ШПАЛА ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, к верхнему строению рельсового пути, а именно к железобетонным предварительно напряженным шпалам, и может быть использована в конструкциях прямолинейных и криволинейных участков высокоскоростных магистралей.
Известна железобетонная предварительно напряженная шпала (патент Украины на полезную модель №76133, МПК Е01В 3/00, дата подачи заявки 05.06.2012), включающая железобетонный брус с переменным по длине трапециевидным поперечным сечением с подошвой и верхними подрельсовыми площадками, продольную арматуру, выполненную в виде арматурных стержней, расположенных в боковых частях шпалы с образованием двух армированных зон, симметричных относительно продольной оси шпалы в поперечном ее сечении, две пары анкеров, установленных в продольной вертикальной плоскости шпалы на концах подрельсовых площадок, каждый из которых выполнен в виде головки, выступающей над подрельсовой площадкой, и соединенного с головкой хвостовика, замурованного в теле шпалы. Хвостовик анкера выполнен с поперечными ребрами по его длине. Характерной особенностью шпалы является то, что наименьшее расстояние между арматурными стержнями выбирают в зависимости от наибольшей фракции заполнителя бетона, из которого изготовлена шпала, по следующему соотношению: Δ=(0,95-10) Ф, где Δ - наименьшее расстояние между арматурными стержнями, Ф - наиболее крупная фракции заполнителя для бетона, что повышает прочность шпалы.
Известна также шпала железобетонная универсальная (патент Российской Федерации на полезную модель №93812, МПК Е01В 3/00, дата подачи заявки 09.10.2009), включающая брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с верхними поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления с закладными или анкерными деталями. Брус армирован четырьмя вертикальными рядами проволоки, расположенными симметрично по два ряда относительно вертикальной оси поперечного трапецеидального сечения бруса. Армирование бруса выполнено в виде высокопрочных проволок, при этом каждый первый ряд содержит пять проволок, а каждый второй ряд содержит три проволоки.
Общими признаками указанных аналогов и заявляемого решения, являются: шпала железобетонная, включающий железобетонный брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и верхними подрельсовыми площадками, продольную арматуру, образующую в боковых частях железобетонного бруса армированные зоны, симметричные относительно вертикальной оси бруса в поперечном его сечении, две пары анкеров, установленных в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса на концах подрельсовых площадок, каждый из которых выполнен в виде головки, выступающей над подрельсовой площадкой, и хвостовика, соединенного с головкой и замурованного в теле железобетонного бруса.
В указанных аналогах надежность закрепления анкера в железобетонном брусе шпалы низкая, так как конструкция хвостовика не обеспечивает достаточного анкерного эффекта. Железобетонный брус шпалы армирован только продольной арматурой. Элементы поперечной арматуры отсутствуют. При эксплуатации таких шпал в условиях значительных динамических нагрузок высока вероятность возникновения и развития трещин в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса шпалы. Все указанное снижает эксплуатационную надежность и долговечность шпалы.
В качестве прототипа выбрана шпала железобетонная, известная по патенту Российской Федерации на полезную модель №109465, МПК Е01В 3/32, дата подачи заявки 27.04.2011.
Железобетонная шпала содержит армированный железобетонный брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с верхними подрельсовыми площадками для размещения деталей рельсового скрепления с анкерами.
Каждый из анкеров выполнен в виде головки, выступающей над подрельсовой площадкой, и хвостовика, замоноличенного в бетоне бруса. Хвостовик анкера имеет двутавровую форму. В головке выполнена выемка для фиксации усов (концевых участков) упругой клеммы рельсового скрепления.
Арматура железобетонного бруса выполнена из стержневых элементов, расположенных вдоль железобетонного бруса симметрично относительно вертикальной оси поперечного сечения железобетонного бруса с образованием в боковых его частях армированных зон (продольная арматура).
Анкеры установлены в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса попарно на концах подрельсовых площадок. Каждый анкер выполнен в виде головки, выступающей над подрельсовой площадкой, и хвостовика, соединенного с головкой и замурованного в теле железобетонного бруса.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения, являются: шпала железобетонная, включающая железобетонный брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и верхними подрельсовыми площадками, продольную арматуру, образующую в боковых частях бруса армированные зоны, симметричные относительно вертикальной оси бруса в поперечном его сечении, две пары анкеров, установленных в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса на концах подрельсовых площадок, каждый из которых выполнен в виде головки, выступающей над подрельсовой площадкой, и хвостовика, соединенного с головкой и замурованного в теле железобетонного бруса.
В прототипе, как и в выше указанных аналогах, надежность закрепления анкера в железобетонном брусе шпалы низкая, так как конструкция хвостовика не обеспечивает достаточного анкерного эффекта, железобетонный брус шпалы армирован только продольной арматурой, элементы поперечной арматуры отсутствуют. При эксплуатации таких шпал в условиях значительных динамических нагрузок, характерных для скоростного движения железнодорожного транспорта, высока вероятность возникновения и развития трещин в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса шпалы (в неармированной зоне), особенно в местах соединения рельс с железобетонным брусом шпалы, что снижает эксплуатационную надежность и долговечность шпалы. При выявлении таких трещин шала подлежит замене.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования шпалы железобетонной, в которой за счет конструктивных особенностей повышается надежность закрепления анкера в железобетонном брусе шпалы и предупреждается образование трещин в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса шпалы, чем повышается эксплуатационная надежность и долговечность шпалы при ее эксплуатации в условиях высоких динамических нагрузок.
Поставленная задача решается тем, что в шпале железобетонной предварительно напряженной, включающей железобетонный брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и верхними подрельсовыми площадками, элементы продольной предварительно напряженной арматуры, образующие в боковых частях железобетонного бруса армированные зоны, симметричные относительно вертикальной оси железобетонного бруса в поперечном его сечении, две пары анкеров, установленных в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса на концах подрельсовых площадок, каждый из которых выполнен в виде головки, выступающей над подрельсовой площадкой, и хвостовика, соединенного с головкой и замурованного в теле железобетонного бруса, согласно полезной модели хвостовик каждого анкера выполнен с разветвлениями, размещенными над армированными зонами железобетонного бруса в плоскости, перпендикулярной продольной оси железобетонного бруса, и с вертикальным стержнем, который является продолжением хвостовика в нижней части и расположен между армированными зонами железобетонного бруса.
Указанные признаки являются существенными признаками полезной модели, так как являются необходимыми и достаточными для достижения технического результата - повышение надежности закрепления анкера в железобетонном брусе шпалы и предупреждение образования трещин в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса шпалы.
Надежность закрепления анкера в железобетонном брусе шпалы обеспечивается радиальными разветвлениями хвостовика, размещенными в неармированной зоне подрельсовой части железобетонного бруса шпалы, и вертикальным стержнем, как продолжением хвостовика, размещенным между армированными зонами железобетонного бруса, где имеют место сжимающие напряжения от продольной арматуры. Предупреждение трещин в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса шпалы обеспечивается разветвлениями хвостовика, расположенными над армированными зонами железобетонного бруса и выполняющими функции поперечной арматуры железобетонного бруса шпалы в местах его соединения с рельсами.
Целесообразно разветвления выполнить в виде радиальных стержней, расположенных с противоположных сторон хвостовика попарно и последовательно вдоль продольной оси хвостовика, в частности, в виде двух пар радиальных стержней - верхней и нижней пары радиальных стержней.
Радиальные стержни каждой пары могут быть выполнены с наклоном симметрично относительно продольной оси хвостовика, или перпендикулярно продольной оси хвостовика.
Целесообразно концы радиальных стержней выполнить с головками, а свободный конец вертикального стержня выполнить с утолщением, что дополнительно повышает надежность закрепления анкера в шпале.
Целесообразно концы противоположных радиальных стержней соседних пар соединить с образованием совместно с хвостовиком фигуры "Ф"-образной формы. Такое исполнение повышает степень сцепления стержней с бетоном шпалы и улучшает восприятие знакопеременных и температурных нагрузок, действующих вдоль и поперек хвостовика анкера.
Ниже приводится описание заявляемой шпалы железобетонной со ссылками на чертежи, на которых показано:
Фиг. 1 - Шпала железобетонная предварительно напряженная, вид сбоку.
Фиг. 2 - Шпала железобетонная предварительно напряженная, вид сверху.
Фиг. 3 - Шпала железобетонная предварительно напряженная, разрез А-А на фиг. 1.
Фиг. 4 - Шпала железобетонная предварительно напряженная, разрез Б-Б на фиг. 1.
Фиг. 5-12 - Шпала железобетонная предварительно напряженная, примеры выполнения радиальных стержней.
Шпала железобетонная включает железобетонный брус 1 с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением, подошву 2 и подрельсовые площадки 3 на верхней поверхности бруса 1. Шпала выполнена из предварительно напряженной продольной арматуры, которая содержит арматурные стержни 4, расположенные в боковых частях бруса 1 с образованием двух армированных зон 5, симметричных относительно вертикальной оси 6 бруса 1 в поперечном его сечении. В продольной вертикальной плоскости бруса 1 на концах подрельсовых площадок 3 установлены две пары закладных анкеров 7.
Каждый из закладных анкеров 7 содержит головку 8, которая выступает над подрельсовой площадкой 3 и выполнена с возможностью соединения с упругой клеммой 9, свободные концы которой размещают в пазах 10, 11 головки 8. Пазы 10, 11 выполнены без элементов фиксации свободных концов упругой клеммы 9 с возможностью их перемещения в пределах пазов 10, 11 в заданное нефиксированное положение при изменении ширины рельсовой колеи. Анкеры 7 установлены так, что их головки 8 с упругими клеммами 9 в рельсовом скреплении расположены по обе стороны рельсы 12. В центральной части тела головки 8 выполнена открытая полость 13, что уменьшает расход металла на изготовление анкера 7. Головка 8 соединена с хвостовиком 14, замурованным в теле железобетонного бруса 1.
Хвостовик 14 выполнен с разветвлениями в виде радиальных стержней 15, 16, расположенных с противоположных сторон хвостовика 14 попарно вдоль продольной оси хвостовика 14 над армированными зонами 5 в плоскости, перпендикулярной продольной оси железобетонного бруса 1, и с вертикальным стержнем 17, который является продолжением хвостовика 14 в нижней части и расположен между армированными зонами 5 железобетонного бруса 1, в которых имеют место сжимающие напряжения от продольной арматуры 4.
Радиальные стержни 15, 16 соединены с поперечными ребрами 18, 19, выполненными на хвостовике 14 по его длине.
Разветвления могут быть выполнены в виде двух пар радиальных стержней 15, 16 - верхней пары (стержни 15) и нижней пары (стержни 16), что достаточно для надежного закрепления анкеров 7 в железобетонном брусе 1.
Радиальные парные стержни 15, 16 могут быть выполнены с наклоном симметрично относительно продольной оси хвостовика 14 или перпендикулярно продольной оси хвостовика 14.
На концах радиальных стержней 15, 16 выполнены головки 20, а свободный конец вертикального стержня 17 выполнен с утолщением 21, чем повышается анкерный эффект закрепления хвостовика 14 в железобетонном брусе 1.
Концы противоположных радиальных стержней 15, 16 соседних пар могут быть соединены между собой с образованием совместно с хвостовиком 14 фигуры "Ф"-образной формы.
Указанное выполнение радиальных стержней 15, 16 и вертикального стержня 17, а также их размещения в теле железобетонного бруса 1, повышает надежность закрепления анкера 7 и предотвращает образование продольных трещин в теле железобетонного бруса 1 при эксплуатации шпалы в условиях значительных динамических нагрузок.
На фиг. 4 показана схема размещения анкера 7 в поперечном сечении железобетонного бруса 1 в подрельсовой зоне промежуточного рельсового скрепления. Радиальные стержни 15, 16 размещены в верхней неармированной части железобетонного бруса 1, обеспечивают армирования верхней неармированной части железобетонного бруса 1 в поперечном направлении и отдалены от арматуры 4 для обеспечения электрозащиты. Вертикальный стержень 17 с утолщением 21 расположен в средней зоне железобетонного бруса 1 между армированными зонами 5, где имеют место сжимающие напряжения от продольной арматуры 4.
Радиальные стержни 15, 16 могут иметь различное исполнение.
Так, на фиг 5 показано решение, согласно которому, стержни 15 верхней пары выполнены симметрично наклонными относительно продольной оси хвостовика 14 в сторону нижней пары стержней 16, а стержни 16 нижней пары выполнены перпендикулярно продольной оси хвостовика 14.
На фиг. 7 - стержни 15 верхней пары выполнены перпендикулярно продольной оси хвостовика 14, а стержни 16 нижней пары выполнены симметрично наклонными относительно продольной оси хвостовика 14 в сторону верхней пары стержней 15.
На фиг. 9 - стержни 15 верхней пары выполнены симметрично наклонными относительно продольной оси хвостовика 14 в сторону нижней пары стержней 16, а стержни 16 нижней пары выполнены симметрично наклонными относительно продольной оси хвостовика 14 в сторону верхней пары стержней 15.
На фиг. 11 - стержни 15 верхней пары и стержни 16 нижней пары выполнены перпендикулярно продольной оси хвостовика 14.
Независимо от выполнения стержней 15, 16 свободные концы противоположных боковых стержней 15, 16 соседних пар могут быть соединены между собой с образованием совместно с хвостовиком 14 фигуры "Ф"-образной формы, что показано на фиг. 6, 8, 10, 12.
Предложенное решение шпалы железобетонной предварительно напряженной повышает надежность закрепления анкеров в железобетонном брусе шпалы, так как их хвостовики выполнены с указанными выше стержневыми элементам, размещенными в соответствующих зонах поперечного сечения подрельсовой части железобетонного бруса, которые повышают анкерный эффект и предупреждают образование продольных трещин в теле железобетонного бруса при эксплуатации шпалы в условиях высокоскоростных магистралей, при значительных динамических нагрузках.