Введение к работе
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 «Альпика-
Сервис». 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
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», де йствовавшие 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 напряженно-
деформированного 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.
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 напряженно-деформированного 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;
- 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;
- 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.