Научная статья на тему 'Нагрузки, принимаемые при проектировании железнодорожных мостов'

Нагрузки, принимаемые при проектировании железнодорожных мостов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
7937
2471
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ МОСТ / ПОЕЗДНАЯ НАГРУЗКА / НОРМАТИВНАЯ НАГРУЗКА

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Рупасова И.В., Кондратов В.В.

Приведены исторические сведения об изменениях нормативных нагрузок при проектировании железнодорожных мостов в России и за рубежом. Внесены предложения по выбору оптимальной нормативной нагрузки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Рупасова И.В., Кондратов В.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Loads Proposed for Designing Railway Bridges

The authors present the information on the history of changing the standard loads for designing railway bridges both in the Russian Federation and abroad and give the proposals for the choice of the standard load for designing railway bridges.

Текст научной работы на тему «Нагрузки, принимаемые при проектировании железнодорожных мостов»

Техника и технологии

117

УДК 624.82./85(075.8)

И. В. Рупасова

НИИ мостов

В. В. Кондратов

ООО «Мостовые сооружения и путь»

НАГРУЗКИ, ПРИНИМАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

Приведены исторические сведения об изменениях нормативных нагрузок при проектировании железнодорожных мостов в России и за рубежом. Внесены предложения по выбору оптимальной нормативной нагрузки.

железнодорожный мост, поездная нагрузка, нормативная нагрузка.

Введение

В Российской Федерации новые железнодорожные мосты проектируются под нагрузку С14. Указанная нагрузка была разработана более 50 лет назад с учетом тенденций изменения параметров подвижного железнодорожного состава в первой половине XX в. и планов развития промышленности и транспорта СССР в 1960-2000 гг. Прошедшие годы показали ошибочность прогнозов развития железнодорожного подвижного состава. Темпы роста осевых и погонных нагрузок от подвижного состава существенно снизились. При этом наиболее тяжелые нагрузки обращаются, как правило, по определенным замкнутым маршрутам. Вследствие этого целесообразно изменить нормативную нагрузку при проектировании железнодорожных мостов, поставив её величину в зависимость от категории железнодорожной линии.

1 Из истории нормативных нагрузок, принимаемых при проектировании железнодорожных мостов

Железнодорожный транспорт в нашей стране стал развиваться во второй половине

XIX в. При проектировании мостов расчетные схемы нормативных нагрузок с 1875 г. и по настоящее время изменялись девять раз: в 1875, 1884, 1896, 1907, 1921, 1923, 1925, 1931 и 1962 гг. До 1921 г. нормы предусматривали единую для всех железных дорог нормативную схему нагрузки, которая представляла собой реальный поезд, оказывающий максимальное воздействие на мосты. Такая нагрузка не учитывала перспективу развития подвижного состава. Расчетные нормы, введенные после 1907 г, отличались, во-первых, тем, что в них вместо одной расчетной схемы нормативной нагрузки предусматривался ряд различных схем в зависимости от категории дороги, на которой должен был располагаться проектируемый мост; во-вторых, тем, что все они вплоть до 1962 г. предназначались как для проектирования новых, так и для усиления эксплуатируемых мостов.

Нормами 1925 г. нормальная нагрузка Н признавалась основной для расчета мостов всех магистральных линий. Такая нагрузка требовала значительных вложений металла в главные фермы пролетных строений, а проезжая часть оставалась сравнительно легкой и лимитировала грузоподъемность мостов, определяемую прямым расчетом. В 1931 г. введена нормативная нагрузка НК, в основу которой положена объемлющая кривая, соответствующая неблагоприятно-

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/4

118

Техника и технологии

му воздействию на мосты обращавшихся в то время отечественных и американских тяжелых паровозов (табл. 1).

Нагрузка НК состояла из двух 5-осных паровозов с давлением от оси на рельсы 3,5К тс, 4-осных тендеров с давлением от оси на рельсы 3,0К тс и вагонной нагрузки интенсивностью 1,0К тс/м. Нормами предусматривалось принимать класс нагрузки К = 8 для расчета мостов, находящихся на участках с интенсивными перевозками или тяжелым профилем пути (где требовалось обращение тяжелых паровозов). Для основной массы мостов магистральных линий нормами 1931 г: регламентировалось принимать К = 7, а для второстепенных линий - К = 6. Наибольшей расчетной нагрузкой в виде исключения была предусмотрена нагрузка Н10 для железнодорожных линий специального назначения, на которых предполагалось обращение вагонов с нагрузкой в 10,0-12,0 тс на погонный метр пути. Прогрессивность нормативной вертикальной нагрузки НК заключалась в том, что ее расчетная схема, представляющая традиционную структуру нагрузки в виде системы сосредоточенных грузов, являлась в то же время условной, учитывающей воздействие не только обращающегося, но и перспективного подвижного состава. К недостаткам схемы НК можно отнести то, что все расстояния между осями этой нормативной нагрузки имеют фиксированную величину, соответствующую расстоянию между осями колесных пар паровоза и равную 1,6 м. Обращающиеся сейчас на наших железных дорогах поездные нагрузки имеют расстояния между осями различной величины - от 1,1 м до 3,2 м. Воздействие на мосты экипажей, расстояния между осями которых варьируются в таком широком диапазоне, приводит при малых длинах загру-жения линий влияния к существенным различиям в значениях эквивалентных нагрузок и их классов. Кроме того, нагрузка НК не учитывает воздействие транспортеров, так как они появились позже и их количество в настоящее время достаточно велико.

В нормах 1962 г. нормативная нагрузка для проектирования новых мостов задана

уже не схемой, а эмпирической формулой. Нагрузка СК представляет объемлющую равномерно распределенных эквивалентных нагрузок от групп сосредоточенных грузов с максимальным значением 2,5К тс и равномерной нагрузки интенсивностью 1,0К тс/м пути. Нагрузка учитывает воздействие на мосты обращающегося и перспективного подвижного состава, в том числе вагонов-транспортеров. В этом состоит решающее ее преимущество по сравнению с нормативными нагрузками прежних норм. В то же время для нагрузки СК характерна одинаковая погонная нагрузка от локомотивов и вагонов, что в настоящее время не соответствует действительности.

В странах Западной Европы в конце XIX и в начале ХХ в. нормативная нагрузка для расчета мостов состояла из ряда сосредоточенных грузов, расположенных аналогично осям паровоза. С развитием подвижного состава, появлением электровозов, тепловозов, вагонов большой грузоподъемности и транспортеров схемы нормативных нагрузок менялись. Они были, как правило, условными и состояли из сосредоточенных грузов и участков распределенной нагрузки, одинаковой или разной интенсивности, различным образом расположенных относительно группы сосредоточенных грузов. В некоторых схемах сосредоточенные грузы отсутствовали.

В США до настоящего времени используется схема Купера, состоящая из 5-осного паровоза, 4-осного тендера и равномерно распределенной вагонной нагрузки. Давление от оси на рельсы в этой схеме принято пропорционально некоторому постоянному коэффициенту К. В 1922 г. в США проектировали мосты под нагрузку Е 10, в 1935 г. - Е 72, а в настоящее время проектируют новые мосты под нагрузку Е 80. Кроме США, нагрузку Купера используют при проектировании мостов в Мексике, Австралии. Аналогичные схемы вертикальных нормативных нагрузок подвижного состава, состоящие из сосредоточенных грузов и равномерно распределенной вагонной нагрузки, применялись в Бельгии, Франции,

2012/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Техника и технологии

119

ТАБЛИЦА 1. Схемы отечественных нормативных нагрузок для проектирования

железнодорожных мостов

Нормы

поректи-

рования

Схема нормативного поезда

Состав нормативного поезда

1875

3x120 3x80 О 00 о 00

О О <N in Г\ о <N in О 1П VO ! m \ О <N in О <N in о о <N <N in in Qp о ’■t o 1 - \t

кН

® мм

3 паровоза (по 60 т)

+ 2-осные вагоны с погонной нагрузкой 26,32 кН/м

1884

4x125

3x106,6

81,9 81,9 кН

О r- m О <N m О <N m О <N m О <N ’-t О 00 VO о 00 VO О m 00 о VO VO 0£61

[12 i~\ ! * \ Г\ LLL t m' Li

1896

4x150

3 x 125

100 100 кН

мм

О О Г- 1300 1300 1300 1500 О О VO о о VO 0061 0081 О О 00 0061

! > 1 \ Г \ f ‘ \ /L L_iiJ 1 m \ Li

1907

5x 200

4x140

2x120 2x120 кН

О О in О о in О о in 0051 4000 1500 1500 О О in 0001 0051 о о in 000£ 1500

v \ r > ! \ i \ f \ / \ / \ / \ ! \ f \ 1 \r

мм

о

1925

Схема

«Н»

6x250 4x250

о о in о о in Г\ о о in Г\ о о in Г\ о о in о о 1П о о о о о 1П Г\ о о 1П Гу

80 кН/м

кН

мм

1925

Схема

«О»

5x140 4x160

о о 1П о о 1П Г\ о о 1П Г\ о о 1П Г\ о о 1П Г\ о о 1П о о 1П Г\ о о 1П Г\ "1500 <

кН

80 кН/м

1931

НК

35К

30К

35К

30К

кН

' Г\ Г\ Г\ Г\ Г\ Г\ Г\ Г\ Г\Г\ Г\ Г\ Г\ л Г\ Г\Г\Г

10 кН/м

1962

(СН-200-

62)

Для 1,5 < X < 50 м и 0 < а < 0,5, для а = 0,0 и X > 50

“ >(■ -а

I 10 79 43 15

k = [ 10 + ^г + -

0.04Х

Локомотив + вагоны с погонной нагрузкой 140 кН/м

мм

мм

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Италии, Югославии, Мозамбике, Норвегии, Польше, Швейцарии.

Нормы на временную нормативную вертикальную нагрузку от подвижного состава Венгрии, Австрии, Китая предусматривают схемы, состоящие из пяти сосредоточенных

грузов и двух участков равномерно распределенной нагрузки различной интенсивности, расположенных с одной стороны. Такая схема задания нагрузки является достаточно гибкой, так как позволяет учитывать воздействие локомотивов, транспортеров и

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/4

120

Техника и технологии

вагонов. Неудобство ее состоит в том, что она несимметрична, усложняет расчеты при определении эквивалентных нагрузок и классов (приходится дважды прокатывать поезд по линии влияния). В некоторых странах применяют не одну, а несколько схем нагрузки, которые выбирают при проектировании в зависимости от категории железной дороги. К ним относятся Великобритания, Польша, Венгрия, Швеция, Португалия.

В 1967 г. Международный союз железных дорог (МСЖД, или UIC) для стран Западной Европы предложил схему нагрузки для расчета мостов - UIC-67. Схема была составлена из расчета, что осевые нагрузки локомотивов в ближайшую перспективу не превысят 23,0-24,0 тс, а распределенные нагрузки - 8,0-10,0 тс/м. Применение схемы UIC-67 во многих случаях оказалось слишком сложным. Основываясь на результатах работы со схемой нагрузки UIC-67, подкомиссия UIC «Мосты» разработала схему нагрузки UIC-71, единую для всех стран Западной Европы. К моменту создания нормативной нагрузки UIC-71 в странах Западной Европы действовало 16 различных схем временной нагрузки. Новые схемы нагрузки в рамках международных объединений разрабатывались на основе унификации и упрощения норм разных стран. Общая схема и величина нагрузки UIC-71 была установлена с учетом характеристик подвижного состава, принятых на перспективу. В странах Западной Европы, входящих в МСЖД, особенности подвижного состава и дорог учитываются вводом соответствующих коэффициентов к нагрузке UIC-71 и динамическим коэффициентом. Неудобством при использовании схемы UIC-71 является то, что она не учитывает воздействия транспортеров, поэтому при проектировании требуется применять дополнительные схемы нормативных нагрузок.

Анализ нормативных отечественных и зарубежных нагрузок показал, что все схемы можно свести к шести основным видам:

1. Схема, состоящая из группы сосредоточенных грузов. Характерна для отечественных и зарубежных нормативных

нагрузок ранних норм проектирования. Недостатком такой схемы является фиксированное значение расстояний между осями нагрузки, которые не могут охватить все возможные варианты этого параметра у обращающихся в настоящее время и перспективных поездных нагрузок.

2. Схема, состоящая из группы сосредоточенных грузов и одного участка равномерно распределенной нагрузки, расположенной с одной стороны относительно сосредоточенных грузов. Применялась в нашей стране для проектирования новых и усиления эксплуатируемых мостов в нормах 1921 г. и последующих вплоть до 1931 г. Такая схема была оправдана для периода времени, когда на дорогах обращался однотипный подвижной состав. Наличия в схеме одного участка распределенной нагрузки постоянной интенсивности явно недостаточно для учета воздействия на пролетные строения современного подвижного состава с большим разбросом погонных нагрузок и расстояний между осями.

3. Схема, заданная в виде эмпирической формулы. Применяется в нашей стране до настоящего времени (С14). Формула представляет собой функцию, описывающую огибающую максимального воздействия перспективного подвижного состава, в том числе паровозов. Неудобством такой формы задания нормативной нагрузки для проектирования мостов является отсутствие схемы. Функция имеет дискретный характер и при расчете проектировщики испытывают большие неудобства при загружении двухзначных линий влияния, при расчете на тормозную нагрузку.

4. Схема, состоящая из двух-трех симметрично расположенных участков распределенной нагрузки различной интенсивности. Нашла применение в Швейцарии. Недостатком этой нагрузки является отсутствие сосредоточенных грузов, учет которых необходим при расчете элементов пролетных строений, имеющих малую длину загруже-ния линий влияния (до 4 м).

5. Схема, состоящая из нескольких сосредоточенных грузов и симметрично рас-

2012/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Техника и технологии

121

положенных относительно них участков распределенной нагрузки одинаковой интенсивности. Используется в странах, входящих в Международный союз железных дорог (UIC-71). При этом в различных странах применяют свое значение осевой нагрузки (сосредоточенного груза Р) и равномерно распределенной нагрузки к в зависимости от обращающихся локомотивов (сосредоточенный груз) и вагонов (интенсивность распределенной нагрузки). Транспортеры учитываются дополнительными схемами. Недостатком такого подхода является то, что при его использовании необходим дополнительный учет воздействия транспортеров.

6. Схема, состоящая из группы сосредоточенных грузов и двух участков равномерно распределенной нагрузки различной интенсивности, расположенных с одной стороны от сосредоточенных грузов. Применялась в Германии и в настоящее время используется в Китае. Недостатком схемы является то, что она несимметрична, в ней присутствует избыточное количество сосредоточенных грузов (для учета воздействия на мосты локомотивов в схеме нагрузки достаточно иметь один или два сосредоточенных груза).

Таким образом, как отечественные, так и зарубежные схемы задания нормативной нагрузки от подвижного состава имеют осо-

бенности, характерные для обращающегося в этих странах подвижного состава на данный период времени. По нашему мнению, наиболее рациональной формой задания нормативной нагрузки для проектирования мостов является схема, состоящая из одного или двух сосредоточенных грузов (для учета воздействия локомотивов) и симметрично расположенных относительно сосредоточенных грузов участков распределенной нагрузки различной интенсивности, учитывающих воздействие вагонов и транспортеров (см. схему 7 на рис. 1).

Для определения параметров предлагаемой схемы необходимо проанализировать тенденции изменения осевых и погонных нагрузок от подвижного состава за предполагаемый период эксплуатации мостов, а также других параметров подвижного состава, влияющих на указанные величины (длины по осям автосцепок, базы экипажей поездной нагрузки, базы тележек).

2 Предложения по выбору

нормативной поездной нагрузки

Анализ результатов классификации нагрузок, представленный в статье «Воздействие обращающегося и перспективного подвижного состава на мосты», показывает,

444 4 А 4 Рл-, Рл

III III..I I

4 44444 44&г4

L L Неограниченной длины

СК

9 kl

4# Т

Неограниченной длины е Неограниченной длины

Aft 4 А

Неограниченной ж длины С Неограниченной длины

Я444 А к \ \ 1 и г *тттп к*

Л" | Л Неограниченной ► длины

Неограниченной

длины

с с

Неограниченной

длины

Рис. 1. Схемы нормативной временной вертикальной нагрузки от подвижного состава для проектирования мостов

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/4

122

Техника и технологии

что воздействие на мосты от нормативной нагрузки С14 значительно выше, чем от современных наиболее тяжелых эксплуатируемых нагрузок и перспективных, спроектированных под габарит Т Воздействие на мосты нормативной нагрузки С14 также значительно выше воздействия нагрузки UIC-71, используемой в качестве нормативной Международным союзом железных дорог (на 50-70 %).

Приведенные данные свидетельствуют о возможности использования меньших по величине нормативных нагрузок для проектирования мостов на магистралях, не предназначенных для пропуска тяжелых транспортеров. Примером такого подхода может служить проектирование и строительство новой железной дороги ст. Адлер - горноклиматический курорт Альпика-Сервис. По данным ОАО «Институт “Гипрострой-мост”», использование в качестве нормативной нагрузки С11 вместо С14 позволяет снизить расход материалов на искусственные сооружения на 25 %.

На основании наших исследований можно предложить варианты нормативной временной вертикальной нагрузки для проектирования железнодорожных мостов, при-

веденные в табл. 2 и на рис. 2, в зависимости от категории и перспектив использования конкретной железнодорожной магистрали.

Нагрузку по схеме 1 целесообразно использовать при проектировании мостов в случае, если по магистрали планируется пропускать локомотивы с осевым давлением до 30,0 тс и погонной нагрузкой до 9,3 тс/м, транспортеры грузоподъемностью до 300 тс и с погонной нагрузкой до 12,0 тс/м и вагоны с осевым давлением до 25,0 тс с погонной нагрузкой до 12,5 тс/м.

Мосты, спроектированные под нагрузку по схеме 2, обеспечивают пропуск без ограничения скорости движения локомотивов с осевым давлением до 27,0 тс и с погонной нагрузкой до 9,1 тс/м, транспортеров грузоподъемностью до 300 т и с погонной нагрузкой до 11,0 тс/м и вагонов с осевым давлением 25,0 тс и погонной нагрузкой до 10,5 тс/м.

Нагрузку С14 целесообразно использовать для проектирования мостов на железнодорожных магистралях, предназначенных для пропуска наиболее тяжелых перспективных грузовых вагонов и транспортеров. Сравнение классов нагрузок по схемам 1 и 2 и нормативной нагрузки С14 приведено на рис. 3 [1, 2].

ТАБЛИЦА 2. Варианты нормативной вертикальной поездной нагрузки

Подвижной состав, пропускаемый по искусственным сооружениям Варианты нормативной вертикальной нагрузки для проектирования мостов

Тип временной вертикальной нагрузки Максимальная нагрузка

Осевая, тс Погонная, тс/м

1 Локомотивы 30 12,7 С14

Вагоны 30 14

Транспортеры 33 15,11

2 Локомотивы 30 9,3 Схема 1

Вагоны 25 12,5

Транспортеры грузоподъемностью 500 т 25 12

3 Локомотивы 27 9,1 Схема 2

Вагоны 25 10,5

Транспортеры грузоподъемностью до 300 т 24 11

2012/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Техника и технологии

123

неограниченной длины

V

7,0 0,5 0,5 7,0

неограниченной длины

Рис. 2. Схемы нормативных нагрузок

Схема 1

30 тс

14,0 тс/м

15

13

11

ч

И

Классы обращающегося и перспективного подвижного состава и нагрузки С14

1 3 5 7 9 12 16 20 30 40 50 70 90 110 130 150 170 190

Длина загружения линий влияния

Рис. 3. Относительные величины нормативных нагрузок обращающегося и перспективного подвижного состава

9

7

5

3

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/4

124

Техника и технологии

Заключение

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На базе результатов исследований по выбору нагрузки для проектирования мостов, проведенных авторами, можно сделать вывод о том, что воздействие на мосты нормативной нагрузки С14 значительно превышает воздействие не только современных наиболее тяжелых эксплуатируемых нагрузок, но и нагрузок, спроектированных под габарит Тпр и рассчитанных на ближайшую перспективу. Кроме того, воздействие на мосты нагрузки С14 значительно больше воздействия нагрузки UIC-71, используемой в качестве нормативной Международным союзом железных дорог (на 50-70 %). Эти

обстоятельства, по нашему мнению, являются достаточным обоснованием для выбора меньшей по величине нормативной нагрузки для проектирования мостов на большей части железнодорожных магистралей Российской Федерации.

Библиографический список

1. Руководство по пропуску подвижного состава по железнодорожным мостах. - Введ. 1991-07-04 / МПС. - М. : Транспорт, 1993. - 368 с.

2. Руководство по определению грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов. - Введ. 1985-08-02 / МПС. - М. : Транспорт, 1987. - 272 с.

2012/4

Proceedings of Petersburg Transport University

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.