|
4.4. Жесткие поперечины
Жесткие поперечины
представляют собой металлические фермы, закрепленные на опорах с оттяжками,
подкосами или без них, и предназначены для поддержания более чем трех
продольных подвесок контактной сети. Классификация жестких поперечин включает
в себя арочные, шпренгельные и оттяжечные конструкции, а также фермы,
образующие с опорами рамные, шарнирные и шарнирно-рамные конструкции (рис.
4.12).
Балочные раскосные фермы
с прямолинейными поясами и простой решеткой применяемых на РЖД шарнирных
поперечин состоят из нескольких коротких пространственных блоков (от 2 до 4),
выполненных с параллельными поясами и раскосной решеткой из стальных уголков и
соединенных между собой. Как правило, в России сооружают жесткие поперечины из
ригелей длиной от 17 до 44 м, устанавливаемых на железобетонные стойки (рис.
4.13, а, б). По сравнению с
конструкцией гибкой поперечины жесткие поперечины имеют ряд преимуществ: меньший
расход стали (при пролетах до 34 м — в 1,5—2 раза); меньшую стоимость (при
пролете до 44 м — в 1,2 раза); возможность установки аппаратуры для освещения
станций; снижение трудоемкости сооружения (при свайных фундаментах — в 2—3
раза) и стоимости (при пролетах до 44 м — до 20 %). При прочих равных условиях
и наличии надежной защиты от коррозии наиболее целесообразно примененять
жесткие поперечины при пролетах до 34 м, т.е. при перекрытии не более 6 путей.
С 1957 г. широкое
распространение получили жесткие поперечины балочного типа с расходом металла
на ригель от 30 до 70 кг/м. Однако, более экономичной по расходу стали (на
20—30 %) является жесткая поперечина рамного типа, представляющая собой портал
из жестко соединенных между собой железобетонных стоек и ригеля (рис. 4.13, в). При этом конструкция узла соединения
ригеля со стойкой требует увеличения высоты надземной части опор по сравнению с
балочными конструкциями, что вызывает необходимость уменьшения глубины заделки
в гру1|т стоек длиной 13,6 м. Применение поперечин рамного типа при электрификации
участка Вязьма—Орша обеспечило снижение стоимости строительных конструкций на
10 %, экономию металла на поперечины — я)а 30% и бетона — на 3 %. Жесткие поперечины
рамной конструкции широко применяют также в Англии, во Франции и в Японии.
Рис.
4.12. Классификация жестких поперечин
Увеличение надежности и
повышение срока службы жестких поперечин может быть достигнуто выполнением их
конструкций из атмосферостойкой стали 14ХГНДЦ (разработка ЦНИИС). Эта сталь,
имея расчетное сопротивление на 40 % больше, чем у СтЗ, обеспечивает уменьшение
веса на 10 % и увеличивает ожидаемый срок службы до 70 лет.
Следующим шагом по пути
совершенствования жесткой поперечины является создание конструкции рамного
типа с трехгранным ригелем (см. рис. 4.13, в).
Новая форма ригеля позволяет снизить расход металла на 7—10 % по сравнению
с четырехгранным, уменьшить ветровые нагрузки на 10 %, улучшив
аэродинамические характеристики, в 1,5—2 раза увеличить коэффициент
использования подвижного состава при транспортировке ригелей, создать лучшие
условия для борьбы с гнездованием птиц.
Разработан проект жесткой
поперечины рамного типа с трехгранным ригелем, создана компьютерная программа
для выбора типа ригеля, стоек и заделки их в грунт. За рубежом (например, в
Словакии) применяются облегченные поперечины с тягами (рис. 4.13, г), в Швеции — шпренгели — конструкции,
состоящие из верхнего сжатого пояса из прокатного профиля и нижнего растянутого
в виде троса или прутка, периодически соединяемых жесткими вертикальными
стойками.
Расчет жестких
поперечин-ферм (ригелей) и порталов в сборе с фиксирующим тросом или
фиксаторными стойками производят так же, как металлических и железобетонных
опор. Методики расчетов с примерами, разработанные под руководством
профессоров В.П. Шурыгина и А.А.Кудрявцева, изложены в пособии по проектированию
контактной сети.
Выбрать тип ригеля
поперечин, применяемых на РЖД, можно и без прочностных расчетов по таблицам,
зная требующуюся длину и несущую способность. Так, например, поперечины марок
П(ПС)15-16,3 и П(ПС)13 имеют несущую способность 147 и 127 кН/м соответственно
и основные (и возможные расчетные длины) в мм: 16115(15315, 14515, 13715, 12
915). В скобках приведены возможные расчетные длины поперечин, которые могут
быть уменьшены на величину до
4.5. Гибкие поперечины
Конструкции. Гибкие поперечины предназначены для перекрытия
значительного числа путей с использованием всего двух опор. В конструкцию
гибкой поперечины входят поперечно-несущий и фиксирующие тросы, изолирующие
устройства и продольные контактные подвески.
Классифицируют поперечины
по степени изоляции и типу конструкций — для трамвайных, троллейбусных,
карьерных и магистральных железнодорожных контактных сетей.
Применяемые в России
гибкие поперечины с двойной разнесенной изоляцией (рис. 4.14, а) позволяют выполнять работы без снятия
напряжения с контактной сети как на контактных подвесках в ее зоне и на тросах
поперечины вблизи подвесок (при постановке под напряжение нейтральной части
поперечины шунтированием одного из изоляторов), так и на опорах и тросах вблизи
опор (при заземлении нейтральной части шунтированием одного из изоляторов).
Поскольку изолированная гибкая поперечина исключает необходимость снятия
напряжения с контактной сети для ее технического обслуживания, она нашла самое
широкое распространение.
Гибкие поперечины также
могут быть изолированными (с 6 изоляторами), но без секционирования станции
(рис. 4.14, б), а также заземленными с фиксаторными стойками (число изоляторов
8) и полным секционированием, но с близостью к проводам заземленных частей
(рис. 4.14, в).
Поперечные несущие и
фиксирующие тросы выполняют из биметаллических или стальных проводов, причем
для увеличения надежности каждый поперечный несущий трос имеет не менее чем
два провода сечением 70 мм2, чтобы при обрыве одного из них
оставшиеся могли выдержать всю нагрузку с
достаточным запасом прочности. Сечение проводов для фиксирующих тросов — не
менее 50 мм2.
В компенсированной
подвеске продольные перемещения несущего троса при изменениях его температуры
в трех точках крепления контактного провода, ближайших к средней анкеровке,
оказываются настолько малыми, что в этих точках на гибких поперечинах никаких
специальных мер, обеспечивающих перемещение троса, не принимают. На следующих
трех опорных точках применяют удлиненную до 180 мм серьгу, включаемую между
изолятором и седлом несущего троса. Это обеспечивает максимальные перемещения
троса при небольшом наклоне подвесного изолятора. На всех остальных опорных
точках, вплоть до компенсатора, к изолятору вместо серьги подвешивают ролик, в
желоб которого вкладывают отрезок троса (шунт) длиной 4,5 м, прикрепленный
параллельно несущему тросу. Несущий трос при этом оказывается здесь полностью
разгружен. Монтажное расстояние между
Рис. 4.13. Схемы жестких поперечин:
шарнирной с фиксирующим тросом (а); фиксаторными стойками на кривой (б); рамной
с трехраскосными фермами (в); с тягами (г); 1
— опора; 2 — жесткая поперечина; 3 — фиксирующий трос; 4 — фиксатор; 5 — треугольный подвес; 6 — наклонный подвес; 7 — тяга; Н0 — высота контактного
провода; УГР—уровень головки рельса; В—размер
междупутия; Г — габарит опоры; а —
зигзаг
контактным проводом и нижним фиксирующим тросом
при скоростях движения до 75 км/ч принимают равным 250 мм, при более высоких
скоростях — 400 мм. Эти расстояния в зонах расположения контактных проводов
увеличиваются примерно на 50 мм подтягиванием нижнего фиксирующего троса
струнами, соединяющими этот трос с точками подвеса несущих тросов контактных
подвесок.
Провода поперечного
несущего троса на железнодорожных дорогах России соединяют между собой,
устанавливая зажимы двойного троса, к которым подвешивают вертикальные струны.
Однако на железных дорогах ряда стран, например Германии, четыре поперечных
провода несущего троса между собой в точках подвеса не соединяют: часть
контактных подвесок подвешивают к одной паре поперечных проводов, часть — к
другой.
Рис. 4.14. Схемы гибких
поперечин: с изолированными тросами (б);
заземленными тросами (в); двойной
изоляцией (а); 1 — поперечный несущий
трос; 2 и 5 — верхний и нижний фиксирующие
тросы: 3 — электрический соединитель;
4 — изолятор; б — секционный изолятор; 7— струна; 8 — струна фиксатора: 9 —
фиксатор; 10 — стойка
Пружинный компенсатор,
включенный в верхний фиксирующий трос для компенсации его температурных
деформаций, в последнее время не устанавливают как излишний при малых значениях
этих деформаций.
Расчеты. Гибкая поперечина представляет собой систему тросов,
связанных между собой в нескольких точках. Можно подобрать такой начальный
провес поперечного троса, что его температурное изменение будет незначительным
и им можно будет пренебречь. В этих условиях удобно вести расчеты поперечного
несущего троса и расчеты фиксирующих тросов независимо один от другого Можно
считать, что поперечный несущий трос воспринимает и передает на опоры все
вертикальные силы, действующие на гибкую поперечную конструкцию, а фиксирующие
тросы — на горизонтальные силы.
Расчет поперечного несущего троса. На рис. 4.15 обозначим:
Q1, Q2 , Q3,…Qi — сосредоточенные нагрузки, учитывающие силу
тяжести подвесок, изоляторов, фиксирующих тросов и фиксаторов, воспринимаемую
в этих точках поперечным несущим тросом, кН;
y1, y2 , y3,…yi — ординаты поперечного несущего троса в точках
приложения нагрузок, м;
Hп — горизонтальная составляющая
натяжения поперечного несущего троса, кН;
RА, Rв — вертикальная составляющая
натяжения поперечного несущего троса соответственно у опор А и В,
кН;
ТA и ТB — натяжение поперечного
несущего троса, кН;
lп - Длина
поперечного пролета, м.
Определение вертикальных
составляющих опорных реакций сходно с расчетом для балки, свободно лежащей на
двух опорах.1 Вертикальную составляющую натяжения Кв поперечного несущего троса
у опоры В определяют из условия
равенства нулю суммы моментов всех сил, взятых относительно точки А, и при расположении точек А и В
на одном уровне:
(4.5)
где gп — равномерно
распределенная вертикальная нагрузка на', поперечный трос (собственный вес и
гололед), кН/м.
Рис.4.15. Схема распределения
нагрузки поперечного несущего троса
Та же составляющая для
опоры А:
(4.6)
Рассматривая условия
равновесия выделенной части поперечного троса при замене действия отброшенных
частей соответствующими силами, можно написать уравнение моментов относительно
точки С (рис. 4.16).
Отсюда
(4.7)
Выражение в числителе
формулы (4.7) представляет собой сумму моментов вертикальных сил Мп,
действующих слева от рассматриваемого сечения, а в знаменателе — ординату
поперечного несущего троса в этом же сечении.
Расчет ведут таким
образом. Сначала определяют вертикальные составляющие опорных реакций. Затем
так же, как и для балки со свободными опорами на обоих концах,
находят наибольший момент (который, как известно, имеет место в точке, где
эпюра перерезывающих сил проходит через нуль). Разделив наибольший момент Мп на наибольшую ординату,
т.е. допустимую стрелу провеса поперечного несущего троса fп, получим горизонтальную
составляющую натяжения троса:
(4.8)
Рис.
4.16. Расчетная схема поперечного несущего троса
Эта составляющая, как
ясно из условия равенства нулю суммы проекций всех сил на ось х, остается постоянной по всей длине
троса. Для случая, представленного ранее на рис. 4.15, примем условно, что
наибольший момент совпадает с точкой приложения нагрузки Q3 . Тогда
В соответствии с принятым
условием будем иметь fп = у3 Тогда
горизонтальная составляющая натяжения поперечного несущего троса:
(4 .9)
Затем определяют ординаты
троса в точках приложения нагрузок у-. Для
этого необходимо найти моменты, действующие в этих точках, и разделить их на
горизонтальную составляющую натяжения:
(4.10)
Найдем ординаты для
случая, приведенного на рис. 4.15:
…………………………………………………………..
Натяжение поперечного
несущего троса в точках А и В соответственно:
(4.11)
(4.12)
По большему значению
находят необходимую площадь сечения поперечного несущего троса или напряжение
в нем, если площадь сечения задана.
Из выражений (4.8),
(4.11) и (4.12) видно, что натяжение в поперечном тросе непосредственно
связано с выбором стрелы провеса. Если увеличивается стрела провеса, то
уменьшается натяжение в тросе, но одновременно увеличивается высота опоры. При
этом как при очень малой, так и при большой стреле провеса масса опоры будет
велика. Поэтому можно определить стрелу провеса, при которой будет наименьшая
масса опоры или наименьший объем фундамента, или наконец, найти вариант, при
котором стоимость опоры и фундамента будет наименьшей. Причем объем и стоимость
фундамента находятся в прямой зависимости от действующего на него момента.
Гибкую поперечину
рассчитывают по наиболее тяжелому режиму (гололедному), которому и
соответствует наибольшая стрела провеса троса. Поперечный и фиксирующий трос
рассчитывают раздельно без учета взаимного влияния их натяжения.
Расчет фиксирующих тросов. В большинстве случаев при больших продольных
пролетах, особенно в районах с интенсивным гололедом, наиболее тяжелым режимом
для опор является гололедный. Для фиксирующего троса при малых расстояниях
между струнами гибкой поперечины наиболее тяжелым оказывается режим при низшей
температуре. Поэтому усилия в таком тросе должны определяться для двух режимов:
при низшей температуре и при наибольшей вертикальной нагрузке (при гололеде).
Это необходимо потому, что при расчете фиксирующего троса требуется определить,
во-первых, натяжения, воспринимаемые опорами при наиболее тяжелом для них
режиме (для проверки опор на прочность), во-вторых, наибольшие натяжения
фиксирующего троса для проверки его прочности.
Фиксирующие тросы
воспринимают следующие нагрузки: неуравновешенные составляющие натяжений
продольных проводов (на стрелках, отводах, кривых и т.д.); усилия от ветровых
нагрузок на продольные провода; натяжение самого фиксирующего троса при
различных режимах. Если в фиксирующий трос включена пружина, то должно быть
учтено и ее влияние, а если ее нет, то в отдельных случаях необходимо
учитывать изменение прогиба опор.
При имеющихся малых
поперечных пролетах изменение натяжения в тросе можно определить с достаточной
точностью, пренебрегая влиянием его силы тяжести, т.е. приняв ^^ = ^\ = 0. Тогда провод рассчитывают как жесткий стержень и натяжение
при температуре составит
(4.13)
где Н1 — натяжение при исходном
режиме, кН;
Е — модуль упругости, ГПа;
S —
площадь поперечного сечения троса, мм2,
—температурный
коэффициент линейного расширения °C-1
— температура
исходного режима, °С.
При выводе формул для
расчета фиксирующих тросов приняты обозначения на рис. 4.17:
P1k
—
усилия, действующие на фиксирующий трос на k-м пролете при исходном
режиме;
Рik — то же при искомом
(расчетном) режиме;
ak — длина соответствующего пролета между точками приложения
отдельных горизонтальных нагрузок, м;
-сумма прогибов обеих опор на уровне крепления фиксирующего
троса, вызванных изменением натяжения в поперечных фиксирующих тросах.
Рис.
4.17. Расчетная схема фиксирующих тросов
Кроме того, при выводе
формулы используют следующие величины:
Н'1 — натяжение в ослабленном крайнем пролете троса,
передаваемое на левую опору, с учетом действия внешних нагрузок при исходном
режиме, кН;
Н/i — то же, при расчетном
режиме;
Нi" — натяжение в другом
крайнем пролете троса, передаваемое на другую опору, с учетом действия внешних
нагрузок при том же расчетном режиме, кН;
—характеристика эластичности пружины (величина, обратная жесткости),
включенной в ослабленное звено фиксирующего троса, м/кН.
Расчет сводится к тому,
чтобы, зная натяжение Н'1
троса, выбранное для исходного режима, определить натяжения Н/i
и Нi" при расчетном режиме. При
этом влияние продольных сил при определении результирующих усилий Н/i
и Нi" для упрощения учитывают
как для жесткого стержня.
Фиксирующему тросу обычно
задают напряжение 10—20 МПа при высшей температуре, что в пролете длиной 5 м
дает стрелу провеса 20—30 мм. При всех же других температурах трос получает
большее напряжение, но все же меньше допустимого.
Задачу решают как для
всякой статически неопределимой системы — введением в расчет деформаций троса.
Сумма деформаций (удлинений) троса от изменения температуры и внешних сил при
переходе от исходного режима к расчетному:
(4.14)
где — изменение длины троса, вызванное изменением температуры;
— изменение длины троса, вызванное изменением продольных сил,
направленных вдоль фиксирующего троса;
- изменение длины пружины за счет изменения усилий в ней;
— изменение деформаций опор за счет изменения усилий в поперечном
и фиксирующем тросах.
Изменение длины троса,
вызванное изменением температуры:
Изменение длины троса,
вызванное изменением продольных* направленных вдоль фиксирующего троса:
(4.15)
где Нik и H1k — натяжение в k-м пролете при расчетном
и исходном режимах.
Изменение деформации опор
за счет изменения усилий в поперечном и фиксирующем тросах:
Значения H1k и Hik зависят от нагрузок, действующих вдоль
фиксирующего троса:
(4.16)
(4.17)
где х — номер пролета
фиксирующего троса, подвешенного от первого до k-го пролета.
Подставим выражения
(4.16) и (4.17) в уравнение (4.15):
Подставим значения и в выражение (4.14) и
после преобразования получим
(4.18)
Зная значение Нi', можно найти наибольшее
натяжение
(4.19)
Если включена пружина, то
учет прогиба опор — , дает очень малое уточнение, поэтому им можно пренебречь.
Если, наоборот, пружина отсутствует, то учет прогиба опор может внести
заметное уточнение. При отсутствии пружины в отдельных случаях проводимый
расчет может дать отрицательные значения Н/i. В действительности
этого быть не может, и объясняется это тем, что расчет ведется как бы для
жесткого стержня. В этом случае следует считать, что натяжение Н/i = 0 и, следовательно,
Когда все расстояния
между точками подвеса фиксирующего троса равны, т.е. а1 =аг = ак =... = ап+1 =lп /(n + 1), и все силы, направленные вдоль фиксирующего троса, тоже
равны, т.е. P11=P12=…=P1k =P1n=P1 и соответственно P1i=Pi2=…=Pik=Pin=Pi , второй член числителя выражения
(4.18) заметно упростится. Тогда
и окончательно формула
(4.18) примет вид
(4.20)
Зная H/i найдем
(4.21)
Если пружина в
фиксирующем тросе отсутствует, а это бывает в подавляющем числе случаев, то в
формуле (4.20) следует принять =0.
В большинстве случаев, в
том числе и в случае, когда силы, направленные вдоль фиксирующих тросов,
неодинаковы, можно ввести средние значения этих сил:
;
Тогда с достаточной
точностью можно пользоваться выражением (4.20).