close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ТЕМПЕРАТУРНАЯ РАБОТА ПЛЕТЕЙ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ НА

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Портнов Алексей Владимирович
ТЕМПЕРАТУРНАЯ РАБОТА ПЛЕТЕЙ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ НА
МОСТАХ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПРОЛЕТНЫМИ СТРОЕНИЯМИ
С ЕЗДОЙ НА БАЛЛАСТЕ
Специальность: 05.22.06 – Железнодорожный путь, изыскание и
проектирование железных дорог
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2016 г.
Работа выполнена в Акционерном обществе «Научно-исследовательский
институт железнодорожного транспорта» (АО «ВНИИЖТ»)
Научный руководитель
Официальные оппоненты
Ведущая организация
ВИНОГОРОВ Николай Павлович, кандидат
технических наук
Ершов Валентин Васильевич, доктор технических
наук, доцент, профессор кафедры «Путь и
строительство железных дорог» Федерального
государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего образования «Самарский
государственный университет путей сообщения»
(г. Самара).
Бельтюков
Владимир
Петрович,
кандидат
технических
наук,
доцент
кафедры
«Железнодорожный
путь»
Федерального
государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего образования «Петербургский
государственный университет путей сообщения
Императора Александра I» (г. Санкт-Петербург).
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Иркутский государственный университет путей
сообщения» (г. Иркутск).
Защита состоится 18 октября 2016 года в 13-00 часов на заседании
диссертационного ученого совета Д 218.008.03 на базе ФГБОУ ВО
«Петербурский государственный университет путей сообщения Императора
Александра I» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9,
ауд. 7-520.
С диссертацией, авторефератом можно ознакомиться в библиотеке и на
сайте ФГБОУ ВО «Петербургский государственный университет путей
сообщения Императора Александра I» (www.pgups.ru). Автореферат размещен
на сайте Минобрнауки России (www.vak.ed.gov.ru).
Автореферат разослан 18 августа 2016 г.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим
направлять по адресу Ученого совета Университета.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент
Колос Алексей Федорович
Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертации.
Бесстыковой путь является прогрессивной конструкцией верхнего
строения пути. Техническая политика ОАО «РЖД» направлена на расширение
полигона укладки бесстыкового пути, который является основной
конструкцией пути, допускаемой к укладке на сети железных дорог России.
Бесстыковой путь допускается укладывать в сложных эксплуатационных и
природно-климатических воздействиях. Одним из барьерных мест для
непрерывной укладки бесстыкового пути являются мосты. Укладка
бесстыкового пути на мостах сопряжена с определенными трудностями,
которые связаны с тем, что продольные перемещения пролетных строений
через подрельсовое основание передаются рельсу, приводя к возникновению
значительных дополнительных усилий растяжения или сжатия в плети
бесстыкового пути, что может привести к её разрыву или выбросу. На величину
дополнительных усилий влияет величина годовой температурной амплитуды и
тип проезжей части мостового полотна. Проезжая часть мостового полотна
представлена двумя основными типами – безбалластная и с ездой на балласте.
Мосты с безбалластным полотном широко распространены на железных
дорогах России, однако имеют определенные ограничения. Например, не
допускается расположение моста в кривых участках пути и на уклонах более
4‰. Строительство некоторых железнодорожных объектов потребовало
разработки новых типов пролетных строений, которые позволили располагать
мост на кривых участках и на больших продольных уклонах. Примером
применения новых пролетных строений является строительство мостов на
железнодорожной линии «Адлер-горноклиматический курорт «АльпикаСервис». Применение металлических пролетных строений с ортотропной
металлической плитой, включенной в совместную работу, позволило
разработать пролетные строения длиной от 55 и до 110 метров. Сегодня сфера
применения мостов с металлическими пролетными строениями с ездой на
балласте постоянно расширяется. Применение мостов с ездой на балласте
позволяет обеспечивать прохождение трассы железнодорожной линии в
сложных условиях рельефа – при наличии кривых и больших продольных
уклонов, а также обеспечивает единство конструкции верхнего строения пути
на подходах к мостам и на земляном полотне. За счет уширения балластного
корыта
до
4100
мм
обеспечивается
возможность
применение
высокопроизводительных щебнеочистительных машин, что отвечает
требованиям программы ОАО «РЖД», направленной на повышение
1
эффективности работы пути при одновременном снижении затрат на его
содержание. Главными принципами этой программы являются широкое
распространение эффективных конструкций пути, применение при ремонте и
содержании пути машинизированных комплексов, оснащенных техническими
средствами нового поколения.
Мосты с безбалластным мостовым полотном не обладают такими
преимуществами. Однако «Технические указания по устройству, укладке,
содержанию и ремонту бесстыкового пути», действовавшие
на
железных
дорогах Российской Федерации с 1 марта 2001 г не регламентировали укладку
бесстыкового пути на мостах с ездой на балласте с длиной пролетов более 66
метров. Это вызвано отсутствием на тот период времени рассматриваемых
типов пролетных строений, и, соответственно, экспериментальных и
теоретических исследований.
В связи с этим, для нормирования укладки бесстыкового пути на новых
конструкциях железнодорожных мостов в 2012 году была разработана
«Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового
пути». В ходе разработки новой нормативной базы потребовалось проведение
исследования температурной работы плетей бесстыкового пути на мостах с
ездой на балласте. Результаты исследования представлены в данной
диссертационной работе. В связи с вышеизложенным, актуальность работы
определена необходимостью проведения исследований напряженнодеформированного состояния плетей бесстыкового пути и разработки методики
расчета температурных интервалов и определения условий укладки на мостах
новых конструкций, ранее не применяемых.
Степень разработанности.
Работа железнодорожного пути на мостовых сооружениях с балластным
и безбалластным мостовым полотном при продольных воздействиях изучалась
с помощью численных методов и натурных экспериментов в работах
отечественных ученых В.М. Анисимова, Н.П. Виногорова, И.И. Казея,
В.П. Польевко, В.А. Цирулева, В.Н. Смирнова и др.
Цель работы и задачи исследования:
Целью работы является расширение полигона укладки бесстыкового пути
и оптимизации расходов на эксплуатацию путем исследования и разработки
расчетной модели взаимодействия плетей бесстыкового пути с пролетными
строениями мостов с ездой на балласте.
Объект исследования.
2
Объектом исследования являются плети бесстыкового пути, уложенные
на металлических мостах с ездой на балласте.
Предмет исследования.
Предметом исследования является напряженно-деформированное
состояние плетей бесстыкового пути при взаимодействии их с пролетными
строениями мостов с ездой на балласте.
Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:
- впервые, на основе выполненных теоретических и экспериментальных
исследованиях
получена
нелинейная
функциональная
зависимость,
описывающая сопротивление плетей бесстыкового пути продольному сдвигу
пролетного строения с ездой на балласте;
- разработана конечно-элементная модель расчета напряженнодеформированного состояния плетей бесстыкового пути на основе выявленной
нелинейной функциональной зависимости, описывающей сопротивление
плетей бесстыкового пути продольному сдвигу пролетного строения мостов с
ездой на балласте.
Теоретическая значимость работы:
- в ходе проведения экспериментальных исследований, выявлена
нелинейная зависимость, описывающая сопротивление плетей бесстыкового
пути продольному сдвигу пролетного строения относительно плети с ездой на
балласте, что позволяет производить расчеты напряженно-деформированного
состояния плетей бесстыкового пути с использованием конечно-элементной
модели, соответствующей реальному характеру работы плетей на
металлических мостах с ездой на балласте.
Практическая значимость работы:
- с помощью модели, разработанной в конечно-элементной среде,
получены значения величин дополнительных продольных усилий, вызванных
температурным
перемещением
металлических
пролетных
строений
железнодорожных мостов с ездой на балласте в летний и зимний периоды;
- на основе проведенных расчетов напряженно-деформированного
состояния рельсовых нитей на мосту разработана методика расчета условий
укладки бесстыкового пути;
Методология и методы исследования базируются на использовании
комплекса теоретических и экспериментальных исследований, включающих:
- методы строительной механики, динамики сооружений и устойчивости
конструкций;
3
- численные методы расчета продольного взаимодействия конструкций
верхнего строения железнодорожного пути и моста с помощью ЭВМ;
- методы статистической обработки результатов экспериментов и их
корреляционного анализа;
- эксплуатационные наблюдения за температурной работой плетей
бесстыкового пути на мосту с металлическими пролетными строениями с ездой
на балласте и анализ полученных данных с помощью индивидуально
разработанных аналитических программно-прикладных средств.
Научные положения, выносимые на защиту:
- нелинейная функциональная зависимость, описывающая сопротивление
плетей бесстыкового пути продольному сдвигу пролетного строения с ездой на
балласте;
- конечно-элементная модель расчета продольных усилий в плетях
бесстыкового пути, уложенных на железнодорожных металлических мостах с
ездой на балласте, с нелинейным сопротивлением плетей бесстыкового пути
продольному сдвигу пролетного строения;
- методика расчета условий укладки бесстыкового пути на металлических
мостах с ездой на балласте.
Степень достоверности научных положений:
Достоверность результатов, полученных при расчетах на основе
разработанной конечно-элементной модели, подтверждается хорошей
сходимостью с данными натурных экспериментов и результатами
исследований других авторов.
Апробация работы:
Основные положения диссертации доложены:
- на всероссийской научно-практической конференции с международным
участием «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования и
эксплуатации железных дорог», проходившей в ИрГУПСе 19-23 апреля 2010 г.;
- на VIII Международной научно-практической конференции «Наука и
образование транспорту», проходившей в СамГУПСе 21 - 23 октября 2015 г.
Внедрение работы:
- разработанная конечно-элементная модель использовалась для расчетов
напряженно-деформированного состояния плетей бесстыкового пути на мостах
при разработке схем укладки бесстыкового пути на железнодорожной линии
Адлер-горноклиматический курорт «Альпика-Сервис», включающих 30
металлических мостов с ездой на балласте, общей длиной более 10 км;
4
- результаты работы использовались при разработке норм устройства
бесстыкового пути на металлических мостах с ездой на балласте (раздел 8
«Инструкции по устройству, укладке и содержанию и ремонту бесстыкового
пути» утвержденной Распоряжением ОАО «РЖД» от 29 декабря 2012 г.
№2788р.).
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 6 статьях, 4 из
которых опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих
рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, заключения, списка
литературы и приложений.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель
исследования, показана научная новизна, теоретическая и практическая
значимость диссертационной работы.
В первой главе описаны этапы развития температурно-напряженной
конструкции пути, как основного и наиболее перспективного варианта верхнего
строения пути. Обозначены основные преимущества бесстыкового пути,
обеспечивающие дальнейшее расширение его полигона укладки на мостах.
Рассмотрены исторические предпосылки и этапы развития конструкций
мостового полотна, предшествующие появлению новых конструкций
пролетных строений. Основной конструкцией верхнего строения пути на
земляном полотне является железнодорожный путь на балласте, где в качестве
балласта использовали пески, гравий, металлургические шлаки, щебень.
Достаточно длительное время, основной конструкцией на мостах считалась
езда на деревянных поперечинах, уложенных на продольные балки. В связи с
простотой устройства проезжей части, езда на балласте применялась в первую
очередь на каменных арочных мостах. Устройство проезжей части на балласте
увеличивает постоянную нагрузку, строительную высоту, не позволяет
обеспечить визуальный осмотр мостовых конструкций, скрытых слоем
балласта. Поэтому, проезжая часть с ездой на балласте на больших
металлических мостах практически не применялась. Разработка новых
конструкций мостового полотна из металла, в частности, совершенствование
сварки металла и развития теории расчетов способствовали появлению
металлических ортотропных плит, что предопределило
разработку
металлических пролетных строений с ездой на балласте с длинами 33-154 м.
5
Разработка новых конструкций металлических пролетных строений с
ездой на балласте явилась причиной необходимости проведения исследований,
направленных на изучение температурной работы плетей бесстыкового пути,
уложенных на новых типах пролетных строениях.
Во второй главе рассмотрены особенности работы бесстыкового пути,
уложенного на мостах. Определены условия укладки бесстыкового пути на
мостах и рассмотрен практический графоаналитический метод расчета
напряженно-деформированного состояния пути. Любое пролетное строение
моста, то ли металлическое, то ли железобетонное меняет свою длину при
изменении температуры и при проходе подвижного состава. То есть при
укладке бесстыкового пути на мостах плеть укладывается на подвижное
основание. В летнее время поездные и температурные смещения подвижных
концов пролетных строений совпадают по направлению. В зимнее время они
противоположны. Соединенные с пролетными строениями рельсовые плети
под действием температурных сил практически не имеют возможности
перемещаться совместно с пролетными строениями. Вследствие неизбежного
перемещения пролетного строения относительно рельсовых плетей
преодолеваются силы сопротивления, возникающие в конструкциях,
обеспечивающих закрепление рельса к подрельсовому основанию, и далее, к
пролетному строению. Указанное взаимодействие описывается функций
взаимодействия рельсовой нити с пролетным строением. Функция
взаимодействия определяет величину реализуемого погонного сопротивления
рельсовой нити при перемещении пролетного строения. На безбалластных
мостах наиболее подходящей функцией является упруго-фрикционная,
максимально передаваемое усилие в которой определяется трением подошвы
рельса по подрельсовому основанию в узле скрепления и составляет около
25 кН/м. На мостах с ездой на балласте также возможно использование упругофрикционной функции, максимальное воздействие на рельсовую нить
определяется сопротивлением балласта продольному перемещению шпалы –
примерно 9.8 кН на погонный метр. Развивающиеся при этом силы,
действующие как на рельсовые плети, так и на пролетные строения, зависят от:
длины пролетного строения,
силы реакции на перемещение пролета,
возникающей в плетях, величин продольных смещений пролетного строения и
осевых нагрузок. При больших величинах прижатия подошвы рельса к
подрельсовому основанию силы взаимодействия могут существенно увеличить
основные напряжения в рельсах и вызвать расстройство мостового полотна. В
отдельных случаях указанные силы могут способствовать нарушению
6
устойчивости пути на подходах. При резком снижении прижатия подошвы
рельса к подрельсовому основанию возникает повышенная вероятность
образования большого зазора в случае излома рельсовой плети на мосту в
зимнее время года. Из этого следует, что одной из задач исследований
особенностей работы бесстыкового пути на мосту является выбор таких
способов закрепления рельсовых плетей на мостах, при которых бы
удовлетворялись эти два противоречивых требования: с одной стороны сила
прижатия должна быть достаточна велика, чтобы удержать плеть при
образовании зазора, но при этом, чтобы дополнительные усилия в плетях не
превышали допустимых величин.
Исходя из вышесказанного, укладка бесстыкового пути на мостах
допускается при соблюдении следующих требований:
- дополнительные напряжения, появляющиеся в рельсах на мостах
вследствие температурных и поездных продольных смещений пролетных
строений, в сумме с основными кромочными к и температурными t не
должны превышать допускаемых значений по прочности рельса:
(кпк+t+м)  [],
где:
- допускаемое напряжение, принимаемое для современных
[]
термически упрочненных рельсов равным 400 МПа;
- напряжения в кромках подошвы рельса от изгиба и кручения
к
под поездной нагрузкой, МПа;
кп
- коэффициент запаса прочности, кп = 1,3;
- напряжения, появляющиеся в плетях при продольных
м
подвижках (деформациях) основания, МПа;
- температурные напряжения рельсовой плети, МПа.
t
- наибольшие значения температурных напряжений в рельсовой плети в
зоне моста и подходов с учетом дополнительных напряжений, вызванных
подвижками пролетных строений, не должны быть больше допускаемых
значений по устойчивости пути:
t + м ≤ [у],
[у] =   E  [Δtу],
где:
[Δtу] - допускаемое повышение температуры по условиям
обеспечения устойчивости, °С;
- коэффициент линейного расширения рельсовой стали, °С-1;

Е
- продольный модуль упругости рельсовой стали, МПа;
7
- расчетная величина зазора [  ], образующегося при внезапном изломе
плети на мосту, не должна превышать 50 мм.
Для определения дополнительных напряжений, вызванных смещениями
пролетных строений, необходимо произвести расчет напряженнодеформированного состояния рельсовых плетей. Для практических расчетов
напряженно-деформированного состояния бесстыкового пути на мостах
используют
методику
расчета,
разработанную
по
результатам
экспериментальных исследований к.т.н. В.А. Цирулевым (НИИ мостов) и
к.т.н. Н.П. Виногоровым
(АО
«ВНИИЖТ».
Расчёт
напряженнодеформированного состояния бесстыкового пути на мосту сводится к расчёту
стержня (рельса), закрепленного на подходах, на действие активных и
пассивных равномерно распределенных сил.
Также стоит отметить, что используемая упруго-фрикционная функция
взаимодействия пути на мосту не в полной мере отражает работу бесстыкового
пути на балластном мостовом полотне в летний период. Балласт, являясь
зернистой средой, в которой отсутствуют жесткие связи между частицами, не
может передать все продольные перемещения пролетных строений на
подрельсовое основание плетей бесстыкового пути. В связи с этим необходимо
при помощи проведения экспериментальных исследований определить
функцию взаимодействия плетей и пролетных строений с ездой на балласте.
Третья глава посвящена описанию разработанной конечно-элементной
модели взаимодействия плетей с пролетными строениями с использованием
полученной экспериментальным путем нелинейной функциональной
зависимостью, описывающей сопротивление плетей бесстыкового пути
продольному сдвигу пролетного строения с ездой на балласте.
Возможность использования разработанной конечно-элементной модели
определена путем сопоставления результатов МКЭ с расчетами по
разработанному ранее В.А. Цирулевым методу с одинаковыми исходными
данными. Так как достоверность методики расчета В.А. Цирулева
подтверждена
результатами
ранее
проведенных
экспериментальных
исследований (научно-технические отчеты НИИ мостов ЛИИЖТ, 1969-1975 г.)
напряженно-деформированного состояния плетей на мостах с жестким
полотном, то при использовании в конечно-элементной модели упругофрикционной функции взаимодействия, при корректности конечно-элементной
модели, результаты расчетов должны быть сопоставимы. Сопоставление
результатов расчета показало их высокую сходимость, что подтверждает
корректность разработанной конечно-элементной модели.
8
Общий вид модели в вычислительном комплексе графической среды
Femap with NX Nastran показан на рисунке 1, моделируемый элемент
бесстыкового пути на мосту показан на рисунке 2.
Рисунок 1 - Фрагмент конечно-элементной модели железнодорожного
пути на мосту
1 – элемент типа Spring/Damper с нелинейной жесткостью,
моделирующий функцию взаимодействия пути с пролетным строением, 2 –
закрепление степеней свободы пролетного строений, 3 – элемент, типа BEAМ,
моделирующий пролетное строение, 4 - элемент, типа BEAМ, моделирующий
рельс, 5 – закрепление степеней свободы элемента, моделирующего рельс
Рисунок 2 – Элемент бесстыкового пути на мосту
где N(х) — продольное усилие в рельсе, Н; Nм(x) — продольное усилие в
пролетном строении, Н;
τ(x) — распределенные продольные усилия в рельсе, кПа;
t(x) — изменение температуры плети, С°;
T(x) —изменение температуры пролетного строения, С°;
f(x, u) — функция взаимодействия между рельсом и пролетным
строением;
F — площадь поперечного сечения рельса, м2;
Fм – площадь поперечного сечения пролетного строения, м2;
u (x) — перемещения рельса, м;
m(x) — перемещения пролетного строения, м;
dN, dNm — дополнительные усилия в рельсе и пролетном строении, Н.
9
Программный комплекс MSC Femap with NX Nastran позволяет
использовать в моделях нелинейные зависимости. Возможность использования
нелинейных зависимостей достигается использованием встроенного в Femap
метода расчета Nonlinear Static. В данной модели впервые в среде конечноэлементного моделирования использована полученная экспериментальным
путем нелинейная функциональная зависимость f(x,u), описывающая
сопротивление плетей бесстыкового пути продольному сдвигу пролетного
строения с ездой на балласте, что значительно приближает работу модели к
температурной работе реального бесстыкового пути, уложенного на мостах с
ездой на балласте по сравнению с моделью упруго-фрикционного
взаимодействия. Как показали дальнейшие исследования, использование
упруго-фрикционного взаимодействия для моделирования напряженнодеформированного состояния плетей бесстыкового пути на мостах с ездой на
балласте, приводит к получению завышенных напряжений в плетях, и тем
самым, приводит к выбору экономически нерациональной схемы укладки
уравнительных приборов на мостах.
Функциональная зависимость f(x,u), описывающая сопротивление плетей
бесстыкового пути продольному сдвигу пролетного строения с ездой на
балласте получена в ходе проведения экспериментальных исследований на
мосту с ездой на балласте через р. Веребье.
Для определения усилий в бесстыковом пути на мосту использована
система контроля напряжений в бесстыковом пути (далее СКБП). В состав
СКБП входит комплекс температурных и тензометрических датчиков,
скомпонованных в беспроводной модуль.
Для определения дополнительного продольного усилия в плетях
бесстыкового пути на мосту от продольного температурного перемещения
пролетного строения произведено сравнение измерений тензометрических
датчиков, входящих в состав беспроводного модуля СКБП в сечениях плетей
бесстыкового пути на участке земляного полотна и над подвижной опорой
последнего пролетного строения.
На момент проведения исследований были доступны данные с двух
беспроводных модулей системы СКБП, один из которых установлен на
земляном полотне (беспроводной модуль №2 на рисунке 3), другой - в сечении
с максимальным расчетным напряжением (беспроводной модуль №1 там же).
10
1
Мост
0,5
Земляное полотно
0
-35
-25
-15
Усилие в рельсе N, МН
Рисунок 3 - Схема установки беспроводных модулей СКБП на
Веребьинском мостовом переходе
1 – точка установки модуля №1 над подвижной опорной частью, 2 – точка
установки модуля №2 на земляном полотне, 3 – неподвижная опорная часть, 4 –
подвижная опорная часть
Всего было обработано 31683 наблюдений. Из всей совокупности
наблюдений число непрерывных интервалов нарастания или спада
температуры составило 1650. Число непрерывных интервалов изменения
температуры более чем на 1C составляет 137. Результат в графическом виде
показан на рисунке 4.
-5
Изменение температуры T,С
5
15
25
35
-0,5
-1
Рисунок 4 - График зависимости изменения усилия в рельсе (МН) от
изменения температуры рельса T(°С) на основе показаний датчиков на мосту
и на земляном полотне
На рисунке 4 видно, что усилия в плети, уложенной на пролетном
строении, выше, чем на земляном полотне. Тем самым, это указывает на
передачу продольных перемещений к подрельсовому основанию через
балластный слой, а следовательно, указывает на необходимость расчета
напряженно-деформированного состояния плетей, уложенных на мостах с
ездой на балласте.
Зная величины изменения температуры окружающей среды, и
соответствующие этим изменениям величины усилий в точке 1 над подвижной
опорной частью (соответственно рисунку 4), путем внесения изменений в
упруго-фрикционную функцию(принятую в качестве первого приближения),
несколькими итерациями подбирается такой вид функции взаимодействия, при
11
использовании которой в МКЭ, результаты расчета усилий в точке 1,
соответствуют изначальным, полученным в ходе эксперимента, величинам.
Функцию можно представить в виде выражения, в котором она в
дальнейшем используется в конечно-элементной модели, и представлена на
рисунке 5:
r(u)=7900*arctg(100*u),
где r(u) - сопротивление плетей бесстыкового пути продольному сдвигу
пролетного строения, кН/м;
u - продольные перемещения пролетного строения, м;
12000
Сопротивление сдвигу, r Н/м
10000
8000
6000
4000
2000
Перемещение пролетного строения, u, м
0
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
Рисунок 5 - Функциональная зависимость, описывающая сопротивление плетей
бесстыкового пути продольному сдвигу пролетного строения с ездой на
балласте
Максимальное влияние, по сравнению с упруго-фрикционной функцией,
новая функция взаимодействия оказывает на результат расчета в зоне
перемещений пролетного строения до 10-15 мм. Именно в этой зоне погонное
сопротивление существенно ниже. Продольные температурные перемещения
пролетного строения длиной 33 м даже при больших температурных перепадах
(около 40С) находятся в пределах 10-15 мм, поэтому допускается укладка
бесстыкового пути на мосты с такими пролетными строениями без
ограничений.
В четвертой главе приведены расчеты напряженно-деформированного
состояния мостов на линии «ст. Адлер-горноклиматический курорт «Альпикасервис»» методом конечных элементов и их сопоставление с результатами
расчета графо-аналитическим методом. Расчеты проводились с использованием
упруго-фрикционной функцией взаимодействия. Результаты расчетов
использованы в качестве поверочных при разработке Специальных
технических условий на устройство и укладку бесстыкового пути на мостах
линии «ст. Адлер-горноклиматический курорт «Альпика-сервис».
12
В главе приведен пример расчета, устройства и выбора схемы
закрепления рельсовых плетей на мосту со схемой расположения пролетных
строений:
21х34,2+67,5+8х34,2+67,5+4х34,2+23,6+2х111,5+5х34,2+23,6+2х89,5+6х3
4,2+3х89,5+56,5+2х34,2.
Для исследования отличий работы плетей бесстыкового пути на мостах с
безбалластным полотном и с ездой на балласте были проведены
сопоставительные расчеты тех же мостов с использованием упругофрикционной и нелинейной функции (см. рисунок 6). Рассмотрено влияние
нелинейного взаимодействия на напряженное состояние плетей на примере
мостов с пролетными строениям 33 м, 66 м, 88 м и 110 м.
Напряжение в плети, МПа
99
89
79
Мост на жестком
полотне
69
59
49
Мост с ездой на
балласте
39
29
19
-50
50
150
250
350 опорной
450 части, 550
Удаление
от первой
м
650
750
Рисунок 6 - График напряжений в бесстыковой плети на мосту при
различных функциях взаимодействия. Схема моста 7х33+4х67+6х33
Во всех случаях, при моделировании расположения плети на пролетном
строении с ездой на балласте, отмечается снижение амплитуды изменения
напряжений в плетях. Исходя из этого, очевидно, что использование мостового
полотна с ездой на балласте обеспечивает более благоприятные условия работы
бесстыкового пути на мостах по сравнению с безбалластным мостовым
полотном с «жесткой» передачей продольных перемещений пролетных
строений к плетям.
В пятой главе на основе многовариантных расчетов напряженнодеформированного состояния плетей на мостах приведена разработанная
методика расчета условий укладки бесстыкового пути на мостах. Приведен
пример использования методики при расчете возможности устройства
бесстыкового пути на мостах. Расчеты выполнены для пролетных строений с
ездой на балласте длиной 55, 66, 77, 88 и 110 метров. Методика основывается
на анализе результатов расчетов напряженно-деформированного состояния
13
плетей, уложенных на однопролетных мостах, и сопоставления полученных
напряжений с предельно-допускаемыми значениями по условиям прочности и
устойчивости бесстыкового пути. В ходе проведенных многовариантных
расчетов для каждого пролетного строения и вариантов схем закрепления
плетей на мосту определены дополнительные воздействия от температурного
перемещения пролетного строения в летних и зимних условиях.
Полученные величины напряжений, для удобства
приведены к температурному эквиваленту по формуле:
t м 
использования
σм
2,5
Дополнительные величины в температурном эквиваленте для летних и
зимних условий сведены в таблицы. В качестве примера приведена таблица 1, в
которой указаны значения дополнительного воздействия tмЛ,С в летний
период при температуре закрепления tз=30С. Максимальное значения
температуры рельса tmax max принято равным 60С. Для расчетов зимних
условий, минимальная температура рельса tmin min принята равной -62С.
Таблица 1 - Дополнительное температурное воздействие в температурном
эквиваленте от перемещения пролетного строения в зависимости от
длины пролетного строения и длины участка закрепления в летний
период
Участки
Дополнительное температурное воздействие
отсутствия
tмЛ,С при длине пролетного строения, м.
прижатия
подошвы
рельса,
55
66
77
88
110
% от длины
пролетного
строения
0 (Полное
прижатие)
6
10
12
15
19
10
5
8
10
12
15
15
4
7
9
10
14
20
4
7
8
9
12
25
3
6
7
8
10
30
3
5
6
7
9
35
3
4
5
6
8
40
2
3
4
4
6
50
1
2
3
3
4
14
После определения допустимого повышения температуры по условию
обеспечения устойчивости [∆tу] и допустимого понижения температуры по
условию прочности на растяжение [∆tр], в зависимости от длины пролетного
строения, понижаем величины [∆tу] и [∆tр] на tмЛ и tмЗ при условии полного
закрепления скреплений на мосту.
Для учета расположения плетей на мостах, вводятся соответственно
поправки tмЛ и tмЗ в [∆tр] и [∆tу] из расчетных таблиц:
[∆tуМ]= [∆tу] - tмЛ
[∆tрМ]= [∆tр]- tмЗ
При использовании схем закрепления с участками без прижатия рельса к
подрельсовому основанию необходимо применение мостовых противоугонов,
обеспечивающих сохранение погонного сопротивления при образовании
излома плети. Поэтому проверку величин раскрытия зазора возможно
производить по формуле с учетом tмЗ:
[м ] ≥
0,24∆ 2

,
где ∆t= tmin min+ tЗопт+tмЗ.
Основные выводы по работе
1. Одним из ограничивающим фактором укладки бесстыкового пути
являются металлические мосты с ездой на балласте с пролетами более 66 м. При
укладке плетей бесстыкового пути на таких мостах необходимо учитывать
дополнительные усилия, вызванные продольным перемещением пролетного
строения.
2. Величина дополнительного усилия определяется путем расчета
напряженно-деформированного состояния плети бесстыкового пути с учетом
взаимодействия с пролетным строением моста.
3. Получена нелинейная зависимость сопротивления плетей бесстыкового
пути продольному сдвигу пролетного строения, которая используется при расчете
конечно-элементной модели как функция взаимодействия между элементами,
моделирующими плети бесстыкового пути и пролетное строение моста.
Найденная зависимость обеспечивает повышение достоверности результатов
расчетов.
4. Сравнительные расчеты с применением упруго-фрикционной и
нелинейной функциями показали, что влияние нелинейности особенно
существенно сказывается на участках пути с пролетными строениями длиной в
среднем 30-35 метров.
15
5. На основе анализа результатов многовариантных расчетов конечноэлементной модели нелинейного взаимодействия плетей бесстыкового пути с
пролетными строениями через балласт разработана методика расчета условий
укладки бесстыкового пути на металлических мостах с ездой на балласте,
позволяющая в простой и удобной форме производить расчеты устройства
бесстыкового пути на мостах без использования специальных программных
средств (среды конечно-элементного моделирования).
6. Определены величины дополнительных воздействий от продольных
перемещений пролетных строений под воздействием температуры окружающей
среды в летний и зимний период приведенные к температурному эквиваленту
tмЛ, С и tмЗ, С обеспечивающие определение безопасности укладки плетей
бесстыкового пути расположенных на мостах с ездой на балласте.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ:
1. Портнов, А.В. Моделирование взаимодействия бесстыкового пути с пролетными
строениями методом конечных элементов / А.В. Портнов // Вестник Научноисследовательского института железнодорожного транспорта. 2013. № 2. – С. 40 – 43.
2. Портнов, А.В. Расчет раскрытия зазора при изломе плети на мостах / А.В.
Портнов // Путь и путевое хозяйство. 2014. №6. - С. 13 – 15.
3. Портнов, А.В. Моделирование рельефа при интерактивном трассировании
линейных сооружений / А.В. Кулажский, А.В. Портнов // Транспортное строительство.
2010. №5. – С.22-23.
4. Портнов, А.В. Исследование напряженного состояния плетей бесстыкового пути
на мостах с ездой на балласте / А.В. Портнов, О.А. Суслов // Вестник транспорта
Поволжья. 2015. №6(54). – С.53-57.
- в других изданиях:
5. Портнов, А.В. Реализация положений экономической безопасности ОАО «РЖД»
при разработке вариантов проектных решений искусственных сооружений / В.В.
Соловьев, А.В. Портнов // Безопасность движения поездов. Труды XII научнопрактической конференции – М.:МИИТ. 2011. – С. IV-3.
6. Портнов, А.В. Взаимосвязь параметров железнодорожного пути и конструкции
моста / А.В. Портнов // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования,
строительства и эксплуатации железных дорог. Труды IV Всероссийской научнопрактической конференции с международным участием. Иркутск: ИрГУПС, 2010. – Т.1.
– С.91-94.
16
Подписано к печати
Печать-ризография
Тираж 100 экз.
СР ФГБОУ ВО ПГУПС
09.08.2016
Бумага для множит.апп.
Заказ №
190031, Санкт-Петербург,
Формат 60х84, 1/16
Печ. л. – 1.0
Московский пр., 9
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
25
Размер файла
813 Кб
Теги
пути, бесстыкового, плетей, работа, температурных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа