Конструктивные решения по уменьшению продольных усилий в рельсах бесстыкового пути на мостах

УДК 624.20 В. Н. Смирнов

КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО УМЕНЬШЕНИЮ ПРОДОЛЬНЫХ УСИЛИЙ В РЕЛЬСАХ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ НА МОСТАХ

Дата поступления: 05.08.2016 Решение о публикации: 27.09.2016

Цель: Осветить некоторые технические решения, направленные на уменьшение усилий в рельсах бесстыкового пути на мостах. Указанные усилия возникают в сечениях рельсов при изменениях температуры наружного воздуха и продольных воздействиях подвижной временной нагрузки. Наиболее часто для этого используют уравнительные приборы в рельсовых нитях по длине моста. Однако, как показывает практика эксплуатации мостов, эти приборы требуют повышенного внимания при содержании пути, кроме того, они достаточно дороги. Предлагается ряд технических решений, позволяющих избежать установки уравнительных приборов или сократить их количество по длине мостового сооружения. Методы: Непрерывный бесстыковой путь может быть реализован как при балластном, так и при безбалластном мостовом полотне, при этом применяются несколько методов решения проблемы. При первом используется принцип «встречных деформаций», когда деформации пролетного строения и балок проезжей части направлены навстречу друг другу, вследствие чего усилия в рельсах не возникают. При втором методе предлагается устраивать в продольных балках проезжей части разрывы с обеспечением встречного направления деформаций элементов пролетного строения.. Еще одно направление - снижение уровня связанности между рельсами и подрельсовым основанием на участке пролетного строения со стороны подвижных опорных частей. Результаты: Предлагаемые решения приводят к возможности избежать устройства уравнительных приборов. Практическая значимость: Это повысит безопасность движения поездов на мостах с бесстыковым путем.

Ключевые слова: Мост, бесстыковой путь, уравнительные приборы, конструктивные решения, уменьшение усилий в рельсах.

Vladimir N. Smyrnov, D. Sci., professor, head of a chair, svn193921@rambler.ru (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) DESIGN CONCEPTS ON LONGITUDINAL STRESS DECREASE IN RAILING OF LONG-WELDED RAILS ON BRIDGES

Objective: To cover a number of technical decisions, aimed at stress decrease in railing of long-welded rails on bridges. The stress in question occur in rail sections when outside temperature is changing and in the process of longitudinal effects of live super load. Methods: Equalizing gears are frequently used in track rails along the length of the bridge. However, as practice of bridge maintenance shows, these devices need special care when maintaining the track and, moreover, are quite expensive. Thus, a number of technical decisions is suggested, which make it possible to avoid equalizing gears' installation or reduce their quantity along the length of the bridge. Seamless long-welded rail may be realized both on ballast and on ballastless deck, in this case several methods of problem solving are applied. In the first case the principle of "oncoming deformations" is applied, when the deformations of a span and floor beams are directed towards each other and, as a result, stresses in railings do not occur. In the second case it is suggested to make breaks in floor beams of bridge way providing the oncoming deformation of span elements. One more case is the reduction of connection level between railings and underfloor bed in span zones on the side of free bearings. Results: It becomes possible to avoid the equalizing gears installation. Practical importance: the safety of train operation on bridges with long-welded rails.

Keywords: Bridge, long-welded rails, equalizing gears, design concepts, stress decrease.

Введение

Мостовое сооружение как основание для бесстыкового пути отличается от земляного полотна повышенной деформативностью [1], в связи с чем в рельсах бесстыкового пути на мосту возникают дополнительные продольные усилия. Их величина определяется несколькими факторами [2], среди которых особо следует выделить температурные осевые деформации пролетного строения, обусловливающие главную составляющую дополнительных напряжений в сечениях рельсов бесстыкового пути на мосту [3]. Иногда эти напряжения столь велики, что превышают допустимые, вследствие чего задача уменьшения продольных усилий в рельсах становится актуальной.

Состояние проблемы

Как показывают исследования работы мостов на высокоскоростных железнодорожных магистралях (ВСМ), продольные усилия в рельсах бесстыкового пути на мосту тем больше, чем длиннее пролет и мостовое сооружение, например эстакада, чем меньше жесткость опор вдоль оси пути, чем меньше жесткость связей между рельсом и подрельсовым основанием. В практике проектирования мостов на ВСМ применяются различные способы

уменьшения усилий в рельсах бесстыкового пути на мосту [4]. Среди них особенно популярно устройство уравнительных приборов в рельсах ввиду создания разрывов рельсовых нитей и снятия тем самым усилия в месте размещения прибора. Число уравнительных приборов по длине моста должно устанавливаться расчетом продольного взаимодействия моста и бесстыкового пути. Размещение уравнительных приборов является кардинальным решением, но, во-первых, появляется «слабое место» в пути вследствие разрыва рельсовой нити, во-вторых, устройство уравнительных приборов затратно, да к тому же требует повышенного контроля за их состоянием в период эксплуатации.

Приведем некоторые технические решения, разработанные на кафедре «Мосты» ПГУПС, позволяющие обеспечить непрерывность бесстыкового пути в случае, если продольные усилия в рельсах по расчету превышают допустимые, а устройство уравнительных приборов по каким-то причинам невозможно.

Технические решения, связанные с изменением конструкции пролетного строения

На рис. 1 представлено решение, позволяющее избежать возникновения продольных усилий в рельсах непрерывного бесстыкового

Рис. 1. Металлическое пролетное строение моста с бесстыковым путем: 1 - пролетное строение; 2 - поперечные связи; 3 - неподвижная опорная часть; 4 - подвижная опорная часть пролетного строения; 5 - поперечная балка пролетного строения; 6 - продольная балка проезжей части; 7 - жесткая связь между поперечными балками; 8 - мостовое полотно; 9 - рельс; 10 - подвижная опорная часть продольной балки; 11 - неподвижная опорная часть

продольной балки

пути за счет обеспечения встречных температурных деформаций пролетного строения и продольных балок проезжей части путем размещения продольных балок над поперечными с опиранием их на опорные части таким образом, чтобы создавалась возможность встречных деформаций указанных конструкций.

Отличие такого решения от описанного в [5] заключается в устройстве горизонтальных трубчатых связей 7 вдоль оси пути между поперечными балками для того, чтобы избежать изгиба поперечных балок при торможении поездной нагрузки.

Если для реализации решения, показанного на рис. 1, требуются индивидуальные конструкции продольных балок, то на рис. 2 показано, как используются типовые железобетонные плитные пролетные строения при езде на балласте. Эффективность решения несколько ниже, чем в предыдущем случае, в связи с меньшим температурным воздействием на бетон, чем на металл из-за подушки балласта, снижающего теплообмен, но может быть применено при устройстве пути на балласте.

На рис. 3 приведено решение [6], обеспечивающее лучшую плавность проезда, чем в предыдущих случаях. Кроме того, упрощается опирание неразрезной продольной балки на поперечные.

Передача тормозных сил может осуществляться не на крайние (у подвижного конца пролетного строения) поперечные балки, что может вызвать их изгиб в поперечной плоскости, а на специальные гидравлические демпферы, допускающие температурные (медленные) деформации пролетного строения без передачи температурного воздействия, но воспринимающие тормозные силы. При этом усилия в рельсах не возникают.

В другом предложении (рис. 4) металлические неразрезные продольные балки уложены на продольные балки балочной клетки пролетного строения. Их опирание осуществляется через стальные катки или антифрикционные каретки, рассредоточенные по длине пролетного строения, что позволяет уменьшить их поперечные сечения по сравнению с предыдущим случаем. Продольные балки балочной клетки, примыкающие торцами к поперечным балкам, создают надежную одноярусную конструкцию проезжей части. При этом усилия в рельсах бесстыкового пути на мосту практически равны нулю, а тормозные силы четко передаются на устой с неподвижными опорными частями.

На рис. 5 представлена конструкция проезжей части пролетного строения с разрывами продольных балок [7] и устройством в

Рис. 2. Металлическое пролетное строение с железобетонными балками и ездой на балласте: 1 - пролетное строение; 2 - поперечные связи; 3 - жесткие продольные связи; 4 - поперечная балка пролетного строения; 5 - неподвижная опорная часть железобетонной балки проезжей части; 6 - подвижная опорная часть железобетонной балки; 7 - подвижная опорная часть пролетного строения; 8 - железобетонная продольная балка проезжей части; 9 - рельс; 10 - железобетонные шпалы: 11 - балласт

Рис. 3. Пролетное строение с неразрезными балками проезжей части: 1 - металлическое пролетное строение; 2 - поперечные связи; 3 - неподвижная опорная часть пролетного строения; 4 - то же, подвижная; 5 - поперечная балка проезжей части; 6 -металлическая неразрезная продольная балка проезжей части; 7 - неподвижная опорная часть продольной балки; 8 - поперечная балка проезжей части; 9 - мостовое полотно; 10 - рельс бесстыкового пути; 11 - гидравлический демпфер

Рис. 4. Сквозное металлическое пролетное строение: 1 - ферма пролетного строения; 2 - поперечные связи; 3 - неподвижная опорная часть пролетного строения; 4 - то же, подвижная; 5 - продольная балка проезжей части; 6 -поперечная балка проезжей части; 7 - катки или антифрикционные каретки; 8 - неподвижная опорная часть неразрезной продольной балки проезжей части; 9 - рельс; 10 - мостовое полотно;

11 - неразрезная балка проезжей части

местах их разрывов продольно-подвижного опирания. Вследствие встречных деформаций пролетного строения и продольных балок проезжей части в рельсах бесстыкового пути температурные усилия не возникают. Однако следствием разрывов становится возможность изгиба поперечных балок проезжей части в

направлении вдоль оси пути при действии тормозных нагрузок. Чтобы избежать этого, в местах разрывов продольных балок предполагается устройство гидравлических демпферов, устроенных таким образом, что достигается возможность медленных деформаций продольных балок от изменения температуры

Рис. 5. Металлическое сквозное пролетное строение с разрывами продольных балок: 1 - ферма пролетного строения; 2 - поперечные связи; 3 - подвижная опорная часть пролетного строения; 4 - то же, неподвижная: 5 - продольная балка; 6 - поперечная балка проезжей части; 7 - продольно-подвижное опирание продольной балки; 8 - рельс; 9 - мостовое полотно; 10 -

гидравлический демпфер

и передачи достаточно кратковременно действующих тормозных сил. Медленные деформации позволяют разгрузить рельсы при изменениях температуры, а демпферы препятствуют деформациям поперечных балок при действии тормозных сил.

Технические решения по снижению усилий в рельсах, основанные на уменьшении сил сопротивления смещениям конца пролетного строения

Эпюры продольных усилий по концам моста и на подходах имеют максимумы, иногда, как показывают расчеты, достигающие больших значений. Во избежание этого в районе конца пролетного строения со стороны подвижных опорных частей целесообразно устранение связей между рельсом и подрельсовым основанием, тогда на участках, где связи отсутствуют, деформации пролетного строения усилий в рельсах не вызывают.

Величину погонного сопротивления [8] на участке 2 рис. 6 можно уменьшить устройством антифрикционного покрытия в паре с полированным стальным листом [9].

Для уменьшения усилий в рельсах бесстыкового пути в районе подвижного конца пролетного строения и подхода возможно

устройство антифрикционного покрытия [9] по верху продольных балок пролетного строения. На рис. 7 показано наличие двух участков: на участке 1 железобетонная плита безбалластного мостового полотна прикреплена к продольным балкам жестко, что помогает воспринимать тормозные силы и ограничивает величину раскрытия зазора в случае излома рельса при понижении температуры, на участке 2 - связь между плитой и балкой антифрикционная. Скольжение продольной балки относительно плиты на этом участке проходит без возникновения усилий в рельсах.

Желание применять сборные конструкции для железобетонной плиты безбалластного мостового полотна [11] может быть реализовано в решении, приведенном на рис. 8. Как известно, в случае безбалластного мостового полотна в виде железобетонных плит типа БМП в рельсах непрерывного бесстыкового пути возникают при изменении температуры большие усилия, обусловленные жесткими связями между плитой и металлическими балками. Чтобы уменьшить величину этих усилий, предложено решение в виде двух-плитной сборной конструкции, когда плиты изготовляются попарно, и для верхней плиты опалубкой служит нижняя [12], чем обеспечивается тесное сопряжение плит.

Рис. 6. Металлическое пролетное строение с ездой на балласте: 1 - сплошностенчатое металлическое пролетное строение; 2 - балластный слой; 3 - железобетонные шпалы; 4 - антифрикционное покрытие под стальным листом;

5 - рельс бесстыкового пути

Рис. 7. Металлическое сквозное пролетное строение с безбалластным плитным мостовым полотном: 1 - ферма пролетного строения; 2 - поперечные связи; 3 - неподвижная опорная часть пролетного строения; 4 - то же, подвижная; 5 - продольная балка проезжей части; 6 -поперечная балка проезжей части; 7 - железобетонное мостовое полотно; 8 - высокопрочные шпильки; 9 - прокладка; 10 - антифрикционная подкладка; 11 - рельс

На части длины в районе неподвижных опорных частей (участок 1 на рис. 8) плиты объединяются жестко (или для улучшения динамических характеристик через упругую прокладку), а на участке 2 - со стороны подвижного конца пролетного строения - через антифрикционное покрытие, укладываемое на нижнюю плиту, на которой устраивается направляющий жёлоб для предохранения от

поперечного смещения верхних плит. При температурной деформации пролетного строения на участке 2 продольные усилия в рельсах бесстыкового пути не возникают.

Что касается рельсов на участке 1, то вследствие жесткого объединения верхней и нижней плит, обусловленного устройством упоров 8 и высокопрочных шпилек 6, в них усилия возникают.

Рис. 8. Пролетное строение с двухплитным мостовым полотном: 1 - неподвижная опорная часть; 2 - пролетное строение; 3 - рельс; 4 - верхняя железобетонная плита; 5 - нижняя железобетонная плита с продольным жёлобом; 6 - высокопрочная шпилька, соединяющая обе плиты; 7 - главная балка; 8 - упор в верхней плите; 9 - высокопрочная шпилька для крепления нижней плиты; 10 - подвижная опорная часть пролетного строения;

11 - антифрикционный слой по нижней плите

Заключение

Приведенными примерами не исчерпывается круг возможных технических решений, позволяющих понизить уровень напряженно-деформированного состояния рельсов бесстыкового пути на мостах при изменениях температуры окружающего воздуха [13-15]. Учитывая достаточно суровые климатические условия нашей страны, разработка предложений по устройству непрерывного бесстыкового пути представляется актуальной.

Библиографический список

1. СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы». - М. : ГП ЦПП ; Минстрой России, 1996. - 176 с.

2. Смирнов В. Н. Факторы, влияющие на усилия в рельсах бесстыкового пути на мостах высокоскоростных железнодорожных магистралей / В. Н. Смирнов, В. А. Бешлиу. Промышленное и гражданское строительство. - 2011. - № 5. -С. 32-34.

3. Смирнов В. Н. Взаимодействие бесстыкового пути с мостовыми сооружениями на высокоскоростных магистралях : учеб. пособие / В. Н. Смирнов. -

М. : ФГБОУ «Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2015. - 96 с.

4. Смирнов В. Н., Уменьшение усилий в элементах системы «мост - бесстыковой путь» / В. Н. Смирнов, А. И. Пальцева // Путь и путевое хозяйство. -2012. - № 8. - С. 28-31.

5. Козьмин Ю. Г. Пролетное строение металлического моста с бесстыковым путем : патент на изобретение № 2098544 от 13.12.1995 г. / Ю. Г. Козьмин, С. Р. Владимирский, А. Г. Доильницын, В. Н. Смирнов. - М., 1995.

6. Смирнов В. Н. Пролетное строение металлического моста с бесстыковым путем : патент на полезную модель № 120107 от 16.02.2012 г. / В. Н. Смирнов, А. И. Пальцева. - М., 2012.

7. Богданов Г. И. Проектирование мостов и труб. Металлические конструкции : учебник / Г. И. Богданов, С. Р. Владимирский, Ю. Г. Козьмин, В. В. Кондратов. - М. : Маршрут, 2005. - 460 с.

8. Прокопович В. С. Определение характеристик связей между рельсами бесстыкового пути и пролетными строениями моста / В. С. Прокопович // Тез. докл. науч.-практ. конференции «Вклад питомцев университета в развитие отечественного мостостроения». - СПб. : ПГУПС, 1999. - С. 47-49.

9. Смирнов В. Н. Железобетонное балочное пролетное строение железнодорожного моста : патент на

изобретение № 2119564 от 15.05.1997 г./ В. Н. Смирнов, О. Д. Тананайко. - М., 1997.

10. Смирнов В. Н. Металлическое пролетное строение моста с бесстыковым путем : патент на изобретение № 2120513 от 15.05.1997 г. / В. Н. Смирнов. - М., 1997.

11. Чижов С. В. Актуальность строительства мостов под ВСМ в условиях Узбекистана / С. В. Чижов, Э. Т. Яхшиев // Новые технологии в мостостроении : сб. тр. Междунар. науч.-технич. конференции / под ред. В. Н. Смирнова. - СПб. : ПГУПС, 2015. - С. 97-100.

12. Мурагина А.О. Безбалластное мостовое полотно на высокоскоростных магистралях / А. О. Мурагина, Ю. О. Мурагина // Новые технологии в мостостроении : сб. тр. Междунар. науч.-технич. конференции / под ред. В. Н. Смирнова. - СПб. : ПГУПС, 2015. - С. 91-93.

13. Мосты на высокоскоростных железнодорожных магистралях : монография / под ред.

B. Н. Смирнова. - СПб. : ПГУПС, 2015. - 274 с.

14. Смирнов В. Н. Проектирование мостов на высокоскоростных железнодорожных магистралях / В. Н. Смирнов, А. И. Пальцева // Промышленное и гражданское строительство. - 2011. - № 5. -

C. 30-31.

15. Смирнов В. Н. Мостовые переходы на высокоскоростных магистралях (ВСМ) / В. Н. Смирнов // 125 лет в мостостроении : сб. тр. / под ред. В. Н. Смирнова. - СПб. : ПГУПС, 2008. -С. 103-112.

References

1. SNiP 2.05.03-84. Mosty i truby [Construction Norms and Regulations 2.05.03-84. Bridges and pipes]. Moscow, Federal State Unitary Enterprise Design products of mass application Center, Mynstroy Rossii [Ministry of construction, housing and communal services of the Russian Federation], 1996, 176 p.

2. Smyrnov V. N. & Beshliu V. A. Faktory, vliy-ayushiye na usyliya v relsakh besstykovogo puty na mostakh vysokoskorostnykh zheleznodoroxhnykh magystraley [Factors influencing the stress in railing of long-welded rails on bridges of high-speed main

lines]. Industrial and civil engineering, 2011, no. 5, pp. 32-34.

3. Smyrnov V. N. Vzaimodeystviye besstykovogo puty s mostovymy sooruzheniyamy na vysokoskorostnykh magystralyakh [Long-welded rails and bridge constructions interaction on high-speed main lines]. Moscow, FGBOU "Learning and teaching educational centre of railway transport" Publ., 2015, 96 p.

4. Smyrnov V. N. & Paltseva A. I. Umensheniye usyliy v elementakh systemy "most-besstykovoy put" [Stress decrease in elements of "bridge-long-welded rails" system]. Put iputevoye khozyajstvo [Track and track facilities], 2012, no. 8, pp. 28-31.

5. Kozmyn Y. G., Doilnitsyn A. G., Vladymyr-skiy S. R. & Smyrnov V. N. Proletnoye stroyeniye metallycheskogo mosta s besstykovym putem. Patent na izobreteniye № 2098544 ot 13.12.1995 [The span structure of a metal bridge with long-welded rails. Patent for invention N 2098544 from 13.12.1995]. Moscow, 1995.

6. Smyrnov V. N. & Paltseva A. I. Proletnoye stroy-eniye metallycheskogo mosta s besstykovym putem. Patent na poleznuyu model № 120107 ot 16.02.2012 [The span structure of a metal bridge with long-welded rails. Useful model patent N120107from 16.02.2012]. Moscow, 2012.

7. Bogdanov G. I., Vladimirsky S. R., Kozmyn Y. G. & Kondratov V. V. Proyektyrovaniye mostov i trub. Metallycheskiye konstruktsii [Bridge and pipes design. Metal constructions]. Moscow, Marshrut Publ., 2005, 460 p.

8. Prokopovich V. S. Opredeleniye kharakte-ristik svyazey mezhdu relsamy besstykovogo puty i proletnymy stroyeniyamy mosta [Identification of interlinking characteristics of long-welded rails and bridge spans]. Scientific conference abstracts "Alumni contribution in domestic bridge engineering". Saint Petersburg, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Publ., 1999, pp. 47-49.

9. Smyrnov V. N. & Tananayko O. D. Zhelezobe-tonnoye balochnoyeproletnoye stroyeniye zheleznodo-rozhnogo mosta. Patent na izobreteniye № 2119564 ot 15.05.1997 [Ferroconcrete braced span of a railway bridge. Patent for invention N 2119564 from 15.05.1997]. Moscow, 1997.

10. Smyrnov V. N. Metallycheskoye prolet-noye stroyeniye mosta s besstykovym putem. Patent na izobreteniye № 2120513 ot 15.05.1997 [Metal bridge span with long-welded rails. Patent for inve-tion N 2120513 from 15.05.1997]. Moscow, 1997.

11. Chyzhov S. V. & Yakhshiyev E. T. Aktualnost stroitelstva mostov pod VSM v usloviyakh Uzbeki-stana [The topicality of bridge construction under high-speed main line in the conditions of Uzbekistan]. Noviye tekhnologii v mostostroyenii. Sb. trudov Mezdunarodnoy nauchno-tekhnycheskoy konferentsii [New technologies in bridge engineering. Coll. Papers of International scientific and technical conference]. Ed. by V. N. Smirnov. Saint Petersburg, St. Petersburg State Transport University Publ., 2015, pp. 97-100.

12. Muragyna A. O. & Muragyna Y. O. Besballast-noye mostovoye polotno na vysokoskorostnykh magys-tralyakh [Ballastless deck on high-speed main lines].

Noviye tekhnologii v mostostroyenii. Sbornyk trudov Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii

[New technologies in bridge engineering. Coll. Papers of International scientific and technical conference]. Ed. by V. N. Smyrnov. Saint Petersburg, St. Petersburg State Transport University Publ., 2015, pp. 91-93.

13. Mosty na vysokoskorostnykh zheleznodorozh-nykh magystralyakh [Bridges on high-speed main line railroads]. Ed. by V. N. Smyrnov. Saint Petersburg, St. Petersburg State Transport University Publ., 2015, 274 p.

14. Smyrnov V. N. & Paltseva A. I. Proyektyrova-niye mostov na vysokoskorostnykh zheleznodorozh-nykh magystralyakh [Bridge engineering on high-speed main line railroads]. Industrial and civil engineering, 2011, no. 5, pp. 30-31.

15. Smyrnov V. N. Mostoviye perekhody na vysokoskorostnykh magystralyakh

СМИРНОВ Владимир Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, svn193921@rambler.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра 1).