CC BY
53
УДК 625.1(075.8) Тюпин Владимир Николаевич,
д. т. н., профессор ЗабИЖТ, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. (83022)24-06-90, e-mail: TyupinVN@zab.megalink.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОГО
(СЕЙСМИЧЕСКОГО) ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ОКРУЖАЮЩИЕ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
V.N. Tyupin
DETERMINATION OF THE ROLLING STOCK VIBRO-DYNAMIC (SEISMIC) IMPACT ON THE SURROUNDING BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS
Аннотация. Рассмотрен механизм вибродинамического (сейсмического) воздействия поезда на окружающие здания и сооружения. Получены теоретические формулы для определения величины сжимающего напряжения в основании удаленного охраняемого объекта. Формулы получены с учетом интерференции продольных волн от близко расположенных колес в соседних вагонах. Формулы и их численный анализ могут служить для выбора мероприятий и материалов с целью снижения вибродинамического (сейсмического) воздействия подвижного состава на окружающие объекты.
Ключевые слова: подвижной состав, железнодорожный путь, вибродинамическое (сейсмическое) действие, интерференция продольных волн, охраняемый объект, теоретические и численные расчеты.
Abstract. The mechanism of train vibro-dynamic (seismic) impact on the surrounding buildings and constructions is analyzed. The theoretical formulas for the determination of the compressive voltage amount at the remote protected object foundation were formed. The formulas are obtained subject to the longitudinal wave interference from the closely located wheels in the adjoined wagons. The formulas and their numerical analysis can serve for the choice ofprocedures and materials for the aim of reducing of the rolling stock vibro-dynamic (seismic) impact on the surrounding objects.
Keywords: rolling stock, railway track, vi-bro-dynamic (seismic) action, longitudinal wave interference, protected object, theoretical and numerical analysis.
В настоящее время важнейшей задачей ОАО «РЖД» является повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, что достигается путем интенсификации перевозочного процесса.
Интенсификация перевозок обеспечивается в основном повышением скоростей движения поездов, увеличением погонной нагрузки на путь и длины составов. Однако негативным фактором интенсификации процесса перевозок является повышение вибродинамического воздействия подвижного состава на элементы железнодорожного пути, основание, а также окружающие здания и сооружения. Вибрационное воздействие отрицательно влияет на человека [1]: нарушается общее самочувствие, сон, возникает раздражительность, депрессия, появляются болезни. Для жилых и общественных зданий наиболее неблагоприятным внешним источником являются рельсовые транспортные магистрали: метрополитен, трамвайные линии и железные дороги. В тех случаях, когда здания располагаются в непосредственной близости от рельсовой дороги, вибрации в них могут превышать предельно допустимые значения, установленные санитарными нормами [2]. В настоящее время регламентируемая СНиП 2.07.01-89 защитная зона железной дороги составляет 100 м. Для уменьшения ширины защитной зоны применяют меры по снижению вибраций [1]: виброзащитные конструкции железнодорожного пути (резиновые прокладки) позволяют снизить вибрации в зданиях до 10-13 дБ, экранирующие траншеи в грунте снижают колебания до 6 дБ, конструкции зданий на виброизоляторах и конструкции зданий из монолитного железобетона снижают колебания до 10-15 дБ. При использовании защитных мероприятий размер защитной зоны железных дорог может быть до 50 м. В аналитическом материале [1] отмечено, что проблема защиты зданий от вибраций достаточно сложна и в основном исследуется на численных моделях, которые не всегда отражают реальные свойства грунтовых сред и строительных конструкций.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
ус(г )
4 ^ ^ + 4 ^ ["(й2 + Ь2 )°'5-й
Ф-,КТ
ФКт,
-(г+0.3ЙП )3
В настоящей статье определяется величина максимального сжимающего напряжения при движении подвижного состава вблизи здания, сооружения. Сжимающее напряжение определено на основе энергетической теории взаимодействия колеса с элементами железнодорожного пути и механизма распространения и взаимодействия волн деформации и продольных волн от серии движущихся колес. Даны численные значения суммарного напряжения воздействующего на здание и прочностные характеристики отдельных сооружений.
Исследования [3, 4] показали, что механизм действия движущегося нагруженного колеса на систему рельс - шпала - балласт - земляное полотно - основание представляет собой процесс распространения волны деформации, то есть при действии вращающегося нагруженного колеса вначале происходит деформация рельса, от головки до подошвы с ее прогибом. Затем деформация подошвы рельса передается подкладке, прокладке и шпале, далее нижняя плоскость шпалы деформирует щебеночный балласт. Нижняя часть щебеночного балласта передает энергию земляному полотну и основанию. Следует отметить, что в основании на определенном расстоянии от контакта с земляным полотном распространяется сейсмическая волна, которая при многократном ее воздействии существенно влияет на процесс обрушения откосов выемок и целостность зданий и сооружений.
Величина сжимающих напряжений, возникающих в основании железнодорожного пути, на расстоянии от пути, при движении четырех наиболее близко расположенных нагруженных колес по рельсу равна
рельсового пути, продольные волны, возникшие от нескольких шпал, одновременно будут подходить к объекту и напряжения от них должны суммироваться (рис. 1).
Рис. 1. Схема к определению числа «излучающих» шпал,
формирующих продольные волны в основании, одновременно действующие на охраняемый объект (2);
1 - железнодорожный путь
Условием встречи продольных волн в основании охраняемого объекта является следующее: время распространения продольной волны от точки А к точке С (Т) равно сумме времени движения колеса от т. А к т. В (Т2) и времени распространения продольной волны от т. В и т. С (Т3), то есть
Т = т2 + Тз. (2)
Временные отрезки в (2) можно представить через расстояния и скорости распространения продольных волн вблизи земной поверхности (и ), а также скорости движения поезда (и) в виде
. (^
и и и
р р
(3)
Буквенные обозначения в формуле (1) отображают физико-технические, геометрические параметры элементов железнодорожного пути и основания, а также динамические параметры подвижного состава.
Рассмотрим вначале явление интерференции продольных волн в основании охраняемого здания (сооружения) при движении одного колеса по рельсу. Очевидно, что при движении одного колеса по рельсу волны деформаций излучаются от каждой шпалы, и, преодолевая балласт и земляное полотно, они преобразуются в продольные сейсмические волны в основании пути. В случае если здание находится на достаточном удалении от
где г, Г, Г - соответственно, расстояния АС, АВ и ВС.
Для определения г2 из (3), то есть участка пути, который будет излучать от шпал волны деформаций и продольные волны в основании, одновременно проходящие к объекту, необходимо в начале определить одно из неизвестных г , которое равно
2 2 2 г' = Г + г2.
(4)
Преобразуя (3), подставляя туда г2 (4) и решая полученное уравнение, имеем
-| 0.5
а
Системный анализ. Математика. Механика и машиностроение
г2 = 2г0
2 2 «Р
или г = Г
^2
,2 V
2 2 , иР - и
V Р
-1
(5)
N = 2
Гоиир
' («2,-и2)'
(6)
где l - расстояние между осями шпал.
В этом случае суммарная величина сжимающего напряжения от воздействия четырех близко расположенных колес с учетом интерференции продольных волн равна
N
2аСж (г ) = NсСж (г ).
(7)
ш
Численные расчеты по формулам (5) дают одинаковые результаты. Например, при г0 = 50 м,
и = 20 м/с, и = 200 м/с (песчаные грунты средней влажности) г2 = 10,1 м по первой и второй формуле в (5).
Число шпал, излучающих волны деформаций, которые в основании преобразуются в продольные волны и одновременно воздействуют на охраняемое здание (сооружение), очевидно равно:
ной волны, определяемым по формуле (7) с частотой (при скорости движения поезда 10-20 м/с) 0,5-1 Гц.
N
Определим численно величину ^асж (г)
1=1
предположив, что между железнодорожным путем и зданием находятся глинистые грунты или скальные горные породы. Численные значения параметров в формулах (1) и (7): т = 10000 кг, и = 20
м/с, Я = 0,5 м, Ь = 0,25 м,
йб = 0,4 м, Е3 =3*107
Е = 5*10'
Па,
Фб = 400,
Фз = 1,
Ктб = 7
Па, ^ = 2,0 м, ^ = 2,8 м, г0 = 50 м, I = 0,5 м. Для суглинков, супесей: Ф0 = 1, V = 0,3, и0 = 300 м/с [5], Е0 = 3*107 Па, Кго = 2. Для
скальных горных пород:
Ф = 100,
V = 0,25,
Здания или сооружения, находящиеся вблизи железнодорожного пути, при движении поезда будут подвергаться периодическим нагрузкам с максимальным напряжением на фронте продоль-
ир = 2200 м/с, Е = 5*10 Па, = 1.
Поскольку основание под железнодорожным путем и зданием, а также между ними могут быть сложены различными грунтами или горными породами, в табл. 1 приведены их основные физико-механические свойства.
Результаты численных расчетов по определению числа шпал, формирующих в основании продольные волны, одновременно воздействующие на охраняемое сооружение (формула (6) при г0 = 50 м) приведены на рис. 2 и 3.
Т а б л и ц а 1
Физико-механические свойства массивов грунтов и горных пород в основании железнодорож-
№ п/п Наименование массива грунтов, горных пород и , м/с V Ео, 107, Па
1 Насыпные, рыхлые пески, супеси, суглинки (кроме водонасыщенных) 120 0,2-0,33 1-3
2 Песчаные (маловлажные - водонасыщен-ные) 150-350 0,15-0,35 4-5
3 Супеси, суглинки 300 0,1-0,3 2-8
4 Глинистые (влажные, плотные) 500 0,4-0,5 5-6
5 Гравий, щебень, галька 1100 0,2-0,33 2-6
6 Мерзлые высокотемпературные (песчаные, глинистые, насыпные) 1500 0,27-0,42 1500
7 Мерзлые низкотемпературные (песчаные, глинистые, насыпные) 2200 0,2-0,3 2500
8 Глинистые твердые 2000 0,3-0,4 4-6
9 Известняки, сланцы, песчаники (выветрелые) 1500 0,2-0,3 2500
10 Скальные породы (малотрещиноватые) 2200 0,25 3000
Примечание: и заимствована из [5]. V, Е0 заимствованы из [4, 6, 7, 8]
0,5
Рис. 2. Зависимость числа «излучающих» шпал (№) от скорости продольных волн ( и ) в грунтовых и
скальных массивах при Г0 = 50 м, и = 20 м/с
Анализ рис. 2 указывает на то, что с увеличением скорости продольных волн (и ) в основании, между путем и зданием число взаимодействующих шпал (К) уменьшается и при >1000 м/с составляет не более 3.
Рис. 3. Зависимость числа «излучающих» шпал (№) от скорости движения поезда ( и ) в суглинках (1) и скальных породах (2) при Г0 = 50 м, и =300 м/с, и = 2200 м/с.
Анализ рис. 3 показывает, что с увеличением скорости поезда величина N увеличивается, причем N в глинах и суглинках растет гораздо быстрее, чем в скальных горных породах, то есть эффект наложения продольных волн и суммирование сжимающих напряжений в глинистых и суглинистых грунтах существенно выше, чем в скальных горных массивах.
На рис. 4 приведены результаты численных расчетов изменения величины суммарного сжимающего напряжения с расстоянием от железнодорожного пути по формуле (7), для глинистых и суглинистых массивов, а также для скальных массивов горных пород.
там
1С)4, Па
1,5
1,0
0,5
1
2
0 20 40 60 г, м
Рис. 4. Зависимость величины суммарного сжимающегося напряжения с расстоянием от железнодорожного пути для глинистых (1) и скальных (2) массивов
Анализ рис. 4 показывает, что суммарная величина сжимающих напряжений от продольных волн, действующих из глубины массива вертикально вверх, в глинах, суглинках превышает таковую в скальных горных породах. Это связано с интенсивным наложением упругих волн в суглинистых породах за счет низкой скорости их распространения. С расстоянием суммарные сжимающие напряжения в суглинках существенно уменьшаются. В скальных породах суммарные сжимающие напряжения с расстоянием практически не изменяются. Интересно сравнить величину максимальных суммарных сжимающих напряжений от воздействия подвижного состава с прочностными характеристиками зданий, сооружений, заимствоваными из [9]. Пределы прочности зданий и сооружений при воздействии воздушной ударной волны от ядерного взрыва могут характеризовать устойчивость охраняемых зданий и сооружений, находящихся вблизи железнодорожного пути. При слабом разрушении деревянных зданий, кирпичных зданий, зданий с металлическим каркасом пределы их прочности соответственно составляют: 0,8*104-1,25*104-2,0 *104 Па. Эти прочностные параметры примерно соответствуют максимальным значениям сжимающих напряжений при движении грузового поезда со скоростью 20 м/с (72 км/час). Однако следует отметить, что в городских условиях скорость движения грузовых
Системный анализ. Математика. Механика и машиностроение
ш
поездов не превышает 20 км/час, что обеспечивает сохранность окружающих путь объектов.
Таким образом, в статье рассмотрен вопрос о вибродинамическом воздействии движущегося поезда на окружающие здания и сооружения. Получены математические формулы для определения максимальной величины сжимающего напряжения в основании охраняемого здания при движении поезда. Формулы получены с учетом интерференции продольных волн в основании пути за счет наложения волн от близко расположенных колес в соседних вагонах.
Численный анализ конечной теоретической формулы позволяет определить степень влияния физико-технических и геометрических параметров элементов железнодорожного пути и основания, а также динамических параметров движущегося поезда на окружающие объекты. Формулы могут служить для выбора мероприятий, способов, а также материалов с определенными геометрическими параметрами и физико-техническими свойствами с целью снижения вибродинамического (сейсмического) воздействия подвижного состава на окружающие железнодорожный путь здания и сооружения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Волков А. В. Экология жилища. Вибрация и городская застройка. [Электронный ресурс].
URL: www.know-house.ru/avtor/vibr.html. (Дата обращения: 04.11.2012.
2. CH 2.2.4/2.1.8.566-96. Санитарные нормы. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий. М. 4 с.
3. Тюпин В. Н. Определение напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути при движении нагруженного колеса с использованием закона сохранения энергии // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2005. № 4(8). С. 57-64.
4. Тюпин В. Н. Оценка вибродинамического воздействия движущегося поезда на физико-технические свойства многолетней мерзлоты // сб. трудов к 75-летию ПТКБЦП ОАОРЖД. М : Путь и путевое хозяйство, 2007. С.65-69.
5. СНИП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы. Компенсаторы. М. : Миннефтегазстрой. 1986. Табл. 15.
6. Поведение грунтов под действием импульсивных нагрузок / Вовк А. А. и др. Киев : Наукова думка. 1984. 288 с.
7. Грунтоведение / под ред. Е. М. Сергеева. М. : Изд-во МГУ, 1983. 392 с.
8. Ржевский В. В., Новик Г. Я. Основы физики горных пород. изд.3-е перераб. и доп. М. : Недра. 1978. 390 с.
9. Юрпольский И. И. Гражданская оборона на железнодорожном транспорте : учеб. для ВУЗов ж.д. трансп. М. : Транспорт. 1987. 272 с.
