути в нерабочем состоянии, когда щебень не уплотнен и происходит изгиб в этом сечении в противоположную, чем при эксплуатации сторону.
В качестве наиболее близкого аналога принята шпала железобетонная, включающая брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с верхними поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления с закладными или анкерными деталями, армированный в четыре вертикальных ряда проволоками расположенными симметрично по два ряда относительно вертикальной оси поперечного трапецеидального сечения (RU 93812 U1, Е01В 3/00, 10.05.2010). Армирование бруса выполнено в виде 16 высокопрочных проволок, при этом каждый первый ряд содержит пять проволок, а каждый второй ряд содержит три проволоки, причем 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. В подрельсовом сечении номинальные размеры шпалы составляют соответственно 225 мм, 185 мм и 277 мм.
Известная конструкция шпал имеет недостатки. Опыт эксплуатации шпал данной конструкции свидетельствует об ограниченном их применении, а именно при осевых нагрузках подвижного состава до 25 т/ось, а также о том, что в центральных участках шпалы формируются поперечные трещины в первый период эксплуатации и при осуществлении выправочно-подбивочно-рихтовочных работ специализированными машинами.
Задачей, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в устранении недостатков, выявленных в предшествующем уровне техники. Технический результат, на который направлена данная полезная модель, заключается в повышении прочности, а следовательно, эксплуатационной надежности и долговечности шпалы в течение всего срока эксплуатации при повышенных осевых нагрузках на основе.
Технический результат достигается тем, что шпала железобетонная, выполненная в виде бруса с трапецеидальным поперечным сечением, с подрельсовыми поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления, содержащего арматурную проволоку, согласно полезной модели, брус армирован продольной арматурной проволокой, расположенной в шесть горизонтальных рядов, равномерно удаленных от верхней и нижней граней шпалы с шагом, равным 20-30 мм, и четыре вертикальных ряда с шагом между первым и вторым, а также третьим и четвертым рядами, равным 20-30 мм, а между вторым и третьим рядом с шагом, равным 80-120 мм, расположенных симметрично относительно вертикальной оси поперечного сечения бруса, причем верхние два ряда содержат по две арматурные проволоки, размещенные в ближних к оси вертикальных рядах, а нижние четыре ряда содержат по четыре арматурные проволоки.
Шпала железобетонная может содержать закладную деталь для идентификационных данных.
К нижней грани шпалы железобетонной на стадии формования может быть прикреплена подшпальная прокладка.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен общий вид шпалы; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез С-С на фиг. 1.
Шпала железобетонная с шириной колеи 1520 мм выполнена из бетона марки не ниже М500 и состоит из армированного бруса 1 с трапецеидальным поперечным сечением, с подрельсовыми поверхностями 2 для размещения деталей рельсового скрепления 3 с закладными деталями. Армирование бруса 1 выполнено в виде двадцати высокопрочных арматурных проволок 4 периодического профиля, имеющих сечение диаметром не более 8 мм, например, класса Вр-1, расположенных в шесть горизонтальных рядов, равномерно удаленных от верхней 5 и нижней 6 граней шпалы с шагом, равным 20-30 мм, и четыре вертикальных ряда с шагом между первым и вторым, а также третьим и четвертым рядами, равным 20-30 мм, а между вторым и третьим рядом с шагом, равным 80-120 мм, расположенных симметрично относительно вертикальной оси поперечного сечения бруса, причем верхние два ряда содержат по две арматурные проволоки, размещенные в ближних к оси вертикальных рядах, а нижние четыре ряда содержат по четыре арматурные проволоки.
Железобетонную шпалу из армированного бруса 1 производят следующим образом. В форму для изготовления шпал устанавливают и фиксируют арматурную проволоку 4 периодического профиля. В форму подается бетонная смесь, уплотняемая вибрированием на вибростендах. Далее диафрагмы между шпалами изымаются из формы. Далее отформованные шпалы из армированного бруса 1 поступают в пропарочную камеру. После термовлажностной обработки разрезают арматурную проволоку 4 между смежными шпалами 1 и производят опорожнение форм, испытания шпал на трещиностойкость и подача изготовленных шпал на склад готовой продукции.
На верхних поверхностях концевых участков железобетонной шпалы из армированного бруса 1 может быть установлена закладная деталь для идентификационных данных, известная, например, из RU 182274 U1, 09.08.2018 или из RU 185599 U1, 02.04.2019.
К нижней грани 6 шпалы железобетонной из армированного бруса 1 на стадии формования шпал в форме может быть прикреплена подшпальная прокладка, известная, например, из RU 188195 U1, 02.04.2019 или из RU 209004 U1, 26.01.2022 или из RU 210416 U1, 14.04.2022. Применение подшпальных прокладок способствует снижению механических нагрузок на балласт, увеличению несущей способности железнодорожных путей.
Установка арматурной проволоки 4 в шесть горизонтальных рядов, равномерно удаленных от верхней 5 и нижней 6 граней шпалы с шагом, равным 20-30 мм, и четыре вертикальных ряда с шагом между первым и вторым, а также третьим и четвертым рядами, равным 20-30 мм, а между вторым и третьим рядом с шагом, равным 80-120 мм повышает надежность всей шпалы.
Установка арматурной проволоки с шагом, соответственно, менее 20 мм и менее 80 мм снижает надежность шпалы из-за уменьшения защитного слоя бетона.
Установка арматурной проволоки с шагом, соответственно, более 30 мм и более 120 мм увеличивает избыточную массу шпалы.
Размеры шпалы в торце имеют соответственно номинальные размеры трапецеидального сечения по высоте H1, по ширине верхнего и нижнего оснований L1 и L2, причем в подрельсовом сечении номинальные размеры шпалы составляют соответственно Н2, L3 и L4 мм. Геометрические размеры Н1…Н2 и L1…L4 определяются для каждой шпалы с учетом сферы ее применения. Например, при изготовлении шпалы для применения на сети магистральных железнодорожных линий, в том числе высокоскоростных, железнодорожных линиях общего и необщего пользования, подъездных рельсовых путях промышленных предприятий, рельсовых путях в тоннелях геометрические размеры шпал составляют: H1=180…205 мм, Н2=180…235 мм, L1=175…200 мм, L2=255…300 мм, L3=165…185 мм, L4=L2. Геометрические размеры шпал для использования в условиях городских агломераций определяются с учетом осевых нагрузок, типа применяемого подвижного состава, технических характеристик рельсов.
Проведенные исследования показали, что армирование бруса в шесть горизонтальных рядов, равномерно удаленных от верхней и нижней грани с шагом, равным 20-30 мм, и четыре вертикальных ряда с шагом между первым и вторым, а также третьим и четвертым рядами, равным 20-30 мм, а между вторым и третьим рядом с шагом, равным 80-120 мм, расположенных симметрично относительно вертикальной оси поперечного сечения бруса, причем верхние два ряда содержат по две арматурные проволоки, размещенные в ближних к оси вертикальных рядах, а нижние четыре ряда содержат по четыре арматурные проволоки, обеспечивает достаточное равномерное по сечению шпалы усиление материала шпалы элементами более высокой жесткости - арматурной проволокой периодического профиля. Такое размещение армирующих элементов обеспечивает повышение не только продольной, но и поперечной жесткости шпалы, что является важным фактором с позиции воздействия на шпалу не только вертикальных усилий вследствие взаимодействия колеса подвижного состава с рельсом в вертикальной плоскости, но и горизонтальных усилий, реализуемых при взаимодействии гребня колеса с головкой рельса, при том, что величина боковых сил может достигать 45% от величины вертикального усилия. Также, данная схема армирования способствует повышению прочности шпалы при действии на нее сдвигового усилия со стороны рельса при реализации подвижным составом режимов тяги или торможения, что способствует формированию значительных нагрузок.
Таким образом, заявленная конструкция шпалы обеспечивает равномерное по сечению шпалы усиление материала шпалы элементами более высокой жесткости и соответственно, ведет к повышению прочности, а следовательно, эксплуатационной надежности и долговечности шпалы.
Результаты исследований, подтверждающие повышение итогового срока эксплуатации.
Был вычислен коэффициент запаса по трещиностойкости в средней зоне при осевой нагрузке в 27 т/ось, который является отношением предельного изгибающего момента к максимальным эксплуатационным значениям.
Результаты исследований по условию трещиностойкости шпал в среднем сечении шпалы при минимальных значениях диапазонов геометрических параметров приведены в таблице №1.