автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Совершенствование проектирования мостов с учетом их взаимодействия с бесстыковым путем



-2-7 / $$ - ¿Г / 4 Га

а

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

СМИРНОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОСТОВ С УЧЕТОМ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С БЕССТЫКОВЫМ ПУТЕМ (ПРИМЕНИТЕЛЬНО К МОСТАМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ)

Специальность 05.23.15 - Мосты и транспортные тоннели

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук ^

Санкт-Петербург 1997

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ....................... 6

1. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ И ЗАРУБЕЖНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДОЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ И БЕССТЫКОВГО ПУТИ.......................И

1.1. Особенности работы железнодорожных мостов на продольные воздействия ............. 11

1.2. Отечественный опыт укладки бесстыкового пути

на мостах....................13

1.3. Бесстыковой путь на мостах зарубежных высокоскоростных магистралей...............24

1.4. Требования, предъявляемые к искусственным сооружениям отечественных ВСМ .......... 32

1.5. Постановка задачи исследования ......... 37

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИСТЕМЫ "МОСТ С ЕЗДОЙ НА

БАЛЛАСТЕ-БЕССТЫКОВОЙ ПУТЬ" НА ТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ПРОДОЛЬНЫЕ ПОЕЗДНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ..............43

2.1. Исходные предпосылки .............. 43

2.2. Метод определения перемещений и усилий в системе "мост с ездой на балласте - бесстыковой путь" при температурных и статических поездных воздействиях .................. 53

2.3. Определение жесткостных характеристик связей между рельсами бесстыковго пути и пролетными строениями моста ................ 70

2.4. Расчет прочности и устойчивости бесстыкового пути

на мосту с ездой на балласте..........80

2.5. Методология расчета балочных мостов с бесстыковым путем на температурные и продольные

поездные воздействия .............. 105

Выводы по главе 2................110

3. АНАЛИЗ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ И МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ С ЕЗДОЙ НА БАЛЛАСТЕ ПРИ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ .............. 114

3.1. Зарубежный и отечественный опыт проектирования и строительства эстакад, виадуков, путепроводов и мостов с ездой поверху на высокоскоростных железнодорожных магистралях.............114

3.2. Исследование взаимодействия бесстыкового пути и мостовых сооружений с ездой поверху отечественной и зарубежной проектировки при продольных воздействиях .................. 125

3.3. Особенности совместной работы бесстыкового пути

и мостов с ездой понизу на балласте ....... 184

3.4. Влияние параметров системы "мост-бесстыковой

путь" на усилия в ее элементах.........192

3.5. Экспериментальные исследования работы мостов с бесстыковым путем на продольные воздействия . . . 213 Выводы по главе 3................222

4. ОСОБЕННОСТИ ПРОДОЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ И МОСТОВ С БЕЗБАЛЛАСТНЫМ (ПЛИТНЫМ) МОСТОВЫМ ПОЛОТНОМ.....................229

4.1. Безбалластные конструкции верхнего строения

пути на земляном полотне и на мостах......229

4.2. Статический расчет системы "мост с безбалластным

(плитным) мостовым полотном-бесстыковой путь" на

продольные воздействия ..........................238

Выводы по главе 4................249

5. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ УСИЛИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ СИСТЕМЫ "МОСТ-БЕССТЫКОВОЙ ПУТЬ" ..........251

5.1. Уравнительные приборы и уравнительные рельсы . . 255

5.2. Подвижно-неподвижное и неподвижно-подвижное опирание балок пролетных строений ................258

5.3. Изменение жесткости связей между рельсами бесстыкового пути и основанием ..................259

5.4. Устройство тормозных поясов ......................263

5.5. Специальная проезжая часть пролетного строения . 268

5.6. Специальное мостовое полотно ....................269

5.7. Уменьшение температурного пролета ................274

5.8. Использование демпферов ..........................276

5.9. Объединение разрезных пролетных строений в

цепочки.....................276

Выводы по главе 5................280

6. АНАЛИЗ РАБОТЫ ОПОР МОСТОВ ВСМ НА ПРОДОЛЬНЫЕ СИЛЫ. . 283

6.1. Конструкции современных мостовых опор отечественной проектировки для ВСМ...........284

6.2. Особенности работы и расчет на продольные силы

опор балочных мостов с бесстыковым путем .... 290

6.3. Динамическая работа опор мостов на горизонтальные продольные воздействия поездной нагрузки .... 300

6.4. Разработка предложений по нормированию горизонтальной продольной жесткости промежуточных опор мостов ВСМ...................346

Выводы по главе 6 . . . ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .....

369

364

ПРИЛОЖЕНИЯ: 1.

2.

3.

4.

5.

Определение допустимых нормальных напряжений и осевых усилий в рельсах бесстыкового пути на мостах с ездой на балласте по условию прочности рельсов при проходе временной подвижной нагрузки СК 386 Определение допустимых нормальных напряжений и осевых усилий в рельсах бесстыкового пути на мостах с ездой на балласте по условию прочности рельсов при следовании временной подвижной нагрузки

ВСМ-ЭПС................404

Определение допустимых сжимающих напряжений и продольных усилий в рельсах бесстыкового пути на мостах с ездой на балласте по условию устойчивости пути . 408 Определение потенциальной энергии деформации и кинетической энергии колебаний моста в его плоскости при учете работы мостового полотна ........ 412

Формирование матрицы коэффициентов сопротивления для мостового сооружения при

плоских колебаниях системы ...... 432

Формирование столбца обобщенных сил трения в подвижных опорных частях балок пролетных строений моста ....... 440

ВВЕДЕНИЕ

17 июня 1992 года президентом России подписан Указ N756 "О строительстве высокоскоростной железнодорожной магистрали Санкт-Петербург-Москва". Строительство линии начато 30 июля 1993 г. (забита первая свая на мосту через р.Кузьминку под С.-Петербургом) . 21 октября 1994 г. состоялся пуск завода по изготовлению высокоскоростного подвижного состава в г.Тихвине. Строительство ВСМ осуществляется Российским акционерным обществом "Высокоскоростные магистрали" (РАО ВСМ) с привлечением таких инвесторов, как мэрии Москвы и С.-Петербурга, руководство Ленинградской области, ряд промышленных предприятий-акционеров. Кроме того, в работе принимают участие французские специалисты по транспортному строительству. Высокоскоростная магистраль оценивается в 2.7 млрд. долларов. Финансирование строительства планируется путем эмиссии акций и привлечения кредитов.

Обоснованием необходимости строительства ВСМ может являться то обстоятельство, что главный путь Октябрьской ж.д. линии С.-Петербург-Москва построен в 1837 году. В настоящее время он постоянно реконструируется в связи с большой перегруженностью. Пропускная способность магистрали фактически исчерпана. Учитывая необходимость пропуска как пассажирских, так и грузовых, пригородных и местных поездов, скорость движения на действующей линии выше 200 км/ч реализовать невозможно. Предпринятые в указанном направлении попытки с использованием пассажирского экспресса ЭР-200, развивающего такую скорость, показали это со всей очевидностью. Наиболее целесообразным решением проблемы в этих условиях представляется строительство новой высокоскоростной пас-

сажирской магистрали (ВСМ) с коммерческой скоростью движения экспрессов до 250-300 км/ч.

В развитых странах мира ВСМ стали обычным явлением: в Японии - родоначальнице ВСМ - высокоскоростные линии эксплуатируются около 30 лет, во Франции уложено около 1200 км высокоскоростных железных дорог (ВСЖД), - например, линии Париж-Лион, Париж-Атлантика, Париж-Лондон, - при этом максимальная скорость движения в 1990 г. составила 515.3 км/ч. В других европейских странах (Германии, Италии, Испании, Австрии, Голландии, Швеции) большинство линий (более 5000 км) также к 2000 году будут представлять собой ВСЖД.

Характерным для ВСМ является значительное количество искусственных сооружений: в Италии по протяженности они составляют 12% общей длины линий, в Германии - 20%, в Японии практически вся трасса ВСМ проходит по искусственным сооружениям (50% общей протяженности ВСМ составляют эстакады, 30% - тоннели, 15% - мосты) .

На ВСМ Санкт-Петербург-Москва по данным ТЭО, законченных в 1991 г., предполагается, что от общей длины линии 645 км примерно 25 км (4%) будут составлять мосты. Эстакады взамен насыпей предполагается устраивать при высоте последних, превышающей 11 м (участки с такими насыпями составляют около 2-3% общей длины трассы). Кроме того, эстакады будут устраиваться при проходе линии по сильно заторфованным участкам во избежание больших объемов работ, связанных с выторфовкой грунта. Протяженность таких участков составит предположительно 3-4% от общей длины трассы. Таким образом, можно ожидать, что протяженность эстакад ВСМ может составлять до 7% от длины магистрали, т.е. порядка 50 км.

Следует отметить, что в настоящее время в МПС в связи с высокой стоимостью ВСМ обсуждается вопрос и о проведении поэтапной модернизации и реконструкции существующей линии Санкт-Петербург-Москва с целью возможности обращения пассажирских поездов со скоростью до 200 км/ч, а в перспективе - и с более высокими скоростями.

Независимо от того, какое решение будет реализовано (новая ВСМ или реконструкция действующей линии), следует учитывать, что специфика скоростного и высокоскоростного движения требует применения мощного верхнего строения пути и бесстыковых рельсовых плетей большой длины, укладываемых и на мостовых сооружениях.

Применение бесстыкового пути на мостах с ездой на балласте и на безбалластном мостовом полотне обусловливает при температурном и поездных продольных воздействиях работу сооружения как единой системы "мост-бесстыковой путь" (МБП), элементы которой взаимодействуют между собой, результатом чего является перераспределение усилий по сравнению с работой сооружения при звеньевом пути. В рельсах мостового полотна, опорах и пролетных строениях моста могут возникать значительные дополнительные усилия, величина которых определяется в зависимости как от величины и характера внешних воздействий, так и от параметров взаимодействующих элементов и связей между ними. Между тем, отечественных исследований и опыта устройства бесстыкового пути на мостах большой длины с ездой на балласте (равно как и на безбалластном плитном мостовом полотне) в настоящее время практически нет.

Действующие отечественные нормы проектирования мостов (СНиП 2.05.03-84) не учитывают взаимодействия бесстыкового пути и мостов и обусловленных этим дополнительных усилий в элементах сис-

темы МБП. Указанные нормы вообще не распространяются на проектирование мостов ВСМ.

Зарубежные нормативные материалы базируются на упрощенной одномерной расчетной схеме сооружения, что не позволяет с необходимой полнотой исследовать взаимодействие элементов системы МБП при температурных и поездных воздействиях (например, в случае мостов больших пролетов для получения невыгоднейших результатов требуется загружение сооружения не только продольной, но и вертикальной нагрузкой). В работах, посвященных анализу работы мостовых сооружений ВСМ на горизонтальные силы, не оценивается динамическая реакция моста на продольные поездные воздействия, что необходимо для сооружений с немассивными опорами, характерных для высокоскоростных магистралей.

В зарубежных исследованиях не учитывается также наличие возникающих при загружении моста поездной нагрузкой переломов продольного профиля проезда, приводящих к дополнительным усилиям в рельсах мостового полотна над опорами. Не учитываются, естественно, и климатические особенности нашей страны, требующие анализа поведения системы МБП в отечественных экстремальных температурных условиях, существенно отличающихся от зарубежных и требующих принятия специальных мер для обеспечения надежной и безопасной работы сооружения в условиях эксплуатации.

Таким образом, можно констатировать, что в настоящее время практически отсутствует нормативная база для проектирования мостовых сооружений отечественных ВСМ.

В диссертации решается научная проблема, имеющая важное значение для транспортного строительства и заключающаяся в разработке обоснованных методов проектирования железнодорожных мое-

" тов.. с учетом совместной работы искусственного сооружения и бесстыкового пути при температурных и поездных воздействиях.

На защиту выносятся:

1. Модель взаимодействия и методы статического и динамического расчета мостового сооружения как системы МБП на температурные и продольные поездные воздействия.

* 2. Результаты анализа совместной работы бесстыкового пути и мостов балочной (разрезной и неразрезной) и рамной систем с ездой на балластном и безбалластном мостовом полотне при действии температурных и продольных поездных нагрузок.

с

3. Конструктивные решения, обеспечивающие снижение уровня напряженного состояния взаимодействующих элементов системы МБП.

4. Результаты анализа работы опор балочных мостов ВСМ и предложения по нормированию их жесткости в направлении вдоль оси пути.

1. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ И ЗАРУБЕЖНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДОЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ И БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

1.1. Особенности работы железнодорожных мостов на продольные воздействия

В последние десятилетия в практике научных исследований работы мостов получил распространение подход, по которому сооружение рассматривается как единая система взаимодействующих элементов.

Использование такого подхода применительно к изучению динамического взаимодействия системы "мост-поезд" при загружении пролетных строений моста и пути на подходах к мосту временной вертикальной нагрузкой связано с работами Н.Г.Бондаря [15], Ю.Г.Козьмина [15, 95], А.В.Носарева [146], В.Ю.Полякова [145, 146], З.Г. Ройтбурда, В.П.Тарасенко [15], Л.Фрыбы [112].

Взаимодействию пути на земляном полотне и подвижного состава, представляющему собой особую область исследований, посвящены труды М.Ф.Вериго [2], Е.П.Дудкина [10], А.Я.Когана [2, 14], М.П.Смирнова [4, 6], Г.М.Шахунянца [1, 8], В.Ф.Яковлева [150] и других специалистов.

Рассмотрение сооружения как единой системы предполагает необходимость анализа не только работы пролетных строений, но и опор. Совместные колебания опор и пролетных строений виадуков и временных мостов поперек оси пути изучали В.Г.Галушко [152], Г.К.Гольст [151], В.С.Усольцев и К.К.Якбсон [153], Г.Н.Яковлев [152]. Работа мостов на динамические силы, действующие вдоль моста, исследовалась Н.Г.Бондарем [116], А.С.Дмитриевым [63],

И.И.Лесюком [97], Ю. В. Словинским, А.М.Уздиным, М.А.Шварцем [109], К.Каллари [148], Г.Гото, К.Канета [147] и др. Однако в данных исследованиях путь на мосту не учитывался.

Совместная работа звеньевого пути и мостовых сооружений с балластным и безбалластным мостовым полотном с использованием численных и натурных экспериментов (проводимых чаще в виде тормозных испытаний) изучалась в работах В. Г. Андреева [42, 43], Н.А.Беляева [136], Г.К.Глыбиной [42, 43], А.Г.Доильницына [40], А. В. Индейкина [149], И.И.Казея [44], В.П.Польевко [39, 44], А.Дигест [41], Е.Рабле [154] и других специалистов.

В шестидесятых годах текущего столетия было замечено, что при действии продольных сил, возникающих вследствие торможения подвижного состава, железнодорожный мост работает как единая система. В результате тормозных испытаний нескольких железнодорожных мостов с облегченными опорами ЦНИИСом (ВНИИ транспортного строительства) было выявлено [39], что при небольших длинах моста большая часть тормозной нагрузки воспринимается рельсами и передается ими на подходы, благодаря чему промежуточные опоры разгружаются. С увеличением длины моста разгружающее влияние рельсов меньше, особенно для опор средней части сооружения. Было замечено, что наибольшие тормозные силы возникали в момент остановки поезда. Испытаниями в 1966-67 гг. двух железнодорожных эстакад с металлическими опорами и балками пролетом от 12 до 19 м НИИ мостов ЛИИЖТа установлено, что рельсы мостового полотна воспринимали до 40% полного тормозного усилия [40].

При тормозных испытаниях в 1964 г. в США железнодорожной эстакады длиной 201.3 м, состоящей из 20 сборных железобетонных пролетных строений, и опор, каждая из которых состоит из трех

цилиндрических железобетонных стоек диаметром 61 см, жестко опирающихся на фундаменты, установлено, что промежуточные опоры воспринимали от 41 до 56% общей тормозной силы, рельсы мостового полотна - от 20 до 46%, а пролетные строения - от 5 до 30%. Максимальное продольное усилие от торможения составило 12% от веса подвижной нагрузки.

Проведенные в последующем эксперименты на реальных объектах [42, 43, 443 также показали, что рельсовый путь на мосту активно участвует в перераспределении продольной силы между опорами моста, в ряде случаев существенно разгружая опоры. Существовавшие нормы на проектирование мостов [45] не учитывали этого обстоятельства, полагая приложение продольных сил лишь к опорам, непосредственно примыкающим к загружаемому пролету. Таким образом,

9

хотя было установлено, что неучет пути на мосту при продольных ( воздействиях не отражает фактической работы сооружения, в нормы, в том числе и в СНиП 2.05.03-84 [11], не вошла рекомендация учитывать верхнее строение пути при расчете