Admin

О применении современных методов анализа безопасности движения по мостам

САВЕНКО А.И., ОАО «Институт Гипростроймост», начальник расчетного отдела, БОНДАРЕНКО А.А., директор Учебного центра ИНФОТРАНС, профессор СамГУПс, СЕМЕЙКО Н.В., ОАО «Институт Гипростроймост», старший инженер расчетного отдела

Безопасность движения по мостам как критерий оценки стратегии развития

Условия эксплуатации мостов, многие из которых построены еще в XIX в., со временем существенно меняются [1, 2]. Современная железнодорожная инфраструктура обладает новыми характеристиками:
подвижного состава (увеличилась скорость движения; изменились конструкции экипажей; вышли из обращения паровозы; увеличились осевые нагрузки, длины составов и т. п.);
верхнего строения пути (изменились ширина колеи, конструкции, материалы и характеристики рельсошпальной решетки, рельсовых скреплений и др.);
пролетных строений (повысились пределы прочности и выносливости стали; уменьшились сечения элементов; снизился вес и общая жесткость конструкции; изменилась конструкция проезжей части (езду на поперечинах заменила езда на плитах безбалластного мостового полотна, постепенно внедряется езда на балласте); изменились конструкции и материалы элементов пролетных строений, в том числе узлов и стыков (сварка и болты вместо заклепок, оптимизация зон концентрации напряжений, компьютерное моделирование).
К тому же вдвое увеличились осевые нагрузки (с 12 до 25 тс), распределенные — более чем втрое (с 2,63 до 9,42 тс/м), существенно возросли скорости и интенсивность движения поездов.
В настоящее время основной объем грузовых перевозок на сети обеспечивают поезда с осевой нагрузкой до 23,5 тс, погонной нагрузкой 7,5 тс/м и длиной состава до 71 условного вагона. В наибольшей степени на искусственные сооружения воздействуют магистральный грузовой электровоз 2ЭС10 (осевая нагрузка 25,5 тс) и восьмиосные цистерны грузоподъемностью 125 т габарита Тц (погонная нагрузка 9,42 тс/м, осевая — 22 тс).
Программой развития тяжеловесного движения ОАО «РЖД» предусмотрена организация движения грузовых поездов увеличенной длины (до 100 условных вагонов) и тяжеловесных поездов, состоящих из инновационных вагонов с осевой нагрузкой 25 тс, а также введение в эксплуатацию вагонов габарита Тпр с осевой нагрузкой 27 тс и погонной нагрузкой 8,93 тс/м.


Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г. намечено увеличить объем перевозок за счет использования длинносоставных и тяжеловесных поездов. К 2030 г. предусмотрено введение в эксплуатацию вагонов с осевой нагрузкой 30 тс.
Однако, несмотря на принятые решения, научные исследования в области безопасности движения современ
ного и перспективного подвижного состава по действующим мостовым сооружениям при повышенных скоростях не проводились в достаточном объеме. Также не оценивались достаточность (избыточность) и, в общем случае, оптимальность пространственной жесткости пролетных строений мостов в современных условиях. Кроме того, не подтверждалась актуальность нормативных требований к пространственной жесткости пролетных строений, хотя предложения по оптимизации норм жесткости мостов поступали еще 40—50 лет назад (программы и исследования были свернуты после распада СССР).
Необходимы новые критерии обеспечения безопасного и бесперебойного движения поездов по мостам на основе объективной оценки основных параметров, к которым относится и жесткость пролетных строений. Это позволит разработать новые конструктивные решения; определить резервы эксплуатируемых сооружений не только по грузоподъемности, но и по безопасности движения; точнее оценить затраты на модернизацию инфраструктуры.

Жесткость пролетного строения и безопасность движения

Так как мостовое сооружение не является абсолютно жестким основанием для движущегося подвижного состава, пролетные строения мостов испытывают деформации и от вертикальных, и от горизонтальных нагрузок [2—6]. Вследствие этого возникают деформации пути, которые суммируются с «обычными» неровностями и, в отличие от них, со временем изменяются. Таким образом, колебания подвижного состава на мостах имеют иную природу, чем на земляном полотне.
Искривления плана и профиля пути в надопорных участках вызывают дополнительные динамические воздействия на движущийся состав и мостовое сооружение.
При движении подвижного состава по мосту изменяются нагрузки на пролетные строения [7] и расположение масс. В результате возникают совместные колебания системы «мост—поезд» (рис. 1), вызывающие дополнительные динамические эффекты в пролетных строениях [5, 6].
Для того чтобы обеспечить безопасность движения по мосту, жесткость пролетных строений следует ограничивать как в профиле, так и в плане, что предусмотрено в нормах проектирования.
О необходимости проведения дополнительных исследований
В нормах проектирования мостовых сооружений требования к жесткости разрабатывались 100 лет назад и с тех пор не актуализировались.

Как указывалось выше, необходимы исследования безопасности движения по мостовым сооружениям с точки зрения не только прочности пролетных строений мостов, но и безопасности движения подвижного состава, его динамики. С этой целью предлагаем выполнить следующие мероприятия:
разработать программу комплексных исследований безопасности движения подвижного состава по мостам на путях общего пользования;
выявить сооружения, имеющие резервы жесткости, и наметить способы оптимизации конструктивных решений (особенно при длинных пролетах) в целях экономии;
выявить сооружения с недостаточной жесткостью, принять решения об ограничении скоростных режимов движения по ним или плановом выводе их из эксплуатации;
проанализировать необходимость актуализации требований к жесткости будущих мостовых сооружений с обеспечением безопасности движения и эффективности конструктивных решений, опираясь на планы развития;
оценить возможность увеличения допустимых скоростей движения подвижного состава по мостам, спрогнозировать скорости движения перспективных нагрузок, просчитать эффект от увеличения длины составов и возможность их пропуска.
Подобный план уже реализовался около 100 лет назад. Тогда наряду с теоретическими исследованиями и разработкой нормативных требований проводились масштабные комплексные динамические испытания мостовых сооружений и подвижного состава (только в 1926 г. — на 88 пролетных строениях 55 мостовых сооружений).
Масштабные натурные динамические испытания искусственных сооружений в то время были единственным достоверным способом исследования динамики взаимодействия подвижного состава и мостовых сооружений и подтверждения безопасности движения по ним. Действующие нормы жесткости мостовых сооружений создавались для мостов с пролетами до 110 м.


В современных условиях не требуются дорогостоящие испытания. Наработаны и апробированы при проектировании высокоскоростных магистралей (ВСМ) численные методы решения динамических задач системы «мост—путь-поезд» (рис. 2) и анализа безопасности движения по мостовым сооружениям. Результаты математического моделирования необходимо лишь точечно верифицировать на результатах натурных динамических испытаний мостов, верхнего строения пути и подвижного состава.
Изначально линии и поезда ВСМ проектировались с учетом динамических эффектов. Это кажется парадоксальным, но численное моделирование движения скоростных поездов по мосту не вызывает особых сложностей. Это объясняется следующим:

• во всем мире поезда ВСМ стандартизированы по нагрузкам на ось и длинам вагонов, что стараются соблюдать при проектировании новых поездов;
• количество типов компоновок составов невелико;
• погонная масса поезда мала по сравнению с массой пролетного строения;
• осевые нагрузки имеют тенденцию к уменьшению, т. е. задача увеличения грузоподъемности не ставится;
• у вагонов близкие характеристики подвески кузова;
• максимальная скорость движения определена, и ее дальнейший рост экономически нецелесообразен;
• к качеству пути предъявляются строгие требования.

Линии сети железных дорог отличаются многообразием видов вагонов и локомотивов и множеством возможных вариантов их сочетания в подвижном составе. Поэтому математические исследования динамики взаимодействия состава и мостов должны предваряться анализом, систематизацией и обобщением видов обращающейся подвижной нагрузки.
Результатом должен стать ограниченный перечень математических моделей типовых составов, которые в совокупности должны характеризовать все многообразие обращающихся видов подвижного состава.
Для линий ВСМ уже разработаны требования к учету факторов, влияющих на динамику движения состава, и нормированы их расчетные значения (неровности пути, свойства конструкции пути и др.).
Для обычных линий эту работу только предстоит выполнить. Кроме того, следует провести вероятностный анализ совместного действия различных видов эффектов и нагрузок (подвижная, ветровая, сейсмическая нагрузки, неровности пути, износ рельсов и колесных пар, прочие эффекты и воздействия, которые влияют на динамику движения). Результатом данного этапа работы должны стать обоснованные вероятностные коэффициенты взаимного влияния различных факторов и нормированные значения коэффициентов сочетания.
Когда методика оценки безопасности движения через динамические свойства пролетных строений будет разработана, подтверждена и дополнена рекомендациями для проектировщиков, станет возможным решение новых задач.
Результаты проделанной работы могли бы также использоваться в будущем для построения цифровых моделей эксплуатации путевого хозяйства, мониторинга в режиме реального времени, принятия автоматизированных решений с помощью искусственного интеллекта.

Первые результаты

Уже сегодня при проектировании новых уникальных сооружений с экстремально большими длинами пролетов в рамках проектных работ проводятся специальные исследования для обеспечения безопасности движения по ним. Из-за недостатка данных пока приходится назначать параметры жесткости с некоторым рациональным запасом.
При проектировании ВСМ Москва— Казань (ВСМ 2) Институтом Гипро-строймост совместно с китайской компанией «Эрюань» (CREEC) разработаны разделы проекта по всем искусственным сооружениям.
Впоследствии опыт проектирования был применен при анализе безо
пасности движения по уникальным сооружениям: совмещенному мосту в г. Салехарде с пролетом 176 м (рис. 3), пролетным строениям длиной до 330 м моста на о. Сахалин (рис. 4).
Современные методы расчета позволяют исследовать влияние длины состава на динамику мостового сооружения. В дополнение к расчетам большепролетного моста в г. Салехарде выполнены исследования типовой фермы с ездой поверху с пролетом 55 м (рис. 5). Полученные результаты свидетельствуют о существенном влиянии длины состава на амплитуду колебаний типовой фермы.
Применение методов анализа безопасности движения поездов на ВСМ для мостов на линиях общего пользования дало возможность переосмыслить подходы к обеспечению безопасности движения на всех искусственных сооружениях.

Заключение

Предлагаем провести системное исследование безопасности движения по мостовым сооружениям. При этом использование современных численных методов и цифровых моделей позволит существенно уменьшить количество натурных испытаний и снизить стоимость исследований.
Результатом работы станет апробация нового подхода к анализу безопасности движения по мостам: будут оценены резервы жесткости мостов в различных диапазонах длин пролетов; исследованы возможности увеличения нагрузок и скоростей движения в будущем; актуализированы нормы жесткости мостовых сооружений.

Список источников

1. Савенко А.И., Семейко Н.В. Исследование влияния жесткости пролетного строения на динамику подвижного состава// Институт Гипростроймост. 2020. № 14. С. 194—202.
2. Содержание и реконструкция мостов и водопропускных труб на железных дорогах: учебник / С.А. Бокарев, Э.С. Карапетов, С.В. Чижов, А.Н. Яшнов. М.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2019. 576 с.
3. Дарков А.В., Шапошников Н.Н. Строительная механика: учебник. 11-е изд., стер. СПб.: Лань, 2008.
4. СП 46.13330.2012. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 3.06.04-91*.
5. СП 453.1325800.2019. Сооружения искусственные высокоскоростных железнодорожных линий. М.. 2019.
6. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.
7. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com