автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Конструктивно-технологические решения жестких поперечин рамного типа с унифицированными параметрами

КУЗНЕЦОВ ВАЛЕРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ЖЕСТКИХ ПОПЕРЕЧИН РАМНОГО ТИПА С УНИФИЦИРОВАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность 05 23 11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных

тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007 г

003060274

КУЗНЕЦОВ ВАЛЕРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ЖЕСТКИХ ПОПЕРЕЧИН РАМНОГО ТИПА С УНИФИЦИРОВАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность 05 23 11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных

тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007 г.

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС)

Научный руководитель

кандидат технических наук Чучев Александр Петрович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Павлов Юрий Анатольевич кандидат технических наук Багдасаров Альберт Арменакович

Ведущая организация:

Трансэлектропроект ОАО «Росжел-дорпроект»

Защита состоится 22 06.07 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 303 018 01 в ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства», адрес: 129329, Москва, Кольская ул., д 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета

Автореферат разослан 22 мая 2007г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук < Петрова Ж. А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Для улучшения эксплуатационной работы дорог и условий труда, повышения важнейших технико-экономических показателей железнодорожного транспорта необходимо поддерживать на высоком уровне техническое состояние всех устройств электрической тяги при минимальных эксплуатационных расходах.

Решение этой задачи невозможно без модернизации устройств контактной сети- замены морально устаревших устройств более совершенными и надежными, экономичными и ремонтопригодными, рационализации системы и методов технического обслуживания оборудования

Опорные и поддерживающие конструкции контактной сети являются наиболее материалоемкими, на их изготовление расходуют около 85% общей потребности стали при электрификации железных дорог К опорным конструкциям относятся железобетонные и металлические стойки, к поддерживающим конструкциям - консоли, кронштейны и поперечины Среди них поперечины — одна из наиболее массовых несущих конструкций для подвески контактной сети на станциях и перегонах

На станциях основными поддерживающими устройствами в подавляющем большинстве стран являются гибкие и жесткие поперечины Стоимость конструкций определяется числом перекрываемых путей При перекрытии большого числа путей на станциях возможны различные конструктивные схемы поперечин Исследования британских специалистов показали целесообразность применения нескольких жестких поперечин взамен одной гибкой поперечины.

Жесткие поперечины бывают балочного и рамного типов Жесткие поперечины балочного типа имеют шарнирное соединение со стойками, а рамного - жесткое. Часть нагрузок в рамных поперечинах передается с помощью подкосов или оттяжек на стойки

В настоящее время в отечественной практике широко применяют жесткие поперечины балочного типа для пролетов от 17 до 44 м, в которых ригель имеет вид металлической четырехгранной решетчатой фермы с поясами из одиночных прокатных

уголков, с раскосной решеткой, присоединенной к поясам сваркой встык. Тридцать процентов несущей способности ригелей балочной конструкции жестких поперечин составляет нагрузка от собственного веса Ригели имеют большие габаритные размеры, большое поперечное сечение поясных уголков и, соответственно, большую погонную массу Значительные габариты таких конструкций затеняют станции и на них воздействуют большие климатические нагрузки (ветер, гололед, снег) Для обеспечения перевозок в темное время суток для установки светильников используют ригели жестких поперечин балочного типа (ж п б т ). Дополнительный вес настила и перильного ограждения составляет 35-50% от веса ригеля. Влияние собственного веса ригеля на его несущую способность увеличивается и это приводит к необходимости увеличения его несущей способности.

Альтернативу поперечинам балочного типа составляют поперечины рамного типа (ж.п р т.) Жесткие поперечины рамного типа являются существенно более эффективными конструкциями по расходу металла и по эффективности работы по сравнению с традиционными жесткими поперечинами балочного типа. Это объясняется более равномерным загружением всех элементов поперечины рамного типа (включением в «работу» стоек). Существующая конструкция ригелей ж п р.т рассчитана только на влияние внешних нагрузок и собственный вес и не способна воспринимать дополнительную нагрузку от приборов освещения и это ограничивает ее универсальность. Существующая конструкция ригелей ж.п.р т. имеет недостаточную несущую способность для восприятия нагрузки от собственного веса при монтаже ее как балки (до закрепления оттяжек, подкосов и т.д ) В ней возникают недопустимые усилия и, соответственно, деформации элементов, при которых последующее использование ригеля невозможно. Расстроповка ригеля ж п р.т возможна только при полном закреплении всех опорных узлов и это приводит к увеличению трудоемкости монтажа

В настоящее время существует большое многообразие ти-поразмерного ряда ригелей ж.п р.т (300x400мм, 400x500мм, 400x600мм, 500x600мм, 400x650мм, 500x800мм, 600x1000мм, 700x1150мм), это обусловлено тем, что проекты разрабатывали в разное время для разных типов контактной сети и электрифици-4

руемых участков При этом проектирование вели с целью достижения максимально возможного уменьшения массы ригеля при различной расчетной длине Одним из основных недостатков такого разнообразия является большое число типоразмеров поддерживающих конструкций, снижение технологичности и качества изготовления и монтажа ж.п р т

При реконструкции железнодорожных станций гибкие поперечины из-за большого срока службы заменяют на жесткие При недостаточном расстоянии между путями не представляется возможным установить стойки жестких поперечин. Необходимы поперечины с расчетной длиной 55 и 65м Такой длины, как показали расчеты, должны быть только поперечины рамной конструкции

Следовательно, разработка новой конструкции ж п.р т с возможностью монтажа ее как ж п б т и возможностью размещения на ней освещения, создания условий для более эффективного использования поперечин, для их широкого применения (в том числе для пролетов длиной 55 и 65м) и определение унифицированных рациональных параметров ригелей является актуальным.

Целью работы является разработка новой конструкции ж.п.р.т, в том числе с освещением, с обоснованием ее унифицированных параметров и разработка условий ее применения

Для достижения поставленных целей исследования необходимо решить следующие основные задачи

- разработка математической модели расчета рамных поперечин с возможностью использования ее в методике подбора (привязки),

- обоснование унифицированных рациональных параметров поперечины,

- экспериментальная оценка новой конструкции и разработка методики контрольных испытаний,

- разработка технологического регламента для монтажа жестких поперечин с использованием новой технологической оснастки.

Научная новизна работы

- разработка математической модели для конструирования и обоснование унифицированных параметров

Практическая ценность работы

- применение новой конструкции ж п р т с унифицированными параметрами, в том числе с освещением (ж п р т с освещением проект №3333 ОАО ЦНИИС, утвержденный Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД»; ж.п.р.т. с унифицированными параметрами проект №4181 ОАО ЦНИИС, находится в стадии подготовки к утверждению, заявка на получение патента Российской Федерации на полезную модель отправлена в федеральную службу по интеллектуальной собственности и находится в стадии рассмотрения),

- определены значения нагрузок для контрольных испытаний конструкции,

- разработана технологическая оснастка для монтажа ригелей жестких поперечин (траверса для монтажа жестких поперечин проект №3590 ОАО ЦНИИС, утвержденный Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД»),

- разработан технологический регламент монтажа жесткой поперечины рамного типа

Эффективность подтверждается:

- созданием новой конструкции ж п р т. с унифицированными параметрами, в том числе с освещением, которая обеспечивает снижение металлоемкости конструкции на 15%, снижение трудоемкости монтажа, созданием конструктивных и проектных условий для применения эффективных конструкций жестких поперечин

Апробация:

рассматриваемая в диссертационной работе новая конструкция жестких поперечин рамного типа и новая технологическая оснастка обсуждены на научно-технических совещаниях в Департаменте электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» (с участием специалистов ОАО ЦНИИС, ФГУП ВНИИЖТ, Трансэлек-тропроект ОАО «Росжелдорпроект»)

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 4 научных статьях и в 1 заявке на полезную модель (находится в стадии рассмотрения)

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений Работа изложена на 153 страницах печатного текста, включает 101 рисунок и 5 таблиц Список литературы содержит 62 наименования. Приложения включают 6 страниц текста и 4 таблицы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает состояние вопроса и цель работы, формулирует постановку задачи и обосновывает выбранный метод ее решения

Первая глава содержит аналитический обзор поддерживающих конструкций КС, применяемых в России и за рубежом, выявлены особенности их расчета и конструирования, а также проведен анализ технологического обеспечения строительно-монтажных работ при реконструкции КС электрифицированных железных дорог. В результате анализа были сформулированы цели и задачи исследования (рис 1)

Вопросами совершенствования конструкций, технологии строительства и методов расчетов при проектировании поддерживающих конструкций занимались многие специалисты, научные и проектные организации Существенный вклад в решение названных вопросов внесли

А.П Кучко, М А. Баранова, Б Г Поршнев, Б В. Шпаков, Ю В Гайдаров, М П Забродин, И.И Власов, К.Г. Марквардт, В П Шурыгин, А И Шелест, А П Чучев - теория расчета нагрузок и воздействий на контактную сеть,

А А Орел, А И Шелест, В И Подольский, А А. Кудрявцев, Г.Н Брод, Б Г. Поршнев, И Н Иванов, К.И Скобелев, - конструирование поддерживающих конструкций контактной сети;

Ц X Надгериев, В.Кноблох, О Кромптон, Ж Вэлес - методы расчета поддерживающих конструкций,

А П Чучев, А А Орел, Р А Карякин, А И Шелест, А.И. Багдасаров, С Г Довбыш — испытания поддерживающих конструкций

Однако условия изготовления, монтажа и эксплуатации выдвинули на повестку дня новые задачи по созданию новой конструкции жестких поперечин для железнодорожных участков постоянного и переменного тока

Во второй главе обоснован выбор более эффективной новой конструкции ж п р.т на основе результатов анализа влияния различных конструктивных решений на величины изгибающих моментов в ригеле и стойках, степень равнонагруженности элементов поперечины

В качестве объекта исследования для анализа был использован ригель длиной 34м для тяжелого режима загружения (подвеска постоянного тока, сопряжения по двум главным путям, гололед 5=20 мм, ветер У=17 м/с)

Анализ показал, что введение в балочную конструкцию поперечины оттяжек от вершины стоек к ригелю на расстоянии 7м снижает момент в середине ригеля на 2,8 раза На крайних блоках ригеля в зависимости от расстояния от стоек до места крепления оттяжек момент может менять знак (при короткой оттяжке), иметь нулевое значение (при расстоянии от 6 до 8м) и сохранить работу ригеля как в ж п б.т., но со значением ординаты в три раза меньше

Снимая часть вертикальной нагрузки с ригеля, оттяжка передает ее на стойку Причем часть стойки, выступающая над ригелем по условиям конструкции, может выступать на 2,5-Зм Величина изгибающего момента в месте закрепления опорного столика поперечины равна доли изгибающего момента, на которую уменьшился момент в середине ригеля. Оттяжка перераспределила внутренние усилия в ригеле между ним и стойками

Условия работы и эффективность влияния на величину момента в середине ригеля подкосов аналогичны условиям работы оттяжек Однако появляется изгибающий момент в ригеле, возникающий от действия подкоса в месте его крепления на ригеле Величина этого момента превышает значение момента в середине ригеля Изгибающий момент в стойке почти в 1,65 раза меньше. Поэтому жесткая поперечина с подкосами является более рациональной.

Кожгтрмгпимнг-телиолотйчеекяе решения жестких п&Шрсчим

раммого -гонг» с унифииироланиыгм« яар&ьнпфвмм

Типы (Ю,адсржп8,4«миих шисгрукиий

Методы расчета

Жесткая тшречит

Опора с юн со лыс

балочного

1«иа

Методик» полбора \

Методы водружения

рамного

Ц1ШМ.1СШШШШ1;

г~

...................... Разработка условий применения

^зработка ижегрукшж с оюоемечшик'ч - КОНСТРУКТИВНЫХ

>ниф»«»роввям1м-ч ивраме»|рв«

1 ....... ... ....... - тсхмолоптоского

Рис. 1. Блок-схема исследования.

Введение в конструкцию поперечины шпренгельного узла дополнительно с подкосом выравнивает величины моментов в опорном узле Этот узел позволяет уменьшить продольные усилия в поясах ригеля в месте крепления подкоса в 2,3 раза, в середине ригеля - 1,2 раза Поэтому новая конструкция поперечины является самой эффективной конструкцией рамного типа и позволяет размещать на ней осветительные приборы

При конструировании новой поперечины рамного типа (рис 2) был впервые проведен комплексный сопоставительный анализ и были определены рациональные параметры шпренгеля с подкосом и оттяжек Были выполнены расчеты ригелей длиной 30, 34 и 39м и построены графики зависимостей изменения величины изгибающих моментов и нормальных сил в характерных узлах конструкции от изменения их параметров

В качестве исходных параметров, которые влияют на работу шпренгеля и оттяжки, были приняты следующие величины (рис. 3):

— высота стояка шпренгеля (Ьсх),

— расстояние от оси стойки до места крепления стояка (хст),

— расстояние от оси стойки до места крепления подкоса (хп)

— расстояние от оси стойки до места крепления оттяжки (хот),

— расстояние от нижней грани ригеля до места крепления подкоса (Ьп),

— высота крепления оттяжки ригеля на стойке (Ьот),

— расстояние от оси стойки до места крепления оттяжки на ригеле (Ьот)

Анализ изменения параметров подкоса показал , что чем угол наклона подкоса к оси ригеля будет больше, тем более эффективно он будет разгружать ригель и загружать стойку. При этом увеличивается длина подкоса и, соответственно, будет расти его масса. При равных величинах х„ и Ьп (45°) значение сжимающих усилий, возникающих в нем, стабилизируются и наблюдается равномерное распределение изгибающих моментов по всей длине ригеля При большем значении 11п изменение значений моментов в ригеле и стойках будет незначительно Целесообразно применять подкос при равных значениях хп и Ьп Значение величины хп и Ь„ ограничено расположением на ригеле поддержи-

вающих устройств и габаритами приближения подвижного состава Их величина не должна превышать 4м.

Значение хп приняли равным 2,5 м, исходя из ограничения по расположению поддерживающих конструкций на ригеле, и Ьп равным 2м,

Рис 2 Жесткая поперечина рамного типа с двумя шпренгелями с подкосами 1 - стойка опоры металлическая, 2 - стойка опоры железобетонная, 3 — ригель, 4 — оголовок на опоре со стойкой металлической, 5 - оголовок на опоре со стойкой железобетонной, 6 — подкос, 7 - шпренгель

Анализ изменения параметров шпренгеля показал, что его стояк должен находится в месте крепления подкоса (месте возникновения опорного момента) и увеличивать условную суммарную высоту ригеля в более напряженном месте При удалении положения стояка от места крепления подкоса снижается эффективность работы конструкции шпренгеля в целом. Значение хот должно находиться в пределах от 5 до 8м от оси стойки. Наиболее эффективно работает оттяжка шпренгеля при ее закреплении на ригеле в точке с нулевым значением изгибающего момента (точка изменения знака момента)

7

а)

б)

Рис 3 Основные параметры а) шпренгеля с подкосом, б) оттяжки

Параметр hCT значительно оказывает влияние на моменты, возникающие в ригеле в месте крепления стояка При увеличении его высоты до Зм момент уменьшается вдвое Последующее увеличение этого параметра не существенно влияет на изменение моментов в ригеле и при высоте более 5м момент даже немного возрастает Параметр hCT практически не оказывает никакого влияния на моменты возникающие в стойке опоры и на нормальные силы в подкосе Его влияние на них составляет не более 8% в сторону их увеличения. Независимо от величины действующих на поперечину нагрузок (при легком или тяжелом режиме загру-жения) характер изменения изгибающих моментов и нормальных сил в элементах ригеля существенно не меняется

Анализ изменения параметров оттяжки: величина параметра h0T ограничена высотой типовой стойки и может меняться в пределах до Зм При этом значении hox изменяли расстояние до места крепления оттяжки на ригеле (bot) Оптимальное значение этого параметра находится в пределах от 7 до 11м При положении оттяжки на ригеле до 7м в нем возникают незначительные изгибающие моменты в месте крепления оттяжки После 11м дальнейшее изменение параметра bct не оказывает никакого влияния на перераспределение усилий между ригелем и стойкой

Поперечина рамного типа, в том числе с освещением, (проекты №3333 и №4181 ЦНИИС) была рассчитана с помощью математической модели для перекрытия пролетов длиной от 22,5м до 39,0м Она предназначена для использования в I-V районах по гололедным, ветровым и снеговым нагрузкам в обычных геологических условиях при сейсмичности не более 9 баллов и расчетной температуре воздуха до минус 65 °С По данной конструкции ж п р т отправлена заявка на получение патента Российской Федерации на полезную модель и находится в стадии оформления.

Изменение значения фактических расчетных длин, значения которых находятся между основными длинами, происходит с шагом 400мм для длин поперечин от 22,5м до 39,5м

В зависимости от схемы армировки стоек опор ж.п.р.т. с полевой стороны разработаны ригели жестких поперечин в нескольких вариантах

- оба крайних блока со шпренгелем с подкосом и опиранием на оголовок со стойкой типовой длины,

Блок-схема программы конструирования показана на рис.6 Она описывает поэтапно действия введения исходных данных, расчета, определения и выведения ж.п.р.т

Проведенный анализ конструкции жестких поперечин рамного и балочного типов, их геометрических характеристик позволяет предложить унифицированный типоразмерный ряд четырехгранных ригелей жестких поперечин.

Унифицированный типоразмерный ряд жестких поперечин рамного типа определен с учетом следующих условий, -основные расчетные длины поперечин (17, 22, 30, 34, 39 и 44м) определены исходя из количества путей перекрываемых ею и габаритами подвижного состава; -на основании эксплуатационных требований к размерам прохожей части и ограждения на ригелях от 30 до 44м размер поперечного сечения ригеля по ширине принят для рамных и балочных поперечин равным 740мм, как и в балочных поперечинах с освещением, обслуживаемых с ригеля, - одним из основных параметров ригелей является высота поперечного сечения При принятом, по технологическим условиям, горизонтальном размере, основным для унификации остается размер высоты сечения ригеля Для обоснования рациональной унифицированной величины этого параметра были разработаны алгоритм и программа определения поперечных сечений уголков поясов и решетки раскосной четырехгранной фермы при заданной несущей способности ригеля — допускаемого изгибающего момента М и перерезывающей силы С? в поперечном сечении ригеля Для определения диапазона изменения изгибающих моментов перерезывающих сил в рамных и балочных поперечинах при типовой внешней нагрузке от контактной сети были выполнены соответствующие расчеты

На рис 5 представлены графики средней погонной массы ригеля с раскосной решеткой в зависимости от высоты поперечного сечения блока при заданной несущей способности последнего. Эти зависимости получены при ширине ригеля 740мм, принятой как унифицированной величиной. При необходимой несущей способности (изгибающем моменте М) рамных ригелей длиной от 30 до 39м в пределах от 100 до 300 кН-м оптимальный

размер высоты ригеля должен находиться в пределах от 700 до 900мм

Рис 5 Графики зависимости погонной массы ригеля ш раскосной фермы от

высоты ригеля Ь при различных несущих способностях (допускаемых изгибающего момента М кН м и перерезывающей силы кН в вертикальной плоскости поперечного сечения ригеля)

- (3 = 20кН,

---(3 = 40кН,

Рис 6 Блок-схема программы конструирования жестких поперечин рамного типа

На основании выполненного анализа унифицированный размер высоты ригеля рамных поперечин длиной от 30 до 39м можно принять равным ширине ригеля, т е следует принять в качестве унифицированного квадратное поперечное сечение 740x740мм Это позволяет использовать ригели с одним и тем же поперечным сечением как для поперечин без освещения, так и - с освещением, аналогично балочным поперечинам. При необходимой несущей способности (изгибающем моменте М) балочных ригелей длиной от 30 до 44м в пределах от 180 до 730 кН м принятый унифицированный размер высоты ригеля 1200мм можно признать рациональным и поэтому его следует сохранить в качестве унифицированного

Разработана блок-схема программы подбора типовых конструкций ж п р т Программа подбора типовых конструкций поперечин рамного типа может быть реализована на основе разработанной математической модели В программе подбора собранны базы данных по климатическим условиям, типу местности, расположению путей и контактной сети, существующим типам стоек и фундаментов

В четвертой главе приведена экспериментальная проверка расчетной модели на стенде испытаний жестких поперечин ОАО ЦНИИС В процессе испытания оценивали характер работы ригеля при приложении ступенями расчетной статической вертикальной нагрузки в виде оцинкованных чугунных грузов весом по 25 кг Поперечину нагрузили до значения расчетной нагрузки, при этом в ригеле не возникло пластических деформаций элементов, потери устойчивости сжатых и разрывов растянутых элементов, разрушений накладок в стыках блоков и повреждений сварки.

В ходе испытания были получены значения прогибов ригеля в точках приложения вертикальных нагрузок (рис 7) и значения напряжений в элементах поперечины с использованием тен-зометрических методов исследования Отклонение полученных данных от расчетных составило 3%, что подтверждает правильность принятых решений и эффективность работы шпренгельно-го узла

200 '-

1 2 середина 3 4

ригеля

№ точки

Рис 7 График значений прогиба в точках приложения нагрузок

- экспериментальные значения,

------расчетные значения

Описана методика контрольных испытаний ригелей жестких поперечин рамного типа.

Особенностью методики испытаний ригелей рамного типа является определение значений только вертикальных нагрузок, пересчитанных с учетом влияния горизонтальных нагрузок действующих на ригель, для проверки механической прочности и деформативности ригеля. Определены схемы загружения и величины допускаемых прогибов

Методика содержит требования к последовательности проведения испытаний, величине нагрузок, схеме приложения нагрузок, допускаемой погрешности контролируемых параметров. Величины нагрузок, на которые производят нагружение ригеля в вертикальной плоскости, определяют исходя из предельной несущей способности ригеля в расчетных сечениях Места приложения нагрузок в схемах соответствуют реальному расположению контактных подвесок путей

Критериями оценки результатов испытаний на прочность (несущую способность) является расчетная нагрузка, на дефор-мативность (жесткость) является нормативная нагрузка, определяемая делением расчетной на обобщенный коэффициент перегрузки 1,25

В пятой главе описан технологический регламент монтажа жестких поперечин рамного типа с применением новой технологической оснастки (траверсы)

При монтаже ригелей длиной 34-39м в его элементах возникают опасные изгибающие моменты, которые имеют противоположный знак в отличии от моментов, возникающих в ригеле во время эксплуатации Это вызвало необходимость разработки и применения конструкции траверсы для монтажа ригелей жестких поперечин до 44м Траверса позволяет уменьшить монтажные нагрузки на ригель во время его подъема и установки на стойки (опоры) Были определены оптимальные параметры траверсы с помощью разработанной математической модели.

Новая технология монтажа с использованием траверсы позволяет монтировать ригели более мобильными кранами грузоподъемностью 15т с длиной стрелы 14м, взамен кранов с длиной стрелы 18м при использовании тросовых строп Это очень важно в стесненных условиях на станционных путях при обновлении, реконструкции и капитальном ремонте контактной сети.

В шестой главе произведена оценка технико-экономической эффективности от внедрения разработанного конструктивного решения жестких поперечин рамного типа.

Использование новой конструкции позволяет сократить металлоемкость конструкции на 15%

Годовой экономический эффект от внедрения предложенных технических решений составит 1150 тыс руб

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1 Разработана новая конструкция жесткой поперечины рамного типа со шпренгелем и подкосом Новые конструктивные решения жесткой поперечины рамного типа позволили разместить на ригеле настил и перильное ограждение, что дало возможность устанавливать на ригеле осветительные приборы. Появилась возможность значительно расширить область применения конструкций жестких поперечин рамного типа и устранить ограничения на их использование

2 Проведено исследование конструкции ригеля жесткой поперечины с помощью математической модели, в результате которого были получены эпюры моментов, определены несущие способности для каждого типа ригеля, значения прогибов от собственного веса и от действия внешней нагрузки, определены поперечные сечения поясных уголков

3 Обоснованы и приняты унифицированные рациональные параметры ригелей жестких поперечин рамного типа, которые позволяют использовать ригель для поперечин без освещения и с освещением

4. Проведено экспериментальное исследование натурного образца жесткой поперечины рамного типа Выполнено сопоставление результатов экспериментального исследования и расчетов. Подтверждена адекватность принятой математической модели реальной конструкции поперечины

5 Разработана блок схема программы подбора (привязки) типовых конструкций поперечин рамного типа для различных условий эксплуатации Программа подбора типовых конструкций поперечин рамного типа может быть реализована на основе разработанной математической модели

6. Разработана методика контрольных испытаний ригелей жестких поперечин рамного типа для проверки механической прочности и деформативности ригеля.

7 Разработан технологический регламент монтажа ригелей жестких поперечин с применением новой технологической оснастки (траверсы) исключающей возникновения в его элементах опасных изгибающих моментов

8 Разработанная новая конструкция жестких поперечин рамного типа позволяет сократить металлоемкость поддерживающих конструкций контактной сети на 15% Экономический эффект от внедрения предложенных технических решений составил 1150 тыс руб в год

9 Предложенные новые технические решения позволяют разработать конструкцию жестких поперечин для пролетов длиной 55 и 65м

По материалам диссертации опубликованы следующие работы

1 ВС Кузнецов Рациональные конструкции жестких поперечин контактной сети Труды ЦНИИС Выпуск № 223, 2004

2 ВС Кузнецов Результаты испытаний жесткой поперечины контактной сети Научные труды ОАО ЦНИИС Выпуск № 228, 2005.

3 Ц.Х Надгериев, В С Кузнецов Рациональные параметры жестких поперечин рамного типа Труды ЦНИИС Выпуск № 232, 2006

4 ВС Кузнецов, С П Сердюк Новая конструкция жесткой поперечины для электрифицированных железных дорог. М • Транспортное Строительство № 4, 2007

Заявка на полезную модель (в стадии рассмотрения) - Жесткая поперечина рамного типа

Подписано в печать 21 05 2007 Формат 60 х 84 716 Объем 1,5 п л Тираж 100 экз Заказ 14

Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС

129329, Москва, Кольская 1 Тел (495)180-94-65

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ЖЕСТКИХ ПОПЕРЕЧИН РАМНОГО ТИПА С УНИФИЦИРОВАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Аналитический обзор.

1.1. Конструкции поперечин на отечественных и зарубежных электрифицированных железных дорогах.

1.2. Методы расчета жестких поперечин балочного и рамного типов. 24 1.2.1. Основы расчета конструкций контактной сети по предельным состояниям.J

1.3. Технология монтажа жестких поперечин.

1.4. Выводы по главе. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Новая конструкция жестких поперечин рамного типа.

2.1. Анализ жестких поперечин разных конструкций.

2.2. Разработка новой конструкции.

2.3. Обоснование параметров пшренгеля с подкосом и оттяжки.

2.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. Расчет жестких поперечин рамного типа.

3.1. Алгоритм метода расчета.

3.1.1. Методика расчета.

3.1.2. Математическая модель жесткой поперечины рамного типа.

3.1.3. Основные расчетные положения.

3.1.4. Блок-схема программы конструирования жестких поперечин рамного типа.

3.1.5. Результаты расчета.

3.2. Обоснование унифицированных параметров жестких поперечин рамного типа.

3.3. Методика подбора типовых конструкций поперечин.

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование жесткой поперечины рамного типа.

4.1. Методика экспериментальных испытаний жестких поперечин рамного типа.

4.2. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными.

4.3. Методика контрольных испытаний.

4.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 5. Технологический регламент монтажа жестких поперечин.

5.1. Разработка технологической оснастки для монтажа жестких поперечин.

5.2. Разработка технологии монтажа.

5.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 6. Технико-экономическая оценка эффективности применения новой конструкции жестких поперечин рамного типа с унифицированными параметрами.

6.1. Экономическая эффективность.

6.2. Выводы по главе.

Выводы.

Актуальность темы:

Тридцать процентов несущей способности ригелей балочной конструкции жестких поперечин составляет нагрузка от собственного веса. Ригели имеют большие габаритные размеры, большое поперечное сечение поясных уголков и, соответственно, большую погонную массу. Значительные габариты таких конструкций затеняют станции и на них воздействуют большие климатические нагрузки (ветер, гололед, снег). Для установки светильников используют ригели жестких поперечин балочного типа. Дополнительный вес настила и перильного ограждения составляет 35-50% от веса ригеля. Влияние собственного веса ригеля на его несущую способность увеличивается, и это приводит к необходимости увеличения его несущей способности.

Альтернативу поперечинам балочного типа составляют поперечины рамного типа. Жесткие поперечины рамного типа являются существенно более эффективными конструкциями по расходу металла и по эффективности работы по сравнению с традиционными жесткими поперечинами балочного типа. Это объясняется более равномерным загружением всех элементов поперечины рамного типа (включением в «работу» стоек). Существующая конструкция ригелей жестких поперечин рамного типа рассчитана только на действие внешних нагрузок и собственный вес и не способна воспринимать дополнительную нагрузку от приборов освещения, что юраничивает ее универсальность. Существующая конструкция ригелей жестких поперечин рамного типа имеет недостаточную несущую способность для восприятия нагрузки от собственного веса при монтаже ее как балки (до закрепления оттяжек, подкосов и т.д.). В ней возникают недопустимые усилия и, соответственно, деформации элементов, при которых последующее использование ригеля невозможно. Расстроповка ригеля жестких поперечин рамного типа возможна только при полном закреплении всех опорных узлов и это приводит к увеличению трудоемкости монтажа.

В настоящее время существует большое многообразие типоразмерного ряда ригелей жестких поперечин рамного типа, это обусловлено тем, что проекты разрабатывали в разное время для разных типов контактной сети постоянного ипеременного тока при различных скоростях и грузонапряженности электрифицируемых участков. При этом проектирование вели с целью достижения максимально возможного уменьшения массы ригеля при различной расчетной длине. Одним из основных недостатков такого разнообразия является большое число типоразмеров поддерживающих конструкций, снижение технологичности и качества изготовления и монтажа жестких поперечин рамного типа.

При реконструкции железнодорожных станций гибкие поперечины заменяют на жесткие. Необходимы поперечины с расчетной длиной 55 и 65м. Такой длины, как показали расчеты, должны быть только поперечины рамной конструкции.

Следовательно, разработка новой конструкции жестких поперечин рамного типа с возможностью монтажа ее как балки и возможностью размещения на ней освещения, создания условий для более эффективного использования поперечин, для их широкого применения (в том числе для пролетов длиной 55 и 65м) и определение унифицированных рациональных параметров ригелей является актуальным.

Целью работы является разработка новой конструкции жесткой поперечины рамного типа, в том числе с освещением, с обоснованием ее унифицированных параметров и разработка условий ее применения.

Для достижения поставленных целей исследования необходимо решить следующие основные задачи:

- разработка математической модели расчета рамных поперечин с возможностью использования ее в методике подбора (привязки);

- обоснование унифицированных рациональных параметров поперечины;

- экспериментальная оценка новой конструкции и разработка методики контрольных испытаний;

- разработка технологического регламента для монтажа жестких поперечин с использованием новой технологической оснастки.

Научная новизна работы

- разработана математическая модель для конструирования и обоснования унифицированных параметров;

- получена зависимость между средней погонной массой ригеля и высотой его поперечного сечения.

Практическая ценность работы

- создание условий для широкого применения жестких поперечин рамного типа;

- обеспечение качества изготовления и монтажа новых конструкций жестких поперечин рамного типа.

Эффективность подтверждается:

- созданием новой конструкции жесткой поперечины рамного типа с унифицированными параметрами, в том числе с освещением (заявка на полезную модель №2006144916 от 19.12.2006), которая обеспечивает: снижение металлоемкости конструкции на 15%, увеличением производительности монтажа внутри «окна»;

- созданием конструктивных и проектных условий для применения эффективных конструкций жестких поперечин.

Апробация: рассматриваемая в диссертационной работе новая конструкция жестких поперечин рамного типа и новая технологическая оснастка обсуждены на научно-технических совещаниях в Департаменте электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» (с участием специалистов ОАО ЦНИИС, ФГУП ВНИИЖТ, Тран-сэлектропроект ОАО «Росжелдорпроект»).

На основании выполненных теоретических и экспериментальных иссле дований сделаны следующие выводы:

1. С помощью математической модели проведено теоретическое иссле дование напряженного состояния конструкции ригеля жесткой попе речины, в результате которого были получены эпюры моментов, опре делены несущие способности для каждого типа ригеля, величины про гибов от собственного веса и от действия внещней нагрузки, опреде лены поперечные сечения поясных уголков. 2. Получена зависимость металлоемкости ригелей от высоты поперечно го сечения. Обоснованы и приняты унифищ1рованные рациональные

параметры ригелей жестких поперечин рамного типа, которые позво ляют использовать ригель для поперечин без освещения и с освещени ем. 3. Получены зависимости влияния параметров подкоса, пшренгеля и от тяжки на внутренние усилия (изгибаюпщй момент и нормальную си лу) в элементах поперечины. Впервые проведен комплексный сопос тавительный анализ перераспределения нагрузок в жестких поперечи нах различного типа, в результате которого были определены рацио нальные параметры элементов новой конструкции поперечины. 4. Новые конструктивные рещения жестких поперечин рамного типа да ют возможность устанавливать на ригеле осветительные приборы. Это

значительно расширяет область применения конструкций жестких по перечин рамного типа и устраняет ограничения на их использование. 5. Проведено экспериментальное исследование натурного образца жест кой поперечины рамного типа с сопоставлением полученных резуль татов и результатов расчета. Расхождение значений в пределах 5%

подтверждает соответствие принятой математической модели реаль ной конструкции поперечины. 6. Составлена блок-схема программы подбора (привязки) типовых кон- 138 -

струкций поперечин рамного типа для различных условий эксплуата ции. Программа подбора типовых конструкций поперечин рамного

типа может быть реализована на основе разработанной математиче ской модели и может существенно облегчить проектирование. 7. Разработана методика контрольных испытаний ригелей жестких попе речин рамного типа для проверки прочности (несущей способности и

деформативности) ригеля. Определены значения вертикальных нагру зок с учетом влияния действующих на ригель вдоль пути горизонталь ных нагрузок. 8. Разработан технологический регламент монтажа ригелей жестких по перечин рамного типа с применением новой технологической оснаст ки (траверсы). Новая констрз^кция жестких поперечин рамного типа

позволяет на 20% производительно использовать монтажные «окна»

по сравнению с существующими поперечинами рамного типа. 9. Разработанная новая конструкция жестких поперечин рамного типа

позволяет сократить металлоемкость поддерживающих конструкций

контактной сети до 15%. Экономический эффект от внедрения пред ложенных технических решений составил 1150 тыс. руб. в год. Ю.Результаты вьшолненного исследования будут использованы при раз работке конструкций жестких поперечин длиной 55 и 65м с использо ванием типовых конструкций стоек опоры.

1. Под общ. ред. П.М. Шилкина. Электрифицированные железные дороги России (1929-2004гг.). М.: Интекст, 2004. 336с.

2. Под общ. ред. С.М. Сердинова. 50 лет электрификации железных дорог СССР. М.: Транспорт, 1976,239с.

3. А.А. Цернант, В.И. Шмидт. Научное сопровождение, как элемент системы качества в мостостроении. Вестник Российской Академии транспорта (PAT). Отделение транспортного строительства. Том 2. С.-П.: 2001.

4. И.И. Викторов. Требования, предъявляемые к пути высокоскоростным движением. НИИ пути и строительства НКПС. М.: Трансжелдориздат, 1937,40с.

5. А.П. Юшкевич, А.И. Гуков. Техническая документация на контактную сеть КС-200. ТД КС-200. С.-П. 2000.

6. А.И. Шелест. Типы жестких поперечин на электрифицированных железных дорогах. «Транспортное строительство», 1968, №10.

7. И. А. Беляев. Устройства контактной сети на зарубежных дорогах. М.: Транспорт, 1991.192с.

8. А.А. орел, А.П. Чучев, А.И. Шелест. Жесткие поперечины для электрифицированных железных дорог. «Транспортное строительство», 2000, №3.

9. А. А. Орел, А. П. Чучев, А. И. Шелест. Жесткие поперечины для электрифицированных железных дорог. «Транспортное строительство», 2000, №3.

10. А. А. Орел, А. И. Шелест «Жесткие поперечины рамного типа». -«Транспортное строительство», 1989, №2

11. Под ред. к.т.н. А.П. Чучева. Методы расчета и конструкции устройств электрификации железных дорог. 1991.

12. А.А. Орел, А.И. Шелест. «Ригели жестких поперечин из аллюминирован-ного проката». «Транспортное строительство», 1989, №394.

13. А.И. Шелест. Исследование условий работы и методов расчета жестких поперечин контактной сети электрифицированных железных дорог/Диссертация на соискание ученой степени. М.:ЦНИИС, 1970

14. Отчет по теме Д-ЦНИИС-2-81, р.2.2. «Обобщение передового зарубежного опыта в области транспортного строительства. Электрификация железных дорог». М.: 1981г.

15. Железные дороги мира. № 3. М.: Транспорт 1993.

16. Японская государственная ЖД корпорация «Нормы проектирования и средства сооружений электрической ЖД (путевой линии электропоезда)».

17. Т.КОБАЯСИ (T.KOBAYASHI), Интегрированная контактная сеть. «Железные дороги мира», 1990, №12.

18. Экспресс-информация. Железнодорожный транспорт за рубежом. Серия III. Электрификация. Автоматика и связь. АСУ. Выпуск 2. М.: ЦИИИТЭИ МПС, 1993.

19. СТН ЦЭ 141-99. Департамент электрификации и электроснабжения Министерства путей сообщения Российской Федерации. Нормы проектирования контактной сети. М., «Трансиздат», 2001.176с.

20. СНиП 3.03.01 -87. Несущие и ограждающие конструкции.

21. Под. общ. ред. В.А. Балдина, В.И. Трофимова. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП П-23-81 *), М.: Центральный институт типового проектирования, 1989,150 с.

22. СНиП II-23-81 *. Стальные конструкции. Нормы проектирования.

23. Ц.Х. Надгериев. Методика расчета металлических конструкций опорныхб поддерживающих и фиксирующих устройств контактной сети. Научные труды ОАО ЦНИИС. Выпуск №223. М.: ЦНИИС, 2004.

24. СНиП 23-01 -99*. Строительная климатология.

25. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия.

26. СТН ЦЭ 12-00. Нормы по производству и приемке строительных и монтажных работ при электрификации железных дорог (устройства контактной сети). М.: Трансиздат, 2000,87с.

27. В.П. Шурыгин. Совершенствование конструкций контактной сети и методов их расчета. Раздел I Разработка технических указаний по проектированию и расчету конструкций контактной сети. М., ЦНИИС, 1967.

28. Отчет по теме Д-ЭД-1-73, р. 1.4. «Разработка рекомендаций по конструкциям и расчету жестких поперечин». М.: 1973.

29. А.В. Фрайфельд и др. Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети. М. .Транспорт, 1967,396с.

30. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети. ЦЭ-868. М.: Трансиздат, 2002,184с.

31. Под ред. Н.П. Мельникова. Металлические конструкции. Изд 2-е. М.: Стройиздат, 1980,776с.

32. Под общ. ред. Е.И. Беленя. Металлические конструкции. Учебник для вузов. Изд. 5-е. М.: Стройиздат,1976,600с.

33. А.А. Кудрявцев. Несущая способность опорных конструкций контактной сети. М.: Транспорт, 1988,160с.

34. А.А. Орел, В.И. Подольский. Железобетонные фундаменты и опоры контактной сети повышенной эксплуатационной надежности. М.: Транспортное строительство, № 2,1998.

35. А.А. Орел, Ю.С. Рягузов, А.И. Шелест, В.П. Шурыгин. Опорные конструкции контактной сети. Обзорная информация. М.: ЦНИИТС, 1977,38с.

36. Н.М. Беляев. Сопротивление материалов. Изд. 12-е. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.

37. В.Д. Райзер. Методы теории надежности в задачах нормирования расчетных параметров строительных конструкций. М.:Стройиздат, 1986,192 с.

38. Р.А. Карякин. Тенденции развития конструкций жестких поперечин электрифицированных железных дорог в России и за рубежом. Труды ОАО ЦНИИС. Выпуск №206, М.:, ЦНИИС, 2001.

39. Концепция модернизации устройств электроснабжения железных дорог. М.: ЦЭ МПС РФ. 1999,152с.

40. В.Е. Кудряшов, В.В. Мунькин. Основные технические требования к контактной сети для скоростей движения до 160 км/ч на переменном токе 25,0 кВ на перегоне (КС-160-25).- С.-Петербург. 1999, 7с.

41. Оптимальное проектирование металлоконструкций. По работам объединения Союзметаллостройниипроект. Строительная механика и расчет сооружений, 1974, №4

42. В.В. Трофимович, В.А. Пермяков. Оптимальное проектирование металлических конструкций. К.: Буд1вельник, 1981,136с.

43. Ю.И. Горошков, Н.А. Бондарев. Контактная сеть М.:Транспорт,1973, 384с.

44. А.А. Самарский, Е.С. Николаев. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978,592с.

45. А.А. Орел. Железобетонные опоры контактной сети и автоблокировки с новым видом армирования. М.: Труды ЦНИИС № 206,2001.

46. Н.А. Крылов, А.А. Воеводин, К.А. Глуховской, Д.П. Хлутков. Оптимизация расчетных параметров строительных конструкций. Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1989,112с.

47. Экспресс-информация. Железнодорожный транспорт. Электроснабжение железных дорог. Выпуск 1-2. М.: ЦНИИТЭИ, 1998.

48. Справочник по проектированию контактной сети электрических железных дорог. М.: Трансэлектропроект, 1958,120с.

49. Типовые узлы и детали контактной сети электрических железных дорог. Основные типовые решения 4.501-26. № 1087. М.: Трансэлектропроект, 1977,194с.

50. Методика механических испытаний жестких поперечин контактной сети. М.: ЦНИИС, 2004.

51. Под общ. ред. B.JI. Бурнпггейна. Экспериментальные исследования инженерных сооружений. М.: Труды ЦНИИС, 1978.

52. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике.

53. А.А. Цернант, А.П. Чучев, А.А. Орел. Ригели жестких поперечин для контактной сети железных дорог. ТУ 5264-845-01393674-04.

54. И.П. Исаев, А.В. Фрайфельд. Беседы об электрической железной дороге. М.: Транспорт, 1989,359с.

55. А.В. Фрайфельд, И.А. Марков, А.С. Бондарев. Устройство, сооружение и эксплуатация контактной сети и воздушных линий. М.: Транспорт, 1989, 462с.

56. Указания по техническому обслуживанию и ремонту опорных конструкций контактной сети. МПС РФ. М.: Трансиздат, 1996.

57. Технологические карты на работы по содержанию и ремонту устройств контактной сети электрифицированных железных дорог. Книга 1. Капитальный ремонт. М.: МПС РФ, 1997,526с.

58. Машины и механизмы, применяемые в хозяйстве электроснабжения железных дорог России. Каталог. Департамент электрификации и электроснабжения МПС РФ. М.: Транспорт, 2001, 48с.

59. ВСН 116-65. Технические указания по технологии производства строительных и монтажных работ при электрификации железных дорог (устройства электроснабжения). М.: Минтрансстрой СССР, 1966,352с.

60. A.M. Василянский, А.П. Чучев, В.И. Литовченко, А.Ф. Жиженков. Технология монтажных работ при реконструкции контактной сети постоянного тока по проекту КС-200. М.: Труды ЦНИИС выпуск № 206,2001.

61. Под обш. ред. Б.А. Бондаровича. Рекомендации по планированию эксперимента при решении задач транспортного строительства. М.: ЦНИИС, 1983.

62. ОСТ 32-43-95. Железнодорожная техника. Определение экономической эффективности противокоррозионной защиты. Введен указанием № А-820-у 17 октября 1995.