Путевая плита безбалластного основания железнодорожного пути

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, а именно к плитам безбалластного основания железнодорожного пути, например, колеи 1520 мм для высокоскоростного грузопассажирского движения.
Известна дорожная плита, относящаяся к области строительства, в частности к конструкциям плит покрытий автомобильных дорог, автостоянок и различных большегрузных площадок. Дорожная плита содержит бетон с фиброй и металлическую арматуру в нижней части,, причем фибра, содержащаяся в бетоне, при оголении не наносит вред шине транспортного средства и выполнена, например, из стекловолокна, базальта или полипропилена (патент РФ №2595020, МПК: Е01С 5/08, опубл. 20.04.2016 г. БИ №11) - аналог.
Недостатком известного решения является невозможность использования для нужд высокоскоростного железнодорожного движения с обеспечением требуемых условий прочности и надежности.
Известна конструкция путевой плиты безбалластного основания железнодорожного пути из предварительно напряженного бетона, которая содержит встроенные крепежные элементы, изолированные друг от друга и неконтактирующие между собой стержни из ненапряженной стали, ориентированные в теле плиты продольно и поперечно, и стержни из предварительно напряженной стали, расположенные по длине и ширине плиты (патент РФ №2588352, МПК: Е01В 3/34, опубл. 27.06.2016 г.) - прототип.
Недостатком известного решения является недостаточная вибростойкость и надежность плиты особенно при высокоскоростном движении, что обусловлено отсутствием контакта между продольными и поперечными стержнями ненапрягаемой стальной арматуры. Каждый из продольно и поперечно ориентированных стержней ненапрягаемой стальной арматуры контактирует с цементным камнем тела плиты, но с учетом того, что нагрузки, как по величине, так и по направлению воздействия на продольные и поперечные стержни не равнозначны, а ненапрягаемые стержни не соединены друг с другом, в теле плиты возникает нагрузочный дисбаланс, который приводит к усиленному разрушению цементного камня. Особенно интенсивно такие процессы протекают при наличии вибрационных воздействий, характерных для железнодорожной нагрузки в целом и, особенно при высокоскоростном движении, что приводит к быстрому развитию трещин в бетоне, характерных для конструкций с недостаточной вибростойкостью и надежностью и не обеспечивает долговечность известной плиты на длительный срок эксплуатации.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение вибростойкости и надежности путевой плиты безбалластного железнодорожного пути, путем перераспределения нагрузок в сетках стержней из ненапрягаемой арматуры и повышение сопротивления растягивающим напряжениям бетонного камня плиты.
Указанный технический результат достигается тем, что путевая плита безбалластного основания железнодорожного пути из бетона содержит встроенные крепежные элементы и ненапряженную арматуру, расположенную в теле плиты продольно и поперечно, причем путевая плита выполнена из фибробетона, а ненапряженная арматура выполнена в виде стержней, размещенных в плите с образованием сетки в зоне верхней поверхности плиты и сетки в зоне нижней поверхности плиты, каждая сетка установлена на высоте защитного слоя Н плиты и образована продольными и поперечными стержнями, соединенными между собой в местах пересечения соответствующих продольных и поперечных стержней.
Плита, характеризующаяся тем, что ненапряженная арматура выполнена из ненапряженной стали.
Плита, в которой соединение соответствующих продольных и поперечных ненапряженных стержней из стали осуществляется сваркой.
Плита, характеризующаяся тем, что ненапряженная арматура выполнена из композитного материала.
Плита, в которой соединение соответствующих продольных и поперечных стержней из композитного материала выполнено клеевым.
Плита, в которой соединение сеток из ненапряженных стержней осуществляется стержневыми элементами - хомутами.
Возможно изготовление каждой из сеток из ненапряженных стержней материала разных групп (одинакового или различного в пределах одной сетки), например, верхняя сетка может быть образована ненапряженными стержнями из стали, а нижняя из - композитного материала, или наоборот, а также возможно изготовление верхней или нижней сеток (или их обеих) совместно из стальных и композитных стержней. Выбор материала стержней зависит от размеров плиты, от условий работы плиты и т.д. В качестве композитного материала могут быть использованы нити из стекловолока или базальтового волокна или углеродного волокна, объединяемые полимерными смолами с модулем упругости получаемого материала не менее 30 ГПа и прочностью не менее 200МПа.
Плита, характеризующаяся тем, что встроенные крепежные элементы выполнены в виде полимерных дюбелей.
Плита, характеризующаяся тем, что используется фибробетон, армированный металлической фиброй.
Плита, характеризующаяся тем, что используется фибробетон, армированный фиброй из полимерного материала.
Плита, в которой используется фибра из минеральных или синтетических волокон, например, стеклопластика, базальтового волокна, полиэфиновых нитей и т.д.
Заявляемое решение конкретизировано на фиг. 1-4, где на фиг. 1 - представлен вид заявляемой плиты с размещением ненапряженной арматуры на фиг. 2 - увеличенный вид А фиг. 1 с указанием защитного слоя тощиной Н, на фиг. 3 сечение Б-Б подрельсового узла плиты, показанной фиг. 1. на фиг. 4 - представлен вид сверху на заявляемую плиту.
Путевая плита 1 безбалластного основания железнодорожного пути содержит встроенные крепежные элементы 2, ненапряженные стержни 3 из стали или композитного материала, ориентированные в теле плиты продольно, и стержни 4 из ненапряженной стали или композитного материала, ориентированные в теле плиты поперечно. Стержни 3 и 4 образуют сетки, одна из которых расположена в зоне верхней поверхности плиты, а другая - в зоне нижней поверхности плиты, причем каждая сетка установлена на высоте защитного слоя. Для дополнительного уменьшения усадки и ползучести заявляемой конструкции, сетки могут быть связаны между собой стержневыми элементами, например, вертикальными хомутами 5, как показано на фиг. 1 и фиг. 4, которые объединяют верхнюю и нижнюю сетки из ненапряженных продольных и поперечных стержней и могут, выступать из нижней поверхности плиты для обеспечения дополнительной связи с основной площадкой земляного полотна или монтажного слоя, который устроен на ней, повышая сдвиговое сопротивление, или оставаться в теле плиты.
Высокоскоростное движение поезда, в том числе и по железнодорожному пути колеи 1520 мм, создает большие нагрузки на верхнее строение пути, в которое входят рельсы, подрельсовые скрепления, опоры и плиты, в которые эти опоры интегрированы. Плиты являются массивным основанием для рельсов и передают нагрузку от колес на земляное полотно. Плиты имеют верхнюю 6 и нижнюю 7 поверхности - рабочие поверхности. Подрельсовые опоры интегрированы в верхнюю поверхность плиты, бетон плиты 1 армирован фиброй 8.
В случае организации грузопассажирского движения по высокоскоростной линии уровень динамических воздействий на плиту основания становится более высоким, чем при пассажирском движении. При этом динамическая прибавка воздействия на плиту не является постоянной к статическому давлению (воздействию) на нее. Величина и характер распределения динамического воздействия зависит от скорости движения экипажей, ровности пути, профиля пути, характера тяги (разгон или торможение) и колебательных характеристик как экипажей с учетом рессорных подвешиваний, так и самого верхнего строения пути.
Для восприятия повышенных внутренних усилий в плите, она изготавливается из железобетона, с установкой продольной и поперечной ненапрягаемой арматуры. Для повышения вибростойкости плиты и обеспечения долговечности, в заявляемой конструкции плиты стальные или композитные ненапрягаемые стержни, направленные вдоль и поперек оси плиты, имеют скрепление между собой в местах пересечений, например, жесткое - контактной сваркой для стальных стержней и склейкой для композитных стержней для образования прочной сетки. Для дополнительного уменьшения усадки и ползучести путевой безбалластной плиты, возможно также скрепление сеток между собой стержневыми элементами, например, вертикальными хомутами.
В заявляемой конструкции, при плоском деформированном состоянии в процессе эксплуатации повышается сопротивление ненапрягаемых соединенных в сетку, как продольно, так и поперечно ориентированных стержней, динамическим деформациям как быстрым, так и медленно протекающим. Сетки из ненапрягаемых стержней устанавливаются на высоте защитного слоя от верхней и нижней плоскостей плиты, обеспечивая вибростойкую и долговечную работу плиты, в том числе в зонах максимального сжатия и растяжения.
Размещение ненапряженных стержней из стали или композитного материала в плите с образованием сетки в зоне верхней поверхности плиты и сетки в зоне нижней поверхности плиты, а также то, что каждая сетка установлена на высоте защитного слоя от верхней и от нижней поверхности плиты, в рамках данной заявки означает, что размещение верхней и нижней сеток учитывает параметры защитного слоя железобетонной конструкции (ЖБИ), определенные нормативными документами, и не нарушает их. Верхняя и нижняя сетки расположены вне защитного слоя расположенного, как у верхней, так и у нижней поверхности плиты.
Понятие защитного слоя определено в научной литературе - «Защитный слой бетона в железобетонных конструкциях создается размещением арматуры на некотором удалении от поверхности элемента. Защитный слой бетона необходим для совместной работы арматуры с бетоном на всех стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций, он защищает арматуру от внешних воздействий, высокой температуры, агрессивной среды т.п.» (см. В.Н. Байков, Э.Е. Сигалов «Железобетонные конструкции. Общий курс» изд. 4 1985 г. Москва, стр. 75); и в нормативных документах - Защитный слой бетона - это толщина слоя бетона от грани элемента до ближайшей поверхности арматурного стержня, (п.3.5 СП 63.13330.2018). Длина стержня выбирается с учетом толщины защитного слоя бетона от наружной грани элемента до торцевых поверхностей стержня.
Какой толщины должен быть защитный слой бетона для каждого типа ЖБИ - определяют строительные нормативные документы, например, СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003», а также рабочие чертежи, согласно которым выпускаются бетонные изделия. При этом на нормирование толщины защитного бетонного слоя влияет масса факторов: тип арматуры, назначение изделия, условия его эксплуатации и т.д.
Размещение и выполнение встроенных крепежных элементов выполненных в виде полимерных дюбелей позволяет удобно крепить плиту при изготовлении и на стадии монтажа временными элементами, присоединенными к ней путевыми шурупами, ввернутыми во встроенные крепежные элементы из полимерных дюбелей, а после завершения монтажа снять все лишние монтажные элементы.
Для обеспечения достижения заявленного технического результата при отсутствии в конструкции преднапряженных элементов, помимо расположения ненапряженной арматуры таким образом, как это описано выше, ее бетон модифицирован фиброй, которая может быть как стальной, так и изготовленной из минерального (базальтовая, стекловолоконная и т.д.) и синтетического (полипропиленовая) сырья.. Используемая фибра вне зависимости от ее вида, должна соответствовать ГОСТ 14613-83 «Фибра. Технические условия». Размер и количество фибры, необходимой для армирования бетона при изготовлении заявляемой плиты, определяется размерами плиты, маркой бетона, условиями эксплуатации и т.д., и определяется для каждого конкретного случая, исходя из условия обеспечения прочности плиты на растяжение не ниже 4,5-7 МПа, что в совокупности с заявляемым размещением ненапряженных стержней, достаточно для восприятия всех видов нагрузок, приходящихся на плиту, в том числе в условиях высокоскоростного движения. При этом фибра дополнительно снижает величину усадки и ползучести бетона, кроме того упрощается технология изготовления плиты, поскольку исключена необходимость применения преднапряженной арматуры.
3
Пример выполнения. В качестве примера конкретного выполнения заявляемой полезной модели можно привести ее проектную разработку в виде плиты с габаритными размерами длина 4636 мм, ширина 2600 мм, толщина 220 мм, на верхней плоскости плиты интегрированы по 8 подредльсовых опор под каждый рельс, плита выполнена из бетона класса В 50 по прочности на сжатие по ГОСТ 26633-2012 объемом 2, 8254 м. Ненапрягаемая арматура выполнена из стержней диаметром 12 мм из стали периодического профиля по ГОСТ 5781-82 длинами продольные 4586 мм, поперечные длиной 2550 мм с толщиной защитного слоя 25 мм от верхней или нижней поверхности плиты, с хомутами, объединяющими верхнюю и нижнюю сетки из стальных стержней, толщиной 12 мм периодического профиля по ГОСТ 52544-2006. Продольные и поперечные стержни ненапрягаемой арматуры сварены между собой в местах пересечений контактной сваркой с образованием сетки. Бетон плиты - сталефибробетон по СП 52-104-2006, с металлической фиброй длиной 35 мм. Крепежные элементы выполнены из пластмассовых дюбелей ЦП 369 ТУ-7 под путевой шуруп ЦП 54, расположенные на боковых сторонах плиты на расстоянии 880 мм от края по два с каждой стороны.
При лабораторных натурных испытаниях плита, выполненная в соответствии с заявляемой конструкцией, показала долговечность на 20% выше, чем известное решение, принятое за прототип, восприятие временной нагрузки до образования первых трещин в бетоне - на уровне прототипа.