Введение к работе
Актуальность исследования. Несущие конструкции контактной сети, к числу которых относятся опоры, являются ответственными нерезервируемыми элементами системы электроснабжения электрических железных дорог. Надежность опор контактной сети определяет бесперебойность и безопасность движения поездов, поэтому вопросам прочности железобетонных опорных конструкций как на стадии разработки и проектирования, так и на стадии изготовления и эксплуатации всегда уделялось особое внимание.
Для электрифицированных участков железных дорог важнейшей проблемой являются повреждения железобетонных опор контактной сети – трещины в бетоне и электрокоррозия, которые могут привести к излому и падению опоры, что неизбежно повлечет за собой обрыв проводов, нарушение электроснабжения и режима движения поездов на соответствующем участке железной дороги.
Протяженность электрифицированных участков железных дорог превышает 43 тыс. км, на них установлено более 1,58 млн железобетонных опор контактной сети, из которых более 516,6 тыс. имеют срок службы свыше 40 лет.
Согласно «Стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г.» и программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г.» одними из основных направлений научно-технической политики компании являются повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств. Требуемого уровня безопасности движения можно достичь только при надежных и долговечных опорных конструкциях контактной сети.
В связи с подверженностью железобетонных опор воздействию различных климатических факторов, недостаточной коррозионной стойкостью, неремонтопригодностью и опасностью внезапной потери несущей способности разработаны «Указания по техническому обслуживанию и ремонту опорных конструкций контактной сети» № K-146-2008, регламентирующие порядок технического обслуживания и ремонта конструкций контактной сети на электрифицированных участках железных дорог России. Однако в них не определены научно обоснованные геометрические параметры ряда дефектов, что затрудняет оценку технического состояния опор.
В настоящее время существует несколько методов оценки состояния подземной части опор контактной сети и состояния бетона. Однако эти методы не позволяют определить остаточную несущую способность опоры.
Замена дефектных опорных конструкций требует значительных финансовых и трудовых затрат, поэтому совершенствование методов оценки несущей способности железобетонных опор является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы – оценка пригодности к эксплуатации железобетонных опор контактной сети путем определения их несущей способности с учетом дефектов и воздействия нагрузок.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1) выполнить анализ исследований железобетонных опор контактной сети, позволяющий выявить основные факторы, которые необходимо учитывать при определении состояния опор;
2) разработать методику оценки коррозионного износа арматуры;
3) создать методику определения остаточной несущей способности железобетонных опор с учетом различных дефектов;
4) предложить методику определения деформаций стоек опор под нагрузкой и разработать программу, обеспечивающую возможность выполнения расчета нагрузок на опоры в различных метеорологических условиях;
5) разработать методику испытаний и провести экспериментальные исследования несущей способности дефектных опор;
6) определить экономический эффект от использования разработанных методик, алгоритмов и программы для ЭВМ.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены на основе математического моделирования на ПЭВМ с использованием универсальной математической программы MathCad. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках и на участках магистральных электрических железных дорог.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана методика оценки коррозионного износа арматуры на основе изменения объема поврежденного стержня, приводящего к увеличению давления на защитный слой бетона;
создана методика определения несущей способности железобетонных опор, учитывающая нелинейность напряжений в бетоне и арматуре;
предложена методика расчета деформаций железобетонных опор, основанная на учете перераспределения усилий в бетоне и арматуре, а также изменения жесткости опоры в результате образования трещин.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами лабораторных экспериментов и испытаний, проведенных на участках Западно-Сибирской железной дороги. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 8 %.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
Разработанная методика оценки коррозионного износа арматуры позволяет выполнить экспресс-анализ состояния железобетонной опоры.
Созданная методика определения несущей способности железобетонных опор дает возможность оценить остаточную несущую способность дефектных конструкций, что позволяет установить очередность их замены.
Предложенная методика расчета деформаций железобетонных опор позволяет повысить достоверность определения нагрузок на опоры.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в дорожной электротехнической лаборатории Западно-Сибирской железной дороги и в ООО «Промэнергосервис» (г. Омск).
Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI международной научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2010); на международной научно-технической конференции «Инновации для транспорта» (Омск, 2010); на всероссийской научно-практической конференции с международным участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников (Хабаровск, 2010); на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта» (Омск, 2011); на семинарах кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» и научно-техническом семинаре ОмГУПСа в 2008–2011 гг.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в девяти печатных работах, которые включают в себя пять статей, три тезиса докладов и свидетельство о регистрации программного обеспечения. Две статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 123 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 130 страниц, включая 13 таблиц и 60 рисунков.
