Пролетные строения с ездой поверху на балласте

15.06.2016

Балластное мостовое полотно обладает существенными достоинствами: однотипность верхнего строения пути на земляном полотне и искусственном сооружении, что позволяет механизировать укладочные и путеремонтные процессы; более благоприятные условия для укладки на мосту бесстыкового рельсового пути; возможность установки пролетных строений в кривых участках пути; уменьшение за счет поглощающих свойств балластного слоя динамических воздействий подвижного состава на элементы пролетного строения; снижение уровня шума в системе «мост—поезд». В то же время главным недостатком балластного полотна является повышенный собственный вес, составляющий для одного пути порядка 40 кН/м. Тем не менее, как показывает опыт, этот тип полотна может быть эффективным и для цельнометаллических пролетных строений с ездой поверху. В качестве поддерживающей конструкции балластного слоя — балластного корыта — в пролетных строениях рассматриваемого типа применяют железобетонную либо металлическую конструкцию.
В разрезных балочных пролетных строениях железобетонное балластное корыто целесообразно использовать не только как поддерживающую путь, но и в качестве верхнего сжатого пояса основной несущей конструкции — главных балок. Таким образом формируется изделие из комбинированного материала — сталежелезобетона.
При разработке отечественных пролетных строений также во многом учитывался зарубежный опыт, особенно Германии, где еще в 1950-е—1970-е гг. было возведено много конструкций как с двутавровыми, так и с коробчатыми главными балками, однопутных и двухпутных, при длине пролетов разрезной балочной системы от 20 до 50 м.
При создании коробчатых пролетных строений с ездой поверху исходили из тех же соображений, что и при проектировании пролетов с безбалластным полотном: замкнутое сечение коробки образуют две вертикальные либо наклонные стенки, лист настила корыта и нижняя плита, играющие роль поясов главной балки и продольных связей. Ho в отличие от непосредственного прикрепления рельса к поясу балки, постоянные и временные нагрузки при балластном полотне распределяются по всей площади настила. В таком случае его выполняют в виде так называемой ортотропной плиты.
Opтoтpoпная плита представляет собой сварную конструкцию из плоского стального листа, усиленного продольными ребрами (стрингерами) и поперечными ребрами (балками). Поскольку продольные и поперечные ребра имеют разное сечение и располагаются с разным шагом, такая конструкция обладает разной жесткостью в двух ортогональных направлениях, из-за чего и называется ортотропной.
В отличие от ортотропной плиты проезжей части, работающей на пространственный изгиб и осевые силы, нижняя ребристая плита коробчатых сечений, будучи поясом балки, испытывает только растяжение или сжатие, а ее продольные и поперечные ребра служат для обеспечения общей устойчивости плиты.
Взаимное расположение ребер ортотропной плиты может быть двухъярусным (рис. 3.14, а) или одноярусным (рис. 3.14, б). В первом случае к покрывающему листу на заводе приваривают только продольные ребра, опирающиеся на расположенные снизу двутавровые поперечные балки, прикрепляемые на монтаже к вертикальным стенкам главных балок. Монтажные соединения продольных ребер с поперечными балками обычно выполняют на ВПБ.
Пролетные строения с ездой поверху на балласте

Во втором случае покрывающий лист подкрепляют приваркой к нему как продольных (рис. 3.14, в), так и поперечных ребер, верхние кромки которых расположены в одном уровне. При этом продольные пропускают сквозь вырезы в стенках поперечных и, как правило, объединяют ребра в этих зонах с помощью сварки.
В обоих случаях покрывающий лист соединяют с верхним поясом (или с вертикальной стенкой) главной балки сваркой либо ВПБ. Узлы соединения поперечных ребер или балок с главными балками (как заводские, так и монтажные) за рубежом выполняют сварными или болтовыми, а в отечественной практике — только на болтах, учитывая снижение несущей способности узла из-за пониженной выносливости сварных соединений.
В большинстве зарубежных пролетных строений с ездой на балласте используют одноярусные ортотропные плиты с пластинчатыми, тавровыми, уголковыми и треугольными продольными ребрами, Хорошим решением является пропуск пластинчатых ребер через узкую калиброванную щель в стенке поперечного ребра без устройства сварных соединений во избежание концентрации напряжений. Стенки же более мощных тавровых продольных ребер обязательно сваривают со стенками поперечных с обеих сторон двухсторонними швами, причем с одной стороны — с разделкой кромок и полным проваром шва. Для снятия концентрации напряжений выполняют вырезы специальной фигурной формы.
Одноярусные плиты по сравнению с двухъярусными при прочих равных условиях имеют меньшую металлоемкость. Однако непосредственная приварка к покрывающему листу взаимно ортогональных ребер обуславливает повышенную концентрацию напряжений в местах сварных соединений ребер между собой и в концевых частях вырезов в стенках поперечных ребер. В условиях значительных динамических воздействий поездной нагрузки это может явиться причиной появления усталостных повреждений. Поэтому в отечественных железнодорожных мостах в основном применяют двухъярусные ортотропные плиты с тавровыми продольными ребрами.
В 1987 г. институтом Гипротрансмост разработан типовой проект коробчатых пролетных строений с балластным корытом из двухслойной коррозионно-стойкой стали с расчетным пролетом 33,6 и 45 м (см. табл. 3.1). Отметим, что конструкции длиной свыше 45 м получаются неэффективными, поэтому до сих пор их не применяют: из-за ограничений по прогибу не удается обеспечить высоту коробки, отвечающую условиям перевозки (не более 3,6 м), что требует устройства продольных монтажных стыков по стенкам, материал коробчатой балки существенно недоиспользуется по прочности.
Коробчатый блок пролетного строения длиной 33,6 м выполняется полной заводской готовности, цельноперевозимый, а длиной 45 м — имеет посередине монтажный стык на ВПБ. Консольные блоки ортотропных плит и тротуары присоединяют на монтаже также ВПБ. Конструкции выпускают с балластным корытом шириной 4,2; 4,55 и 4,9 м (для разных условий). Коробчатые балки могут устанавливаться на опоры целиком консольным краном ГЭПК-130, возможен также монтаж стреловыми кранами либо надвижкой.
На рис. 3.15 показана конструкция пролетного строения длиной 33,6 м. Балластное корыто в виде двухъярусной ортотропной плиты выполнено из двухслойной коррозионно-стойкой стали марки 09Г2С (основной слой толщиной 10 мм) + 12Х18Н10Т (плакирующий слой нержавеющей стали толщиной 2 мм, соприкасающийся с балластом). Несущие элементы коробки изготавливают из сталей марок 15ХСНД (обычное исполнение), 15ХСНД-2 и 10ХСНД-3 (северное исполнение).
Пролетные строения с ездой поверху на балласте

Верхний лист коробки подкреплен четырьмя ребрами таврового сечения, которые опираются и прикрепляются ВПБ на сварные поперечные балки двутаврового сечения, установленные с шагом около 2 м по длине пролета. Поперечные балки присоединяют болтами к поперечным ребрам жесткости вертикальных стенок. Нижний лист коробки шириной 2740 мм имеет в соответствии с эпюрой материалов переменную толщину от 12 до 20 мм. Для исключения местной вибрации листа по его середине установлено продольное полосовое ребро жесткости, подкрепляемое уголковыми поперечными связями. Торцы коробки закрыты сплошными поперечными диафрагмами с закрываемыми люками для доступа внутрь.
На сети железных дорог России эксплуатируют несколько десятков пролетных строений длиной 33,6 м. Эффективность их применения, несмотря на повышенную металлоемкость, состоит в универсальности, быстроте монтажа, высоких эксплуатационных качествах. Вместе с тем, как показали обследования, двухъярусная ортотропная плита, использованная в типовом проекте Гипротрансмоста 1987 г., тоже не свободна от усталостных разрушений: обнаружено образование выколов в верхних полках поперечных балок в местах опирания продольных ребер плиты.
Отмеченные факты свидетельствуют о недостаточной надежности двухъярусных плит балластного корыта в той конструктивной форме, которая в последние годы в России считается предпочтительной, и о необходимости дальнейшего совершенствования конструкции стальных коробчатых пролетных строений с ездой поверху на балласте.
Стремление избавиться от перечисленных недостатков, а также от дефицитной коррозионно-стойкой стали балластного корыта, привело к разработке ГУП Гипротранспуть при научном руководстве специалистов Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) нового типового проекта (инв. № 2210), утвержденного МПС в 2002 г.
В составе проекта имеется серия стальных пролетных строений с ездой на балласте расчетными пролетами 18,2; 23; 27; 33,6 м (табл. 3.2, рис. 3.16). Пролетные строения запроектированы в обычном и северном исполнениях и предназначены для установки на мостах, расположенных на однопутных и двухпутных (с междупутьем 4,2 м) линиях со скоростями движения до 200 км/ч, в том числе в районах с сейсмичностью до 9 баллов включительно.
Пролетные строения с ездой поверху на балласте

Однопутные пролетные строения предназначены для использования на прямых и кривых участках пути с радиусом кривой более 600 м и уклонами до 10 %. Пролетные строения для двухпутных линий следует устанавливать только на прямых участках.
Цельносварные главные балки П-образного сечения состоят из двух вертикальных стенок, листа верхнего пояса и двух горизонтальных листов нижнего пояса. Чтобы обеспечить устойчивость, стенки балок укреплены внутренними диафрагмами, расставленными с шагом по длине пролета 2...2,5 м, на которые опирается лист верхнего пояса. С наружной стороны стенки балок укреплены продольными ребрами жесткости и поперечными ребрами в местах расположения внутренних диафрагм, предназначенными для крепления консольных частей балластного корыта и наружных смотровых ходов. Основные конструкции изготовлены из сталей 15ХСНД и 10ХСНД в зависимости от исполнения.
Пролетные строения с ездой поверху на балласте

Верхний пояс балок, являющийся днищем балластного корыта, представляет собой лист, сваренный продольным швом из двух частей. Он имеет уклоны в 3 % от оси пути к краям для отвода воды. Между внутренними диафрагмами лист верхнего пояса подкреплен четырьмя листовыми продольными ребрами жесткости высотой 360...375 мм, которые присоединены к диафрагмам сварными швами.
Таким образом формируется цельносварной заводской цельнопролетный блок длиной от 18,9 до 34,4 м. Перевозка пролетных строений производится на сцепе из двух железнодорожных платформ грузоподъемностью по 60 т, оборудованных турникетами. Монтаж блоков предусмотрен консольными (ГЭПК-130У) и стреловыми кранами, а также способом продольной надвижки. Максимальная монтажная масса блока (lр = 33,6 м) 78 т.
После монтажа основного блока присоединяют консольные части ортотропной плиты, каждая из которых разбита на отдельные блоки, стыкуемые на накладках и болтах. К консольным частям балластного корыта крепятся консоли тротуаров с тротуарным настилом. Для прокладки коммуникаций на пролетных строениях предусматриваются кабельные мостики.
При устройстве днища балластного корыта из листа с обычной (не коррозионно-стойкой) сталью в данном проекте применено комплексное покрытие, состоящее из металлизационно-лакокрасочного, защитно-сцепляющего и защитно-выравнивающего слоев. Для повышения производительности труда и исключения сезонности такие комбинированные покрытия целесообразно нанести на заводах.
Металлизационно-лакокрасочный слой состоит из цинкового покрытия толщиной 200 мкм, наносимого холодным способом, и пропитывающего эпоксидного (грунтовки) Icosit EG1 толщиной 40...60 мкм. Защитно-сцепляющий слой состоит из эпоксидно-полиуретановой композиции Elastomastik TF (4...5 мм) с посыпкой кварцевым песком или электрокорундом для повышения износостойкости композиции. Защитно-выравнивающий слой выполняется из асфальтобетона толщиной не менее 10 мм над выступающими частями болтов соединения консольных частей ортотропных плит.
Как видим, в данном типовом проекте от двухъярусной ортотропной плиты балластного корыта перешли к сварной одноярусной конструкции с листовыми продольными ребрами. Ho, заметим, что и такое решение может неблагоприятно проявить себя в дальнейшей эксплуатации. Дело в том, что сварные швы в местах пересечения низа покрывающего листа, верха поперечных диафрагм и продольных ребер представляют собой места значительной концентрации напряжений. В этих узлах следует избегать пересечения сварных швов и выполнять их с полным проваром.