Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса исследования 13
1.1 Анализ существующих конструкций трамвайных путей 15
1.2 Отечественный опыт строительства трамвайных путей 17
1.3 Иностранный опыт строительства трамвайных путей .28
1.4 Разработка новых конструкций трамвайных путей
1.4.1 Конструкция трамвайного пути на монолитном железобетонном основании с применением опорных блоков 41
1.4.2 Применение порталов 44
1.5 Результаты замеров шума и вибраций от прохода трамвая на различных конструкциях трамвайного пути 46
Выводы по главе 59
2. Выбор и обоснование конструкций трамвайных путей 60
2.1 Конструкции трамвайных путей для совмещенного с автодорогой полотна .60
2.2 Конструкции трамвайных путей для обособленных линий 69
2.3 Экономические основы выбора конструкции трамвайного пути .80
2.4 Расчет чистого дисконтированного дохода конструкций трамвайного пути .99
Выводы по главе 103
3. Расчет конструкции трамвайного пути на прочность 104
3.1 Анализ возможных вариантов передачи нагрузки от трамвайной тележки на несущее бетонное основание при использовании подошвенных прирельсовых вкладышей 104
3.1.1 Определение прогиба рельса как балки на упругом основании 105
3.1.2 Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки 106
3.1.3 Анализ общего решения дифференциального уравнения изгиба балки на упругом основании 109
3.1.4 Прикладное значение дифференциального уравнения изогнутой оси балки .111
3.1.5 Анализ прогиба рельса в зависимости от различной осевой нагрузки и различной жесткости подошвенного вкладыша .117
3.1.6 Определение параметров подошвенного вкладыша, соответствующих различным вариантам передачи нагрузки от трамвая на несущее бетонное основание при использовании подошвенных вкладышей .129
3.1.7 Разработка методики для определения коэффициента постели подошвенного профиля 1 3.1.7.1 Вывод формулы для определения модуля упругости подошвенного профиля .135
3.1.7.2 Проведение лабораторных испытаний по определению механических характеристик подошвенного профиля 136
3.2 Расчет прочности несущей плиты трамвайного пути .154
3.2.1 Расчет несущей плиты трамвайного пути на прочность как конструкции дорожной одежды жесткого типа 154
3.2.2 Расчет несущей плиты трамвайного пути на прочность как плиты фундамента 167
3.2.3 Расчет несущей плиты трамвайного пути на прочность как мостовой конструкции 193
3.3 Экспериментальные исследования возникающих напряжений в железобетонном основании трамвайного пути 198
Выводы по главе .203
4. Рекомендации по строительству трамвайных путей и требования к основанию 205
4.1 Конструкции трамвайного пути для совмещенного с автодорогой полотна .205
4.2 Конструкции трамвайного пути для обособленного полотна 215
4.3 Конструкции трамвайного пути для выделенного полотна 218
4.4 Экономические показатели конструкций трамвайных путей .219 Выводы по главе 232
Основные выводы по работе 233
Библиографический список 235
Список иллюстративного материала .242
- Отечественный опыт строительства трамвайных путей
- Экономические основы выбора конструкции трамвайного пути
- Анализ общего решения дифференциального уравнения изгиба балки на упругом основании
- Конструкции трамвайного пути для обособленного полотна
Введение к работе
Актуальность темы диссертации и степень ее разработанности.
Почти до конца XX конструкция трамвайного пути в Российской федерации практически не изменилась: бетоном усиливалось шпальное основание, применялись железобетонные железнодорожные шпалы, усиливалось основание под асфальтобетонное покрытие и т.п.
Однако, вначале 2000-х годов в России, в частности в Санкт-
Петербурге, трамвай получил новое рождение: конструкции пути стали
совершенствоваться, одним из решений было – применение конструкций
трамвайных путей на монолитном железобетонном основании. В 2012г.
кафедрой «Промышленный и городской транспорт» Петербургского
государственного университета путей сообщения была разработана и
внедрена конструкция трамвайного пути на монолитном железобетонном
основании. Особенностью конструкции было применение в качестве
несущего основания монолитной железобетонной плиты с двуслойным
армированием. Анализ мировой практики показал, что при
совершенствовании конструкции трамвайных путей необходимо
использование современных изоляционных материалов, способствующих
снижению шума и вибрации, а также применение в качестве несущего
бетонного основания железобетона с одним слоем армирования и
фибробетона с полимерной фиброй. Однако, существующая методика
расчета конструкции трамвайного пути на прочность не позволяет
учитывать наличие изоляционных материалов, влияющих на схему
передачи нагрузки от трамвая на поверхность плиты, а также обосновать
возможность внедрения современных материалов в конструкцию
трамвайного пути.
Таким образом, в настоящее время существует объективная
необходимость в разработке теоретической базы и методов расчета,
которые будут учитывать особенности работы современных
безбалластных конструкций трамвайных путей с применением шумо- и виброизоляционных материалов.
Цель работы и задачи исследования:
Целью работы является обоснование современных конструкций трамвайных путей по технико-экономическим и прочностным параметрам. Для достижения поставленной цели в процессе выполнения данной работы необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать существующие конструкций трамвайных путей и обосновать перспективное направление их развития.
-
Разработать методику технико-экономического обоснования конструкций трамвайных путей.
-
Разработать методику прочностных расчетов трамвайных путей.
4. Выполнить технико-экономические и прочностные расчеты
конструкций трамвайных путей и обосновать сферы их применения в зависимости от условий эксплуатации.
Объект исследования.
Объектом исследования являются конструкции трамвайных путей на шпальном и монолитном основании.
Предмет исследования.
Предметом исследования являются методикитехнико-
экономического обоснования и прочностного расчета конструкций
трамвайных путей на безбалластном основании.
Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:
-
Разработана методика технико-экономического обоснования конструкций трамвайных путей, учитывающая особенности их эксплуатации, строительства и ремонта.
-
Впервые научно обоснованы схемы передачи нагрузки от трамвайной тележки на поверхность несущей плиты трамвайного пути в зависимости от коэффициента постели подошвенного профиля.
-
Разработана методика экспериментального определения коэффициента постели подошвенного профиля трамвайного пути.
-
Обоснована методика расчета на прочность несущей плиты безбалластной конструкции трамвайного пути.
-
Доказана перспективность использования новых конструкций трамвайных путей на бесшпальном основании.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем:
-
Получены аналитические зависимости прогиба рельса на прирельсовом профиле в зависимости от коэффициента постели подошвенного профиля, а также осевой нагрузки трамвая. На основе полученных зависимостей определены возможные схемы передачи нагрузки от подвижного состава на поверхность несущей плиты трамвайного пути.
-
Получена зависимость необходимой прочности несущей плиты трамвайного пути от осевой нагрузки трамвая и прочности подплитного основания.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
-
Разработаны и внедрены новые конструкции трамвайных путей на монолитном основании.
-
Обоснованы технические требования к подплитному основанию безбалластной конструкции трамвайного пути в зависимости от её конструкции и осевой нагрузки трамвая.
-
Разработанные методики технико-экономического обоснования и прочностного расчета конструкций трамвайных путей
могут быть использованы проектными организациями при разработке проектов строительства и ремонта.
4. Получены патенты на изобретение: № 2493313
зарегистрирован 20.09.2013г. трамвайный путь на бетонном основании и № 2497996 зарегистрирован 10.11.2013г. способ изготовления системы верхнего строения пути.
Методология и методы исследования.
Для решения поставленных задач были выполнены теоретические
исследования и натурные эксперименты. Лабораторные исследования
выполнялись в Механической лаборатории им. проф. Н.А. Белелюбского
ФГБОУ ВПО ПГУПС, а натурные эксперименты на участке укладки
конструкции трамвайного пути на монолитном основании и скреплением
типа Vossloh. При разработке методик технико-экономического
обоснования и прочностного расчёта несущей плиты конструкций
трамвайных путей на безбалластном основании использовались
результаты исследований отечественных и зарубежных ученых в области экономики городского рельсового транспорта, прочностных расчетов плит и оболочек, проектирования фундаментных плит и автодорожных конструкций, а также иностранный опыт эксплуатации трамвайных путей на безбалластном основании.
Научные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся:
-
Методика технико-экономического обоснования конструкций трамвайных путей.
-
Схемы передачи нагрузки от трамвайной тележки на поверхность несущей плиты трамвайного пути в зависимости от коэффициента постели подошвенного профиля, а также методика экспериментального определения коэффициента постели подошвенного профиля.
3. Методика расчета несущей плиты трамвайного пути на
прочность.
Степень достоверности научных положений.
Достоверность полученных результатов работы подтверждается хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных. Разница опытных и расчетных данных не превышает 16%.
Апробация работы:
Основные положения и результаты работы были доложены на следующих конференциях.
1. LXXII Всероссийской научно-технической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых. 12-27 апреля, Санкт-Петербург: Транспорт: проблемы, идеи, перспективы, СПб.: ПГУПС, 2012г.
-
Международной научно-практической конференции: Актуальные проблемы развития науки и образования, Москва, 30 апреля 2013г.
-
Международном научно-практическом семинаре в рамках европейского образовательного проекта «TEMPUSEcoBRU». СПб.:ПГУПС, 28 июня – 4 июля 2014г.
-
IV Международной научно-практической конференции: Техносферная и экологическая безопасность на транспорте, СПб.: ПГУПС, 22-24 октября 2014г.
-
Форуме пассажирского транспорта в Санкт-Петербурге. 27-29 мая 2015г.: Разработка программ импортозамещения в транспортной отрасли, СПб, 2015г.
-
LXXV Юбилейной всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 13-17 апреля Санкт-Петербург: Транспорт: проблемы, идеи, перспективы, СПб.: ПГУПС, 2015г.
Реализация исследований.
-
Результаты исследований применены при обосновании конструкций трамвайных путей на участках ремонта трамвайных линий в г. Санкт-Петербург. Разработанные конструкции трамвайных путей уложены на Вяземском пер., 1-ой Красноармейской ул., Звенигородской ул. и других адресах г. Санкт-Петербурга.
-
Разработан и утвержден альбом типовых конструкций трамвайных путей для Санкт-Петербурга (протокол заседания научно-технического совета Комитета по транспорту Правительства Санкт-Петербурга от 09 апреля 2014г.)
Публикации:
Основные положения диссертации изложены в 7 статьях, 5 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий Российской Федерации, имеются 2 патента на изобретения и 1 патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации.
Отечественный опыт строительства трамвайных путей
На трамвайных путях РФ применяются три типа рельсов: трамвайные желобчатые рельсы типов Тв-58, Тв-60, Тв-62, Тв-65, Ri-60, Ri-62; железнодорожные Р50 и Р65; бесшеечные рельсы[1, 39, 43].
При устройстве путей на обособленном полотне применяются железнодорожные рельсы.
В конструкциях трамвайного пути, расположенного в одном уровне с проезжей частью, используются трамвайные рельсы желобчатого профиля, обеспечивающие свободный проход реборды бандажа вагона без разрушения дорожной одежды. На совмещенном полотне иногда применяться бесшеечные или железнодорожные рельсы, в этом случае для повышения устойчивости колеса на рельсе желоб устраивается креплением различных отбойных приспособлений к железобетонной плите.
Стыковые скрепления на трамвайных путях сварные. Эксплуатационные наблюдения показывают, что большое количество стыковых соединений находится в критическом состоянии. Многие сварные стыки лопнули, в стыках на накладках ослаблено натяжение болтов, рельсы в соединениях имеют значительное смятие и износ.
Рельсы к шпалам крепятся костылями или шурупами с применением клинчатых подкладок, а также с использованием современных клемно - болтовых креплений. При креплении рельса к бетонному основанию применяются различные европейские конструкции (голландская, немецкая, чешская). Суть большинства этих конструкций состоит в том, что рельс крепится к железобетонному основанию при помощи анкерных болтов, которые замоноличиваются в высверленные в плите углубления на специальном клеевом составе. При этом за счет применения специальных вкладышей и эластичных битумных мастик, должна исключаться передача колебаний рельса дорожному покрытию и предотвращаться его разрушение[43].
Во многих конструкциях применяются поперечные рельсовые стяжки для большей устойчивости ширины колеи. Основания трамвайных путей В Санкт-Петербурге, как в городе с передовыми технологиями строительства трамвайных путей, применяются два основных типа оснований трамвайных путей, это шпальные основания и бесшпальные основания[1, 2, 13, 25, 26].
В шпальных основаниях используются деревянные или железобетонные шпалы. Применяется песчаный или щебеночный балласт. В некоторых конструкциях в балластный слой укладывается промежуточная бетонная плита. В последние годы стал использоваться геотекстиль.
В бесшпальных основаниях рельс опирается на железобетонную плиту, которая может быть монолитной или сборной[13, 25, 26]. Покрытия в трамвайных путях В настоящее время покрытия трамвайных путей широко используются в различных конструкциях. Даже при выполнении ремонтов путей расположенных на обособленном полотне производится мощение на ряде участков. Это позволяет предохранить балласт от загрязнения и прорастания травы.
В качестве покрытий трамвайных путей в основном, применяются: брусчатка, плитка бетонная, асфальтобетон мелкозернистый, асфальтобетон литой, асфальтовые кирпичи, железобетонные плиты покрытий различных разработок, резиновые плиты, комбинированные резино-бетонные плиты. Сохранились переезды, покрытые металлическими плитами[41, 44]. 1.2 Отечественный опыт строительства трамвайных путей В Российской федерации эксплуатируется большое количество разнообразных конструкций трамвайных путей. Сохранились старые конструкции близкие по своим параметрам к железнодорожному пути. При ремонте и модернизации применяются новые усиленные. Применен ряд новых для России конструкций, которые хорошо зарекомендовали себя в различных странах Европы.
Традиционная (отечественная) конструкция трамвайного пути на шпальном основании (рисунок 1.1). . Шпальные основания (деревянные и железобетонные шпалы), применяемые как на обособленном, так и на совмещенном полотне получили наибольшее распространение на трамвайных путях, так как наиболее просты в устройстве, доступны для ремонта и содержания, а также надежны в работе[39].
Выбор типа рельсов для конкретных эксплуатационных условий производится в соответствии с требованиями [76]. На совмещенном полотне, как правило, используются желобчатые рельсы типов: Тв-58, Тв-60, Тв-62 и Тв-65. Наиболее распространенным типом промежуточных скреплений для трамвая на деревянных шпалах является нераздельное скрепление на двухребордчатых подкладках не менее чем на трех костылях. На железобетонных шпалах железнодорожного типа применялось раздельное клеммно-болтовое скрепление ЖБ. Вместо металлических в этом варианте используются резиновые подкладки, которые крепятся к шпале двумя закладными болтами с пружинными клеммами. Как правило, производится сварка стыков. Рельсы на деревянных шпалах для повышения стабильности колеи соединяются круглыми тягами. Для закрепления пути от угона применяются специальные детали, которые устанавливаются на подошву рельса и, упираясь в шпалу, передают на нее усилия угона. Эти детали называют противоугонами. Известны два вида противоугонов: пружинные и клиновидные. Для путей, уложенных на железобетонных шпалах, не предусматривается установка противоугонов и не обязательна установка тяг [76].
В качестве материалов для балластировки трамвайных путей применяется щебень, гравий, ракушечник, крупнозернистый песок, гравийно-песчаная смесь, металлургические и топливные шлаки, отходы асбестового производства.
Основными размерами, характеризующими балластную призму, являются ее ширина поверху и мощность (толщина) слоя. Ширину призмы поверху можно определить как сумму ширины междупутья, длины междупутья и удвоенной величины плеча (расстояние от торца шпалы до верхней бровки призмы). Размеры плеча в разных конструкциях различны[76].
Экономические основы выбора конструкции трамвайного пути
Расчет приведенных затрат для рассматриваемых типов конструкций проводится по формуле 2.1 и приведен в приложении А.
Кроме этого, для наглядного представления оптимального варианта необходимо рассчитать жизненный цикл конструкции, т. е. суммарные затраты по каждой конструкции за максимальный срок службы (50 лет). Для 1 - 9 типов конструкций обособленного полотна и 1-7 типов конструкций совмещенного полотна применяем формулу: СС = СП + Ет,с. хТ + (Цр- К6) (6) Для 10-й и 11-й конструкций обособленного полотна применяем формулу: Сс = Сп + Ет.с. хТ + Сп + Ет.с. х Т + Сп + Ет.с. (50 Т) (7) Расчет суммарных затрат на эксплуатацию конструкций трамвайных путей представлен в приложении Б.
Для построения жизненного цикла конструкций 1-9 обособленного полотна и 1-7 совмещенного достаточно четыре точки, а для конструкции 10, 11 обособленного полотна и № 8 совмещенного с автодорогой полотна необходимо шесть точек. Согласно анализа эксплуатации конструкций на безбалластном основании срок службы трамвайного пути без капитального ремонта составляет 50 лет, однако при этом через 25 лет эксплуатации проводится сплошная замена рельсов. Данные сроки (точки) отображены на графиках построения жизненного цикла конструкций. Характерными точками для шпальных конструкций являются 0, 18, 36 ,50 лет, где 0, 18, 36 - сроки проведения капитального ремонта трамвайных путей, вследствие износа конструкции. В данных точках на графиках наблюдается скачек, на величину стоимости капитального ремонта за вычетом стоимости возвратных материалов. В обоих случаях (балластные и безбалластные конструкции) линия имеет наклонный характер, так как каждый год эксплуатации предусматривает затраты на текущее содержание: чем выше затраты на текущее содержание, тем круче наклон линии жизненного цикла. Вычисления для построения графиков жизненного цикла конструкций для обособленного и совмещенного полотна приведены в приложении В.
Для сравнения экономических показателей построен график жизненного цикла (рисунки 2.20 – 2.21) конструкций трамвайных путей для обособленного и совмещенного с автодорогой полотна. На графиках отобразим экономические показатели конструкций на монолитном основании с наибольшей стоимостью ремонта и конструкции на шпальном основании с наименьшей стоимостью строительства (конструкции № 1 и № 11). Аналогично поступим и для обособленного полотна, анализу будут подлежать конструкции № 1 и №8).
Чистый дисконтированный доход (Net Present Value, NPV) - это текущая стоимость денежных потоков инвестиционного проекта, с учетом ставки дисконтирования, за вычетом инвестиций. Идея метода оценки экономической эффективности состоит в сравнении текущей стоимости будущих поступлений от реализации проекта с инвестиционными вложениями в проект.
Процедура определения ЧДД состоит в следующем: 1. Определяется текущая стоимость затрат для реализации проекта -размер инвестиций (Investment) 2. Определяется текущая стоимость будущих денежных поступлений от реализации проекта посредством расчета денежных потоков (Cash Flow) 3. Определяется текущая стоимость каждой суммы будущих денежных поступлений от реализации проекта, исходя из ставки дисконтирования периода возникновения доходов. Запишем формулу для определения чдд (npv):
Аналогично рассчитывается чдд для каждой конструкции в трех вариантах. В пессимистическом варианте ставка дисконтирования составляет 15 %, затраты на текущее содержание пути на бетонном основании 0,225 млн, на рельсошпальном основании 0,749 млн годовая прибыль от эксплуатации км пути 90 млн руб, в среднем – 11,5%, 0,15 и 0,5 млн руб, 108 млн руб, в оптимистическом – 10%, 0,015 и 0,05 млн руб, 126 млн руб. Поделим чдд на рассчитываемый срок службы конструкции трамвайного пути 25 лет и сведем получившиеся значения в таблицу 2.3.
Анализ общего решения дифференциального уравнения изгиба балки на упругом основании
Определив возможные варианты передачи нагрузки от трамвая на несущее бетонное основание получены конкретные значения коэффициентов постели подошвенного профиля. Для того чтобы подтвердить справедливость данных суждений необходимо определить является ли зависимость деформаций подошвенного вкладыша от прикладываемой нагрузки в исследуемом интервале деформаций линейной, справедливо ли описывать данное нагружение законом Гука[6] в линейной форме и путем лабораторных исследований получить способ испытаний подошвенного профиля по определению его коэффициента постели, создавая условия работы подошвенного профиля, аналогичные реальным.
Модуль Юнга или модуль упругости первого рода Е характеризует сопротивляемость материала деформированию в направлении воздействия растягивающих или сжимающих нагрузок[9]. Чем больше модуль Юнга, тем меньше удлинение или укорочение стержня при прочих равных условиях (длине, площади, нагрузке). Модуль Юнга является коэффициентом пропорциональности между нормальным напряжением о и относительной линейной деформацией є в законе Гука, записанном в дифференциальной форме[67]: а = Е-Е. (3.21) На основе этой формулы находят опытным путём значение модуля упругости Где о - нормальное напряжение в деформируемом элементе (МПа), є - относительная продольная деформация, определяемая методом тензометрирования. о = F/A (3.23) Формула (3.23) для напряжения при растяжении, подтверждённая теорией упругости (эталоном точности для сопротивления материалов) и опытными данными; F - сила, растягивающая(сжимающая) образец и определяемая по силоизмерительному устройству; А - площадь поперечного сечения, определяемая путём измерения размеров; На основании закона Гука (3.21) абсолютная продольная деформация бруса М прямо пропорциональна внутренней продольной силе N , вызвавшей эту деформацию[69]: М = — (3.24) ЕА Задав величину осевой нагрузки F , измерив вызванную ею продольную деформацию Д/ и зная размеры испытуемого образца, вычисляют модуль продольной упругости по формуле (3.25), полученной из (3.21)
Проведение лабораторных испытаний по определению механических характеристик подошвенного профиля.
Для определения модуля упругости подошвенного вкладыша необходимо провести ряд опытов: был изготовлен ряд образцов размерами 40х40 37 мм (рисунок 3.15) и подвержен статическому сжатию [16,51] для получения характеристики Л/(мм)от F (н).
Испытания проводились на универсальной испытательной машине AG-50KNX (серия SHIMADZU Autograph AG-X) с увеличенным ходом траверсы. Данная машина предназначена для контроля качества любых материалов (металлов, керамики, каучука, продуктов питания, фармацевтических препаратов и пленки), а также для исследования и разработки новых материалов при растяжении, сжатии, изгибе и отслаивании при комнатной температуре.
Одной из задач по исследованию свойств прирельсовых трамвайных профилей является определение механических показателей, соответствие требованиям которых прирельсовый профиль, как элемент конструкции трамвайного пути, будет обеспечивать максимальный комфорт движения пассажиров, а также максимально гасить шум и вибрацию от подвижного состава. Так как нормативная база в данном направлении находится в стадии разработки, то на первом этапе примем исследуемый участок деформации подошвенного профиля от 0 мм до 6,4 мм. Данный участок деформации подошвенного вкладыша является линейным (рисунок 3.16) что позволяет определять модуль упругости данного материала согласно закона Гука для линейно деформируемого материала:
При проведении данных опытов, после получения значительных поперечных деформаций наблюдается расширение образца в продольном направлении (рисунок 3.18), что не учитывается законом Гука для линейно деформируемого материала, а, следовательно, логично предположить, что переход от модуля упругости (МПа) к объемному модулю упругости к (МПа/м) позволит с наибольшей вероятностью определить поведение подошвенного вкладыша под действием сжимающей нагрузки.
Коэффициент Пуассона показывает соотношение между продольными и поперечными деформациями материала, но так как в конструкции трамвайного пути деформации подошвенного профиля ограничиваются конструктивным бетоном, соответственно необходимо рассмотреть работу подошвенного профиля под нагрузкой как элемента конструкции, создав условия, аналогичные реальным, после чего определив зависимости Л/(мм)от F (н) посчитать объемный модуль упругости к (МПа/м).
Конструкции трамвайного пути для обособленного полотна
При строительстве трамвайных путей на совмещенном с автодорогой полотне необходимо обеспечить безопасное движение автомобильного транспорта по трамвайным путям. До конца XX века покрытие трамвайных путей осуществлялось уплотняемым асфальтобетоном. С началом применения конструкций на железобетонном основании в практику вошло применение в качестве покрытия литого асфальтобетона, имеющего улучшенные по сравнению с обычным асфальтом прочностные характеристики, что непосредственно сказывается на межремонтном сроке.
Исследуемая ранее конструкция имела толщину несущего железобетонного основания 200мм, адаптируя ее для совмещенного с автодорогой полотна конструкция будет иметь следующее строение (сверху вниз, рисунок 4.1).
Особенностью конструкции является применение опорных блоков БС-1, на которые производится раскладка и дальнейшее закрепление рельсов. Данные устройства могут быть заменены на путевые порталы (рисунок 4.2).
Расчет на прочность данной конструкции проводится по изученной ранее методике: определение коэффициента постели основания С1, определение возникающих усилий от расчетной нагрузки, сравнение возникающих усилий с допускаемыми. При задании расчетной схемы в программе «Лира» [35,36,55], модель выглядит следующим образом (рисунок 4.3).
Модель несущего железобетонного основания трамвайного пути в программе «Лира». Как видно из представленного рисунка, программа позволяет учесть в расчетах изменение поперечного сечения элемента [30,31, 33], что также влияет на несущую способность. Расчетный срок службы рассматриваемой конструкции составляет 50 лет. Рельс покрывается подошвенным и боковыми профилями для обеспечения шумо- и вибропоглощения. Данная конструкция является универсальной: строительство возможно на основании с модулем упругости всего 8 МПа, что особенно актуально для г. Санкт-Петербург. Особенностью расчета на прочность также является расчетная нагрузка равная 12 т/ось. Данная осевая нагрузка принята с учетом перспективного роста нагрузок по мере совершенствования подвижного состава.
Конструкцию можно модернизировать [32] посредством снижения количества армирования (рисунок 4.4): устройство одного арматурного слоя (d = 12мм с шагом 200 мм). В данном случае прочность основания должна составлять 12 МПа и запас по прочности составляет 25%.
Конструкция трамвайного пути на монолитном железобетонном основании с одним слоем армирования.
Интересным решением является применение в качестве несущего основания фибробетона с полимерной фиброй. Запроектированная конструкция отличается от предыдущих только заменой железобетона на фибробетон. Определение несущей способности проводится также методом конечных элементов при помощи расчетной программы «Лира», после задания исходных параметров (коэффициент постели С1 равен 50 000кН/м3, осевая нагрузка 12 т/ось) мозаика изгибающих моментов выглядит следующим образом (рисунок 4.5 – 4.6).
Проблема обоснования такой конструкции заключается в том, что методики по расчету несущей способности элементов из фибробетона с полимерной фиброй в отечественной нормативной базе нет. Отдельные предприятия разрабатывают свои ТУ, в которых отображают результаты. Поэтому исследований по изучению влияния конкретной фибры на свойства бетона, для того чтобы обосновать возможность применения данной конструкции на первом этапе необходимо рассчитать по формуле 4.1 теории пластин и оболочек возникающие в плите напряжения.
На втором этапе, необходимо провести исследования по изучению прочностных свойств рассматриваемого материала[11,28]. В процессе работы над диссертацией проведены лабораторные испытаний по изучению влияния различной полимерной фибры на прочностные параметры бетона. Интересными являются результаты испытаний проведенных ООО «Си-Айрлайд» в которых прочность на растяжение при изгибе составляет от 4,5 до 5,0 МПа в зависимости от концентрации фибры (таблица 5.2). Результаты испытаний образцов из бетона В40 с фиброй ВСМ-Бетон расходом 0,9 кг/м3 (рисунок 4.7). Из шести образцов, испытания которых приведены на рисунке у наиболее прочных разрушение происходит при напряжении порядка 45 кг/см2 что равняется 4,4 МПа, у наименее прочных при 20 кг/см2 что равняется 1,96 МПа. Следует обратить внимание, при появлении трещины и ее дальнейшем раскрытии несущая способность не только не уменьшается, но и возрастает. Таким образом, при использовании данной фибры в составе
При этом эквивалентный модуль упругости подплитного основания должен быть не менее 12 МПа или коэффициент постели не менее 50 МПа/м для расчетной осевой нагрузки 12т/ось (118 кН/ось).
Таким образом, при строительстве трамвайных путей на совмещенном с автодорогой полотне рекомендовано три конструкции: на монолитном железобетонном основании с двумя слоями армирования, на монолитном железобетонном основании с одним слоем армирования, на монолитном основании из фибробетона с полимерной фиброй. Строительство трамвайных путей с применением традиционного армирования не требует дополнительных исследований, в то время при использовании в качестве несущего основания фибробетона с полимерной фиброй невозможно без предварительного лабораторного исследования по изучению свойств материала. Для осевой нагрузки 12 т/ось (118 кН/ось)) прочность фибробетона на растяжение при изгибе должна быть не менее