[10-2023] О выборе нагрузок при проектировании шпал

[Admin]

О выборе нагрузок при проектировании шпал

ГНЕЗДИЛОВ С.А., АО «БЭТ», заместитель генерального директора, ЛЕБЕДЕВ А.В., АО «БЭТ», директор по технической политике и НИОКР, канд. техн, наук, ПРОСТАКОВ К.А., АО «БЭТ», начальник технического управления, ГОРБУНОВ М.А., АО «БЭТ», ведущий специалист, канд. техн, наук

Аннотация. В статье представлены расчеты усталостной прочности бетона в растянутой зоне среднего сечения железобетонной шпалы под действием отрицательных эксплуатационных изгибающих моментов.
Ключевые слова: железобетонная шпала, механические напряжения, потери напряжений, нагрузка на подрельсовую площадку, метод конечных элементов.
Для корректного назначения проектных решений при разработке новых и модернизации существующих конструкций и элементов верхнего строения пути по предельным состояниям первой и второй групп необходимо знать действующие нагрузки и их сочетания, в том числе от подвижного состава.
Железобетонные шпалы и брусья являются основным и незаменимым элементом, который переда
ет нагрузки от подвижного состава через балластную призму на основную площадку земляного полотна, обеспечивая устойчивость верхнего строения пути. Увеличение нагрузки на ось подвижного состава, а также недостатки в текущем содержании пути могут привести к появлению различных дефектов в железобетонных шпалах и брусьях, в том числе поперечных трещин в подрельсовом и среднем сечениях. Ошибки при разработке проектных решений для существующих и перспективных конструкций железобетонного основания, вероятно, станут причиной их повышенного или массового выхода и, как следствие, увеличения затрат на содержание пути, снижения пропускной способности.

Примером недостаточно проработанных оценок шпалы с учетом фактических условий эксплуатации могут служить результаты наблюдения за вновь уложенными 800 новыми шпалами ШЗ-ДПГ 4x10 в октябре-ноябре 2018 г. на участке Камень-на-Оби — Световская Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры. За период совместного наблюдения АО «БЭТ» и ПКБ И с 2018 по 2022 г. выявлено 12 шпал с трещинами в средней части (дефекты 16.1, 17.1 в соответствии с классификацией, утвержденной Распоряжением ОАО «РЖД» от 22.08.2022 № 2183/р) (рис. 1), что составляет 1,5 % от уложенных. В данном случае имеет место отказ шпал, которые практически представляют из себя два полушпалка, соединенных арматурой. Это, в свою очередь, негативно сказывается на состоянии балластной призмы и основной площадки земляного полотна, приводит к появлению отступлений по уровню и ширине колеи.
Исследования предусматривали расчет шпалы ШЗ-Д 4x10 (рис. 2) для осевых нагрузок 23,5 и 25 тс по предельному состоянию первой группы, а именно выносливости бетона в области растянутых волокон среднего сечения под действием эксплуатационных нагрузок в соответствии с требованиями нормативных документов на проектирование [1—6].

В качестве руководящего документа для учета нагрузок от подвижного состава на подрельсовые площадки и граничных условий для шпал приняты нормы проектирования EN 13230-6-2020 [3]. Этот выбор обусловлен тем, что в этих нормах величины изгибающих моментов в шпалах от действия эксплуатационных нагрузок могут превышать изгибающие моменты, полученные от нагрузок по методике оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности [2]. Вместе с тем, эксплуатационные нагрузки на подрельсовые площадки шпал, получаемые по [1] меньше нагрузок, рассчитанных по стандарту AREMA [2]. В этой связи выбор норм проектирования EN 13230-6-2020 [3] для учета нагрузок на подрельсовые площадки шпал, на наш взгляд, является вполне обоснованным.

Начальные предварительные напряжения в арматуре не остаются постоянными, с течением времени они уменьшаются. Различают первые потери предварительного напряжения в арматуре, происходящие при изготовлении шпалы и обжатии бетона, и вторые — после обжатия.
Расчетная суммарная величина потерь напряжений составляет 270 МПа. Следует отметить, что согласно нормам проектирования [4, 5] минимальная величина потерь напряжений, принимаемая при расчетах предварительно напряженных железобетонных конструкций должна приниматься не менее 100 МПа, т. е. данная величина теоретически может быть использована при проектировании. На практике целесообразно применять экспериментальные значения потерь напряжений для того, чтобы в готовой продукции не было излишнего запаса прочности, что приведет к удорожанию продукции для конечного потребителя и снижению экономического эффекта. Таким образом, в расчетах выносливости шпалы ШЗ-Д 4x10 приняты потери напряжений 100 и 270 МПа. В табл. 1 представлены расчетные установившиеся напряжения в бетоне по верху среднего сечения шпалы для принятых потерь напряжений с учетом проектного натяжения арматурного пакета Р = 36 тс. Как видно из табл. 1, меньшим потерям напряжений соответствуют большие напряжения сжатия в бетоне, что теоретически определяет большую величину трещиностойко-сти шпалы.
Усилие, передающееся от рельса на подрельсовую площадку шпалы, рассчитывается следующим образом [1]:
Ршп = 0,5 Аном(1 + kvkp)kdkr, (1)
где Аном = 25 тс — осевая нагрузка;
kv = 0,25 + = 0,357 — коэффициент воздей-
ствия для принятой в расчете скорости движения поезда v = 90 км/ч;
кр = 0,89 — коэффициент, учитывающий демпфирование в узле рельсового скрепления (для подрельсовых прокладок со средним коэффициентом затухания);

kd — коэффициент, учитывающий процент передачи нагрузки от колеса на подрельсовую площадку шпалы;
кг = 1,35 — коэффициент, учитывающий наличие балластных корыт и мешков.
При расчете коэффициента kd в [1] используется теоретическая модель рельса как балки на упругом основании Винклера. Коэффициент определяется с учетом ординат линий влияния прогибов рельса с учетом влияния соседних осей экипажа. При этом рассматривалась двухосная тележка с базой 1850 мм, а также путь с эпюрой шпал 1840 шт/км и подрельсовыми прокладками жестокостью к = 150 кН/мм. Коэффициент постели подшпального основания С согласно [1] в расчетах усилий на подрельсовые площадки и определения изгибающих моментов в шпалах следует принимать равным 0,1 Н/мм3.
Для вышеперечисленных условий коэффициент передачи нагрузки kd = 0,33.
Вместе с тем, в [1] указано, что натурные измерения на пути показали, что коэффициент передачи нагрузки kd = 0,5 (для рельсов массой больше 46 кг/м и расстоянием между осями шпал менее 650 мм). Также согласно [1] при проектировании шпал рекомендуется принимать kd = 0,5. Следует отметить, что согласно отечественным нормам проектирования ИССО ВСМ для пролетных строений с ездой на балласте kd = 0,5 [6], однако, в [7] коэффициент kd = 0,4.
Величина коэффициента кд = 0,5 хорошо согласуется с процентом передачи осевой нагрузки на подрельсовые площадки из стандарта [3], где для эпюры шпал 1840 шт/км kd = 0,47. Таким образом, при использовании норм проектирования шпал [1], а также с учетом [3, 6] в расчетах возможно рассматривать передачу половины статической нагрузки от колеса на подрельсовую площадку шпалы, т. е. принимать коэффициент kd = 0,47 0,5.
Результаты расчета нагрузок на одну подрельсовую площадку согласно (1) для осевых нагрузок 23,5 и 25 тс и различных долей передачи осевой нагрузки представлены в табл. 2.
При определении изгибающих моментов в шпалах согласно [1] могут быть использованы аналитические зависимости, а также численные (конечно-элементные) модели шпалы в виде балочных или объемных конечных элементов.
Преимущество использования объемных конечных элементов заключается в учете фактической области опирания шпалы на упругое основание, а также области передачи нагрузок на подрельсовые площадки. Коэффициент постели подшпального основания С согласно [1] в расчетах усилий на подрельсовые площадки при определении изгибающих моментов принят равным С = 0,1 Н/мм3. Изгибающие моменты определены через узловые реакции относительно центра тяжести среднего сечения, поэтому фактические значения изгибающих моментов корректны именно для среднего сечения, для остальных носят качественный характер. Согласно [1] при проектировании (расчетах эксплуатационных напряжений в шпалах) значения изгибающих моментов умножаются на коэффициент у = 1,6, учитывающий неравномерную реакцию балласта по подошве шпалы.
В табл. 3 представлены значения изгибающих моментов в шпале при коэффициентах kd = 0,33 0,5 с учетом повышающего коэффициента у = 1,6, а также соответствующие им эксплуатационные напряжения, вычисленные через приведенный момент сопротивления среднего сечения с учетом установившихся напряжений в бетоне от предварительного обжатия (см. табл. 1).

Проектная пригодность [1] шпал к эксплуатации оценивается при сравнении растягивающих напряжений в бетоне от эксплуатационной нагрузки со значением усталостной прочности бетона при растяжении fct,n,fae Для бетона марок В50 и В60 fct fl fat = 3 МПа.
Результаты расчетов эксплуатационных напряжений в шпале для осевых нагрузок 23,5 и 25 тс (см. табл. 3) позволяют сделать следующие выводы:
при kd = 0,33 и kd = 0,4 действующие напряжения не превышают усталостной прочности бетона fctf]fat для рассматриваемых величин потерь напряжений;
при kd = 0,47 превышение усталостной прочности бетона fct fl fat = 3 МПа для осевых нагрузок 23,5 и 25 тс происходит только при потерях напряжений 270 МПа. При потерях напряжений 100 МПа условие отсутствия образования поперечных трещин в среднем сечении шпалы выполняется;
для осевой нагрузки 23,5 тс при kd = 0,5 условие отсутствия образования поперечных трещин в среднем сечении шпалы не выполняется при потерях напряжений 100 МПа;
для осевой нагрузки 25 тс при kd = 0,5 условие отсутствия образования поперечных трещин в среднем сечении шпалы не выполняется для всех рассматриваемых величин потерь напряжений.
Согласно [8] контрольная нагрузка по схеме испытаний на трехточечный изгиб среднего сечения шпалы вверх для осевых нагрузок не более 25 тс (для шпал первого сорта) составляет Рконтр = 98 кН (расстояние между осями роликовых опор L = 0,6 м). Изгибающий момент, соответствующий данной контрольной нагрузке, определяют по формуле [1]:
m.P„(L-0..)s98(0,6-0.1)-u52 кН.м (2)
Сравнивая величину изгибающего момента от контрольной нагрузки с эксплуатационными моментами из табл. 3 по условию начального растрескивания шпалы, можно сделать вывод, что эксплуатационный момент в среднем сечении шпалы превышает нормативный от контрольной нагрузки на 6 % для осевой нагрузки Р = 25 тс и коэффициента передачи нагрузки на подрельсовую площадку kd = 0,5 (М = 13,34 кН-м).
Вместе с тем, принимая во внимание результаты наблюдения за пять лет на опытном участке Камень-на-Оби — Световская Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры и среднесетевое состояние шпал, характеризующиеся появлением поперечных трещин в их средней части, расчетные случаи 1—5, 7, 9—13 (см. табл. 3) не коррелируют с результатами натурных наблюдений, а случаи 6, 8, 14—16 не соответствуют по условиям усталостной прочности бетона на растяжение и потери предварительного напряжения. Таким образом, контрольная нагрузка, взятая из основополагающего межгосударственного стандарта на железобетонные шпалы [1] при любом расчетном случае не позволяет достичь расчетных значений показателей, при которых бы обеспечивалась безотказная работа шпал. Исходя из вышеизложенного, рекомендуется
пересмотреть величины контрольных нагрузок при испытаниях шпал.
Выводы
1. Расчет среднего сечения шпалы ШЗ-Д 4x10 по предельному состоянию первой группы показал, что для осевых нагрузок в 23,5 и 25 тс существует вероятность образования усталостных поперечных трещин в эксплуатации по верху при коэффициенте распределения нагрузки kd = 0,47 для потерь напряжений 270 МПа.
2. Для осевых нагрузок в 25 тс при коэффициенте распределения нагрузки kd = 0,5 существует вероятность образования усталостных поперечных трещин в среднем сечении шпалы для всех рассматриваемых величин потерь напряжений.
3. Полученные данные расчета подтверждены результатами наблюдений за состоянием шпал в эксплуатации на сети дорог.
4. С учетом усталостной прочности бетона на растяжение fct nfat = 3 МПа [1] для бетонов классов В50 и В60 необходимо повысить контрольные нагрузки при испытаниях шпал по схеме трехточечного изгиба [8] по результатам уточненного расчета.

Список источников

1. ГОСТ 33320—2015. Шпалы железобетонные для железных дорог. Общие технические условия. Введ. 01.03.2016. Изм. 201.12.2019. М.: Стандартинформ, 2019.
2. Manual for Railway Engineering / AREMA American Railway Engineering and Maintenance—Of—Way Association (AREMA). Volume 1. Track 2020
3. CEN EN 13230-6-2020. Railway applications — Track — Concrete sleepers and bearers — Part 6: Design = Железнодорожный транспорт. Рельсовый путь. Бетонные шпалы и балки. Часть 6: Проектирование. Введ. 29.04.2020.
4. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84. Введ. 20.05.2020. Изм. 29.12.2020. М.: ОАО «ЦПП», 2011.
5. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. СНиП 52-01-2003 Введ. 20.06.2020. Изм. 20.12.2021. М.: Стандартинформ, 2019.
6. СП 453.1325800.2019. Сооружения искусственные высокоскоростных железнодорожных линий. Правила проектирования и строительства. Введ. 17.06.2020. М.: Стандартинформ, 2019.
7. Методика оценки воздействия подвижного состава на ^туть по условиям обеспечения надежности: утв. Распоряжением ОАО «РЖД» от 22.12.2017 № 2706р. Доступ через СПС «КонсультантПлюс».
8. Железнодорожный путь: учебник/ Е.С. Ашпиз, А.И. Гасанов, Б.Э. Глюзберг и др. М.: УМЦ ЖДТ, 2013. 544 с.