МОСТЫ НА ВСМ ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ Государственные

МОСТЫ НА ВСМ ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ

Государственные документы по ВСМ • 1. Стратегия развития ж-д транспорта РФ до 2030 года (май 2007 г. ) • 2. Указ Президента РФ (2010 г. ) «О мерах по организации движения в/с тр-та в РФ» • 3. План мероприятий по реализации проектов организации движения в/с ж-д трта» (2011 г. )

Особенности проектирования мостов ВСМ • 1. Эстакады и мосты – до 35% протяженности трассы • 2. На ВСМ Петербург-Москва 878 ИССО • 3. Двухпутные пролетные строения • 4. Учёт продольного взаимодействия моста и бесстыкового пути на мосту • 5. Повышенное динамическое взаимодействие элементов системы «мост- поезд» при высоких скоростях движения

Основные требования к мостам высокоскоростных железнодорожных магистралей 1 • 1. Обеспечение повыщенной жесткости пролетных строений в вертикальном и горизонтальном направлении (существенное уменьшение допустимых прогибов). • 2. Учет аэродинамического воздействия для конструкций с ездой понизу и особенно для лёгких пешеходных мостов и других сооружений над и под железной дорогой. • 3. Необходимость принятия мер по обеспечению плавного изменения жесткости в месте сопряжения насыпи подхода и моста.

Основные требования к мостам высокоскоростных железнодорожных магистралей 2 • 4. Необходимость учёта продольного взаимодействия мостового сооружения и бесстыкового пути на мосту при температурных и силовых воздействиях. • 5. Проектирование двухпутных пролетных строений при езде понизу во избежание необходимости устройства Sобразных кривых перед мостом, необходимых при однопутных пролетных строениях. • 6. Необходимость строительства мостов ВСМ с учетом того, что ВСМ – только для высокоскоростного движения, но с учётом пропуска грузовых поездов технологического назначения.

Параметры мостов ВСМ • Условия проектирование и строительства искусственных сооружений на ВСМ имеют свои особенности: • - для обеспечения плавности движения поездов и комфортных условий для пассажиров величина упругого прогиба пролетных строений от статической временной нагрузки ограничивается величиной 1/2200 от длины пролета (против 1/600 L для обычной линии); • - для обеспечения жесткости пролетных строений в горизонтальной плоскости на ВСМ рекомендуется ограничение этих упругих деформаций величиной 1/4000 длины пролета, при этом максимальное кручение пролетного строения ограничивается величиной 1 мм на метр длины пролета.

Бесстыковой путь на мосту • В зоне мостового сооружения в результате совместной работы рельсошпальной решетки с деформирующим пролетным строением и опорами путь испытывает дополнительные усилия, возникающие при : • - изменении температуры самой плети; • - деформациях пролетного строения от изменений температуры, которые передаются на рельсы; • - вертикальных деформациях пролетных строений (прогибов), а следовательно, поворота опорных сечений пролетных строений на опорах; • - торможении или ускорении движение поездов.

Особенности работы мостового сооружения на ВСМ 1. Напряженное состояние рельсов вне моста определяется сосредоточенными давлениями колес подвижного состава и возникающими температурными силами, определяемыми изменением температуры рельса в зависимости от температуры закрепления плети на шпалах до текущей температуры. Указанные продольные усилия в рельсах бесстыкового пути относятся к основным.

Дополнительные усилия в рельсах 6 есстыкового пути на мосту • Дополнительные усилия в рельсах 6 есстыкового пути на мосту в основном обусловлены: • деформативностью мостовых конструкций вследствие изменений температуры окружающего воздуха; • деформативностью мостовых конструкций под действием временных вертикальных нагрузок; • горизонтальными воздействиями поездной нагрузки вдоль оси пути (силами тяги или торможения).

Эпюра изгибающих моментов Мр в рельсе от вертикального давления колес экипажа

. Продольные усилия в рельсах Np, возникающие из-за разницы температур в рельсах на мосту и подходах [76]: Δtр =+70°С; Δt = +20°С; αs = 153, 5 см 2; Es = 2, 1· 105 МПа • .

Продольные силы в рельсовой плети

Эпюра продольных усилий в рельсах непрерывного бесстыкового пути на трехпролетном мосту Nр, возникающих при изменении температуры пролетных строений

Деформация пролетных строений двухпролетного моста при загружении его временной вертикальной нагрузкой: а – схема деформации моста; б – эпюра Mα; в – эпюра Ma

Рекомендуемые конструкции • Для малых мостов, путепроводов и эстакад с пролетами до 15 м – сборные плитные и ребристые разрезные балочные сооружения со стоечными и рамными опорами. • Для многопролетных сооружений с пролетами 15 – 33 м – плитно-ребристые пролетные строения из монолитного предварительно напряженного железобетона на стоечных и рамных опорах

Рекомендуемые конструкции • Для сооружений с пролетами 33 – 55 м – коробчатые пролетные строения из монолитного предварительно напряженного железобетона на стоечных и рамных опорах. • Для мостов с пролетами более 55 м использование металлических пролетных строений, в том числе двухпутных

КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ ВСМ. Опыт Германии

Общий вид двухпролётного рамного моста через реку Зале

Рамные статически неопределимые пролётные строения с различными точками анкеровки

Арочный анкерный (тормозной) пролет путепровода Унструтталь

Общая схема моста через долину реки Фульда (Германия) б – поперечное сечение пролетного строения, в – узел верхнего пояса главной фермы пролетного строения с соединительными штыревыми упорами

Мост через реку Арройо-Лас-Пьедрас 50, 4+17× 63, 5+44+35 м

Поперечное сечение пролетного строения в середине пролета (размеры в метрах): 1 – гибкие штыревые упоры; 2 – верхняя монолитная плита; 3 – верхняя сборная плита; 4 – наружные наклонные стальные полосы; 5 – ребро жесткости; 6 – железобетон монолитной продольной полосы; 7 – нижняя сборная плита

Опыт Южной Кореи Мостовой переход Кумган расположен на скоростной железнодорожной магистрали

Железнодорожный мост Конпхо в Южной Корее наряду с железобетонными предварительно напряженными коробчатыми пролётными строениями, в основном пролёте имеет арку с двойной затяжкой. Схема пролетных строений арочной части моста 51, 20+130, 00+51, 20=232, 40 м,

Опыт Китая Мостовой переход Дашенгуан 108+192+336+192+108 м.

Расположение железнодорожных путей на мосту

Мост Тянксинджоу расположен в городе Ухань. По нему через реку Янцзы следует автомобильный транспорт и проложены четыре пути железной дороги .

Компоновка пролетного строения моста. Тянксинджоу

Мост через канал Дунпин полной длиной 442 м имеет арочный пролет величиной 242 м. Мост построен по схеме 99+242+99 м с тремя плоскостями главных арок в поперечнике

Схема поперечного сечения в середине пролёта моста Дунпин

Типовая конструкция верхнего строения пути на двухпутных железнодорожных мостах ВСМ «У-Гуан»

Железнодорожный мостовой 140+294+1008+294+140 м переход Хутун

Опыт Японии

Эстакадная часть моста через р. Карасу (Япония)

Опыт Италии

Опыт Германии по сооружению эстакад и виадуков

Схемы виадука на ВСМ Ганновер-Вюрцбург (Германия): 1 - рельсовый путь; 2 - уравнительный прибор; 3 - жёсткое соединительное устройство; 4 – гидравлическое соединительное устройство

Поперечные сечения балок пролётных строений ПРК-ЦНИИС: а – вариант № 1; б – вариант № 2; в – вариант № 3; г – вариант № 4

Предложения проектных организаций России по конструкциям мостов ВСМ Расчетный пролет, м Строительная высота, м 16, 5; 2, 20; 23, 6 2, 30 16, 5; 2, 80; 23, 6 2, 90 33, 0; 3, 85; 44, 0; 4, 85; 55, 0 Тип пролетного строения 5, 85 Монолитные преднапряженные плитные Сборно-монолитные преднапряженные ребристые Монолитные преднапряженные коробчатые 66, 0; 77, 0; 88, 0; Сталежелезобетонные арочные с затяжкой 100, 0; 110, 0; 120, 0; 130, 0 1, 85

Монолитное железобетонное двухпутное плитное пролетное строение L=16, 5 м

Монолитное железобетонное двухпутное плитное пролетное строение L=23, 6 м

Сборно-монолитное железобетонное двухпутное пролетное строение L=16, 5 м

Монолитное железобетонное двухпутное коробчатое пролетное строение L=33, 0 м

Металлическое двухпутное пролетное строение Lр=100, 0 м

Металлическое пролётное строение со сквозными главными фермами и жестким нижним поясом

Коробчатое пролётное строение

Конструктивно-технологические решения: • - Для малых мостов с пролетами до 15, 0 м можно использовать железобетонные сборные плитные и ребристые разрезные балки со стоечными и рамными опорами; • - При пролетах 15, 0 -33, 0 м в случае многопролётных сооружений можно применять плитно-ребристые пролетные строения из монолитного предварительно напряженного железобетона на рамных и стоечных опорах;

Конструктивно-технологические решения: • - Для искусственных сооружений с пролетами 33, 0 - 55, 0 м следует применять коробчатые пролётные строения из монолитного предварительно напряженного железобетона на стоечных и рамных опорах, при этом целесообразно использовать метод цикличной продольной надвижки (ЦПН); • - На мостах с пролетами более 55, 0 м следует использовать металлические и сталежелезобетонные пролетные строения сплошностенчатые и со сквозными главными фермами на массивных опорах.

Методика расчёта моста как системы «мост-бесстыковой путь» на продольные силовые и температурные воздействия. Одномерная расчётная схема моста

Плоская расчётная схема

Структура программы • • • 1. Ввод, расшифровка, семантический контроль и запись исходных данных в файл. 2. Формирование и решение системы линейных алгебраических. уравнений относительно перемещений (линейных и угловых) узлов расчетной схемы (где n – число степеней свободы) вида: , Rd=Y (2. 2. 3 -3) где d– столбец искомых относительных перемещений; Y– столбец заданных нагрузок; R – матрица жесткости системы, имеющая вид: . R=[r 11 r 12 r 1 n] [rn 1 rn 2 rnn] Здесь элементы матрицы R – единичные реакции, зависящие от напряженнодеформированного состояния системы. 3. Уточнение жесткостных характеристик квазистержней и повторный расчет с оценкой сходимости алгоритма. 4. Вывод в файл результатов расчета.

Определение жесткостных характеристик связей между рельсами бесстыкового пути и пролетными строениями моста 1 – железобетонные шпалы; 2 – деревянные шпалы; 3 – зависимость, принимаемая для расчетов продольного взаимодействия бесстыкового пути и моста с ездой на балласте

. Средние сопротивления сдвигу рельса по скреплению типа КБ с резиновыми прокладками при затягивании гаек клеммных болтов крутящим моментом, HM: 1 – 150, 2 – 100

Функция сопротивления

Диаграмма Прандтля

Расчет прочности и устойчивости бесстыкового пути на мосту с ездой на балласте Условие прочности рельсов при этом имеет вид: Условие устойчивости пути против выброса: Здесь – значения максимальных растягивающих . напряжений в сечениях рельса; • – то же, сжимающих; • – допустимые значения нормальных напряжений в сечениях рельса соответственно по условию прочности при сжатии, при растяжении и продольной устойчивости пути против выброса. • • •

Условие прочности

Определение оптимальной области температуры закрепления рельсовой плети на мосту

Температура окружающего воздуха Эпюры продольных усилий в паре рельсов бесстыкового пути (NP) на эстакаде 18 х16, 56 м и подходах к ней: а при понижении температуры рельсов на 56 о. С от температуры закрепления плети; б – то же на 70 о. С; в – при действии погонной тормозной нагрузки

Статическая система моста -Эпюры продольных усилий NP в паре рельсов бесстыкового пути на эстакаде балочно-неразрезной системы от понижения температуры рельсов на 56 ОС (от температуры закрепления плети) и тормозных сил : 1 – при жёсткости устоя СУ=78000 к. Н/м; 2 – при СУ=1000000 к. Н/м (RУ – горизонтальная реакция устоя)

Жесткость опор в направлении вдоль оси пути

Длина сооружения (эстакада 60 х23, 7 м, совместное действие тормозной нагрузки =10, 5 к. Н/м и понижения температуры рельса от +20 ОС до -36 ЩС при жёсткости промежуточных опор СО )

Мост через р. Олифантс

Графики изменения температур на путепроводе Бри-сю-Марн (Франция) в августе 1977 года: 1 – температура рельса; 2 – температура воздуха; 3 – температура верха железобетонной плиты толщиной 80 см; 4 – то же низа плиты

Мероприятия для уменьшения продольных усилий в рельсах бесстыкового пути на мосту • Уменьшение величины температурного пролёта, например, изменением системы моста из неразрезной в разрезную. • Изменение жесткостных характеристик связей между рельсами и пролетными строениями. • Использование в системе «мост-бесстыковой путь» дополнительных устройств (типа уравнительных приборов) в рельсовых нитях. • Расстановка опорных частей на опорах в определённом порядке. • Применение конструкций мостового полотна, обеспечивающих раздельную работу рельсов мостового полотна и мостовых конструкций. • Использование специальных конструкций проезжей части, пролетного строения, позволяющих различными приемами снижать усилия в рельсах.

Расчетная схема балочного железнодорожного моста с бесстыковым путем для динамических расчётов

Формы свободных колебаний четырехпролетного моста • .

Зависимость собственных частот сооружения от модуля продольной упругости U

Зависимость собственных частот сооружения от жесткости грунтов основания Kв

Влияние на собственные частоты жесткости конструкции опор Со вдоль оси пути (в плоскости виадука)

. АНАЛИЗ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ МОСТОВ ПРИ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ ПОЕЗДА Nm+1 = R 0 Ф·q, • Здесь – ЕАр – погонная жесткость участков рельсового пути на мосту длиной L;

Матрица Ф

Колебания верха опоры виадука при торможении поезда U = 26 МПа в зависимости от величины модуля продольной упругости подрельсового основания U и характера функции торможения fп: а) q 4 = f(t) при различных видах функции fп и различных значениях U = 0 модуля продольной упругости U; б) графики функции торможения fп

График колебаний верха опоры при торможении поезда в зависимости от силы сухого трения в подвижных опорных частях балок пролетных строений (f 0 – коэффициент трения)

Графики колебаний верха опоры при торможении поезда: 1 – при Ммасс/Моблегч = 1(U = 4, 5 МПа); 2 – при Ммасс/Моблегч = 1 (U = 26 МПа); 3 – при Ммасс/Моблегч = 2(U = 4, 5 МПа)

Балластное и безбалластное мостовое полотно • Подрельсовое основание в виде армированной железобетонной плиты с опирающейся на неё рельсошпальной решёткой: 1 – бетон выравнивания и заполнения; 2 – армированная железобетонная плита; 3 – бетон основания; 4 – железобетонная шпала; 5 – битуминизированный гравий; 6 – гравий; 7 - цементация

Железобетонная плита с упруго опирающимися на неё двухблочными шпалами (Франция 1 – резиновая прокладка; 2 – бетон; 3 – шпала: 6 – ж-б плита дл. 98 м

Подрельсовое основание со сборными железобетонными плитами (ФРГ): 1 – готовая плита; 2 – битуминизированный слой; 3 – слой гравия с вяжущими добавка

. Мостовое полотно моста Ампер (ФРГ): 1 – железобетонное пролетное строение; 2 – эластичный слой; 3 – верхняя плита; 4 – упор; 5 – паз плиты; 6 – корыто: 7 – шпалы; 8 – раствор; 9 – битуминизированный слой

. Мостовое полотно с безбалластной железобетонной плитой (Россия): 1 – железобетонная плита; 2 – рельс; 3 - контруголок (перила и тротуар не показаны)

Выводы • Опыт эксплуатации мостов на ВСМ с безбалластным мостовым полотном показал их экономичность. Тем не менее, в ряде стран на мостах применяют балластное мостовое полотно. Оно требует повышенных расходов на эксплуатацию, однако обеспечивает однородность езды на подходах и на мосту, а также меньшую динамику проезда. Кроме того, продольные температурные усилия в рельсах бесстыкового пути на мосту при езде на балласте существенно ниже, чем при жестком мостовом полотне, что объясняется тем, что плита безбалластного мостового полотна соединена с деформирующимся в процессе эксплуатации пролетным строением жёстко.