Напряженно-деформированное состояние элементов проезжей части на безбалластном мостовом полотне металлических мостов

В настоящее время на мостах с металлическими пролетными строениями железных дорог России все шире применяют безбалластное мостовое полотно (БМП) на железобетонных плитах, которые с помощью высокопрочных шпилек через прокладной слой, выполненный из мелкозернистого бетона, досок твердой древесины или других типов, прикрепляются к балкам проезжей части.

В последние годы тема безбалластного пути была предметом многочисленных споров и дискуссий. Сначала она обсуждалась только специалистами, которые пытались дать объективную оценку такого пути с технико-экономической точки зрения. Однако в дальнейшем круг участников расширился. Так, поводом этих дискуссий стали данные о повышенных расходах при строительстве безбалластного пути по сравнению с традиционным.

Привлекательность БМП для компаний — владельцев инфраструктуры железных дорог, несмотря на более высокие первоначальные капитальные вложения, обеспечивает его существенные достоинства, основными из которых являются устойчивость, сохранение геометрических и динамических характеристик в течение длительного времени и, следовательно, значительно меньшая потребность в текущем содержании и ремонте. Улучшается понимание процессов, имеющих место при взаимодействии БМП с подвижным составом, совершенствуются методы расчетов его экономической эффективности на весь срок службы, более объективными становятся критерии сравнения безбалластного полотна и балластного.

Повышение скорости, интенсивности движения и осевой нагрузки поездов ставят серьезные задачи перед разработчиками новых конструкций безбалластного мостового полотна.

На зарубежных железных дорогах пролетные строения в основном имеют балластное корыто, и мостовое полотно укладывается на балласт.

Однако и там имеются варианты безбалластного пути. Наиболее широко безбалластный путь применяется на железных дорогах Германии, Японии, Нидерландов, Великобритании и др.

Безбалластный путь на плитах мостового полотна признан прогрессивной конструкцией для мостов с металлическими пролетными строениями при осуществляемом в последние годы расширении полигона бесстыкового пути и железобетонного подрельсового основания.

Одной из важнейших задач эксплуатации мостов является безопасность пропуска нагрузок путем обеспечения необходимой грузоподъемности и надежности мостового полотна, которые по мере развития различных повреждений снижаются.

Диссертационная работа посвящена важной и актуальной проблеме эксплуатации, это исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) и обеспечение надежности проезжей части на безбалластном мостовом полотне железнодорожных металлических мостов.

Обращено внимание на металлические соединительные элементы (высокопрочные шпильки) и их влияние на напряженное состояние продольных балок проезжей части. Наиболее частому повреждению подвергаются высокопрочные шпильки, приводящие как к разрушению прокладного слоя, так и к появлению трещин в железобетонных плитах. При этом объектом исследования являются НДС соединительных элементов и балок проезжей части в зонах сварных швов на БМП и влияние НДС на их работоспособность.

Цель диссертационной работы — исследование напряженно-деформированного состояния с учетом пространственной работы и его влияния на прочность и надежность соединительных элементов мостового полотна и балок проезжей части в зонах сварных швов металлических пролетных строений железнодорожных мостов.

При этом важными задачами являются выбор оптимального прокладного слоя и усилия натяжения шпилек прикрепления плит БМП к продольным балкам с учетом обеспечения необходимой их выносливости, а также исследование напряженно-деформированного состояния сварных продольных балок пролетного строения с учетом остаточных напряжений от сварки и совместной работы элементов проезжей части.

На основании полученных данных по напряженно-деформированному состоянию предполагается дать предложения по совершенствованию конструкции мостового полотна и способов расчета с целью повышения его надежности и экономичности, разработать альтернативный вид прикрепления плит БМП к продольным балкам без прокладного слоя с точечным опиранием, а также провести сравнительный анализ по напряженно-деформированному состоянию и другим показателям с принятыми конструкциями.

Объектом исследования являются НДС соединительных элементов и балок проезжей части в зонах сварных швов на БМП и влияние НДС на их работоспособность.

Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием конечно-элементных методов реализованных в программных комплексах М8С. РАТЯАТЧ, МЗСЛЧАЗТЮШ и натурных экспериментальных тензометрических испытаний на опытных объектах (мост через р. Клязьма, линии Москва — Александров и др.).

Научная новизна:

1. Разработана методика пространственного расчета напряженно-деформированного состояния элементов проезжей части на БМП металлических железнодорожных мостов, обеспечивающая комплексный учет действующих факторов и совместной работы элементов конструкции.

2. Установлено влияние усилия натяжения шпилек, типа прокладного слоя и величины временной нагрузки на усталостную долговечность элементов прикрепления (шпилек) плит БМП к продольным балкам железнодорожных мостов.

3. Определены максимальные суммарные напряжения (остаточные + от нагрузки) при плоском напряженном состоянии в зонах сварных швов продольных балок.

4. Разработана конструкция прикрепления плит БМП к продольным балкам проезжей части без прокладного слоя с «точечным» опиранием.

Достоверность и обоснованность полученных результатов исследования определяются корректностью постановки задач, обоснованностью всех этапов расчета и использованием апробированных методов расчета, а также подтверждены сравнением их с экспериментальными данными на натурных объектах.

Практическая полезность (ценность). Разработанная методика пространственного расчета НДС элементов проезжей части на БМП позволяет рационально выбрать тип прокладного слоя и предварительное натяжение шпилек существующей конструкции для обеспечения заданной надежности по выносливости шпилек Кв, а так же создать новые конструкции прикрепления без прокладного слоя, обеспечивающие высокую долговечность, надежность и уменьшение эксплуатационных расходов.

Рекомендации по использованию. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при эксплуатации, реконструкции, проектировании и строительстве металлических железнодорожных мостов с БМП.

Апробация работы. Исследования выполнялись в рамках программы фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ МИИТа, начиная с 2006 г. Отдельные разделы представлялись в сборниках научных трудов МИИТа. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

Научно-практической конференции «Наука МИИТатранспорту», (Москва, 2007 г.) [1];

Девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2008 г.) [4];

Десятой международной научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2009 г.) [6, 7];

Восьмой международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2009 г.) [8, 9];

Заседании кафедры «Мосты» в Московском государственном университете путей сообщения (Москва, 2009 г).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах, три из которых в изданиях, рекомендованных ВАКом.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста и 29 страницах приложений, содержит 156 рисунков и 33 таблицы.