RU238055U1 - Железобетонная шпала - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к конструкции верхнего строения железнодорожного пути, может быть использована для восприятия и равномерной передачи нагрузки от подвижного состава через рельс и элементы промежуточных рельсовых скреплений на подшпальное основание, при этом обеспечивая, совместно с балластным слоем, стабильное положение железнодорожного пути в плане и профиле. Железобетонная шпала с упругой подшпальной прокладкой, интегрированной в бетон подошвы железобетонный шпалы при помощи монтажного слоя, выполнена в виде единой монолитной конструкции, элементы продольной предварительно напряженной арматуры выполнены в виде двух парных рядов прутков, расположенных симметрично с каждой стороны, относительно вертикальной оси поперечного сечения шпалы, по 6 прутков в каждом ряду, а на концевых участках шпалы выполнено дополнительное армирование в виде прямоугольных хомутов с закругленными углами, которые объединяют внешние прутки парных рядов продольной предварительно напряженной арматуры, с их внешней стороны. Обеспечивается повышение трещиностойкости железобетонной шпалы за счет одновременного использования упругой подшпальной прокладки и дополнительного армирования и, как следствие, повышение прочности железобетонной шпалы. 4 ил., 1 табл.

Description

Область техники

Полезная модель относится к конструкции верхнего строения железнодорожного пути, а именно к конструкции подрельсовой опоры - железобетонной шпале, конструкция которой содержит упругую подшпальную прокладку, которая предназначена для восприятия и равномерной передачи нагрузки от подвижного состава через рельс и элементы промежуточных рельсовых скреплений на подшпальное основание, при этом обеспечивая, совместно с балластным слоем, стабильное положение железнодорожного пути в плане и профиле.

Уровень техники

В уровне техники железобетонная шпала представляет собой балку конечной длины, которая лежит на упругом основании, испытывающую статические и динамические изгибающие нагрузки во время движения поездов, создающие растягивающие напряжения в бетоне и условия для образования продольных и поперечных трещин.

В частности, трещины в бетоне шпалы образуются под действием нагрузок от колеса подвижного состава в вертикальной и горизонтальной плоскости, нагрузок от сдвиговых усилий со стороны рельса в режимах тяги и торможения, в результате недостаточной площади контакта шпалы с балластом, а также в результате опирания шпалы на балласт только по краям, кроме того, в связи с недостаточной толщиной бетона со стороны подошвы или в верхней части шпалы.

Железобетонные шпалы изготавливаются из бетона, армированного металлическими или композитными прутками, стержнями, канатами. Бетон, из которого изготавливается шпала, обладает высокой прочностью на сжатие и низкой прочностью на растяжение. Ввиду последнего свойства бетона, он подвергается армированию предварительно напряженной арматурой, которая помогает создать в железобетонной конструкции сжимающие напряжения, тем самым сокращая растянутые зоны в конструкции шпалы при действии на нее нагрузки.

Подшпальные прокладки устанавливаются на подошву железобетонной шпалы и изготавливаются из упругого материала.

Данная характеристика помогает увеличить площадь контакта между подошвой шпалы и балластным слоем, за счет вдавливания щебня в поверхность подшпальной прокладки, позволяет поглощать и рассеивать деформирующие нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации шпалы, от воздействия подвижного состава за счет увеличения площади контакта между ними.

Кроме того, упругие свойства подшпальных прокладок позволяют распределить осевое давление на большее количество шпал, поскольку упругие свойства подкладок удлиняют линию прогиба рельса, и нагрузка от подвижного состава перераспределяется на большую площадь опирания через большее количество принимающих нагрузку шпал.

Таким образом, упругие подшпальные прокладки совместно с напрягаемой арматурой позволяют повысить равномерность передачи нагрузки от подвижного состава на шпалу и подшпальное основание, тем самым снижая трещинообразование в бетоне.

Так из уровня техники известны технические решения, в которых напрягаемая арматура железобетонных шпал используется совместно с упругой подшпальной прокладкой.

Из уровня техники известен источник информации RU 209419 U1, 16.03.2022, в котором раскрыта железобетонная шпала с упругой подшпальной прокладкой из эластомерного материала, выполненная единой монолитной конструкцией, в которой упругая прокладка имеет верхний соединительный слой и интегрирована в бетон шпалы этим соединительным слоем, причем размеры упругой прокладки соответствуют габаритным размерам подошвы конкретного типа железобетонной шпалы таким образом, что края прокладки отстают от ближайших краев шпалы на 10-20 мм.

Основными недостатками известной железобетонной шпалы является ее конструкция, которая имеет низкую трещиностойкость, обусловленную недостаточным армированием шпалы. Так в конструкции известной железобетонной шпалы используется только четыре стержня напрягаемой арматуры, такое количество напрягаемой арматуры недостаточно для равномерного распределения напряжений в бетоне шпалы как в продольном, так и в поперечном направлениях, неравномерность распределения напряжений приводит к образованию зон локальных перенапряжений, которые характеризуются повышенными значениями напряжений по сравнению с другими зонами напряжений шпалы. Локальное перенапряжение в таких зонах может привести к появлению трещин в бетоне шпалы, в средней и подрельсовой зонах, а также на концевых участках, под действием изгибающих моментов, возникших под действием нагрузок от колеса подвижного состава.

При этом стоит отметить, что на концевых участках шпал возникает наибольшее натяжение предварительно напряженной арматуры, в результате передачи которого на бетон, при одновременном динамическом воздействии подвижного состава, образуются зоны локальных очагов напряженно-деформированного состояния, которое приводит к образованию трещин на концевых участках шпалы.

О недостатках образования трещин на монолитных железобетонных конструкциях, шпалах известно, что они приводят к дальнейшему разрушению бетона и как следствие, коррозии арматуры, что снижает прочностные характеристики шпалы и ее долговечность.

Указанные недостатки вызваны в первую очередь недостаточным количеством напрягаемой продольной арматуры и недостаточным армированием концевых участках, которое приводит к образованию трещин в бетоне шпалы, несмотря на использование в данном техническом решении упругой подшпальной прокладки, о положительных аспектах которой указывалось выше, в частности, таких как обеспечение необходимой площади контакта между подошвой шпалы и балластным слоем.

Из уровня техники известен источник информации RU 225974 U1, 15.05.2024, в котором раскрыт железобетонный армированный брус с подшпальной прокладкой из эластомерного материала, выполненный единой монолитной конструкцией, в которой подшпальная прокладка имеет верхний соединительный слой из нетканого полиэфирного волокна и интегрирована в тело бруса этим соединительным слоем, при этом размеры подшпальной прокладки соответствуют габаритным размерам подошвы конкретного типа железобетонного бруса таким образом, что края прокладки отстают от ближайших торцевых частей бруса на 10-25 мм и от боковых поверхностей подошвы железобетонного бруса на расстояние, которое составляет от 10 мм до 20 мм. При этом используются четыре элемента продольного армирования (стрежни или проволока), как в предыдущем техническом решении.

Недостатками конструкции данного железобетонного бруса также, как и в предыдущем источнике информации является недостаточное армирование железобетонной шпалы, из-за недостаточного количества напрягаемой продольной арматуры и отсутствия элементов дополнительной арматуры, которое является причиной неравномерного распределение напряжений в бетоне шпалы и как следствия образования трещин в бетоне.

Из уровня техники известен источник информации RU 218771 U1,09.06.2023, в котором раскрыта конструкция железобетонной шпалы с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и подрельсовыми площадками, содержащая элементы продольной предварительно напряженной арматуры, полимерные дюбели, установленные в продольной вертикальной плоскости железобетонной шпалы на концах подрельсовых площадок и включающие установленные на них армирующие спирали, при этом верхний ряд арматуры расположен на расстоянии не менее 30 мм от верхней поверхности подрельсового основания, нижний ряд арматуры расположен на расстоянии не менее 35 мм от подошвы шпалы, крайние боковые элементы арматуры расположены в свету на расстоянии не менее 20 мм от боковых поверхностей шпалы, в подрельсовом сечении шпалы центр тяжести арматуры находится ниже центра тяжести указанного поперечного сечения на 6-10 мм, а в среднем сечении шпалы центр тяжести арматуры находится выше центра тяжести приведенного поперечного сечения на 3-8 мм. Причем в подошве шпалы при помощи верхнего соединительного (монтажного) слоя интегрирована подшпальная упругая прокладка, а элементы продольной предварительно напряженной арматуры выполнены в виде двух парных рядов стержней, расположенных симметрично с каждой стороны, относительно вертикальной оси поперечного сечения шпалы, а именно по 3 стержня в одном из парных рядов и от двух до трех стержней в другом из парных рядов предварительно напряженной арматуры.

К недостаткам известного технического решения, как и в предыдущих технических решениях, следует отнести недостаточное армирование шпалы, в том числе и на концевых участках железобетонной шпалы. Данные основания являются причиной образования трещин в бетоны шпалы, о негативном влиянии которых указывалось выше.

С учетом известного уровня техники, к его основным недостаткам следует отнести недостаточное армирование бетона железобетонных шпал, и в особенности их концевых участков, так как на них приходятся наибольшие значения напряжений как от напрягаемой арматуры, с одновременными динамическими напряжениями от воздействия колес при прохождении подвижного состава. В первую очередь недостаточное армирование связано с недостаточным количеством напрягаемой продольной арматуры используемой в конструкции известных железнодорожных шпал, а во вторых с отсутствием элементов дополнительного армирования на концевых участках, которые могли в равной степени распределить равномерно образующиеся напряжения по всей шпале при совместном использовании в таких известных технических решениях, упругой подшпальной прокладки, что приводит к образованию трещин, вследствие чего ухудшается прочность железобетонных шпал и также их долговечность использования.

Раскрытие сущности полезной модели

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение недостатков известного уровня техники, а именно с учетом выявленных недостатков известного уровня техники существует потребность в создании железобетонной шпалы, которая имела бы усиленное армирование, а также дополнительное армирование концевых участков с одновременным использованием в составе конструктивного выполнения шпалы упругой подшпальной прокладки.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в повышении трещиностойкости железобетонной шпалы за счет одновременного использования подшпальной прокладки и элементов дополнительного армирования.

Как следствие, также повышается общая прочность шпалы и ее долговечность, т.к. из-за образования трещин она снижается, поскольку трещины являются очагами выкрашивания бетона, образования лакун и коррозии арматуры.

Сущность технического решения заявляемой полезной модели заключается в том, что железобетонная шпала с упругой подшпальной прокладкой, выполненная в виде единой монолитной конструкции, с переменным по длине трапециевидным поперечным сечением, состоит из концевых участков, подрельсовых участков с подрельсовыми площадками и среднего участка, элементов продольной предварительно напряженной арматуры, которые выполнены в виде двух парных рядов прутков, расположенных симметрично с каждой стороны, относительно вертикальной оси поперечного сечения шпалы, закладных элементов промежуточных рельсовых скреплений, установленных в продольной вертикальной плоскости железобетонной шпалы в зоне подрельсовых площадок, упругой подшпальной прокладки, интегрированной в бетон подошвы железобетонной шпалы при помощи монтажного слоя, при этом на концевых участках шпалы выполнено дополнительное армирование в виде прямоугольных хомутов с закругленными углами, которые объединяют внешние прутки парных рядов продольной предварительно напряженной арматуры, с их внешней стороны, причем каждый ряд из парных рядов прутков продольной предварительно напряженной арматуры содержит по 6 прутков.

Новым в заявляемом техническом решении является конструктивное выполнение железобетонной шпалы, при котором в шпале одновременно используются подшпальная упругая прокладка, а также усиленное продольное армирование с элементами дополнительного армирования на концевых участках шпалы, которое выполнено (дополнительные элементы армирования) в виде прямоугольных хомутов с закругленными углами, которые объединяют внешние прутки двух парных рядов продольной предварительно напряженной арматуры, с их внешней стороны, при этом в качестве усиления продольного армирования используется 6 прутков в каждом из парных рядов.

Трещины в бетоне на концевых участках шпалы образуются за счет растягивающих напряжений, которые возникают в результате одновременной передачи на бетон максимальных усилий от предварительного натяжения продольной арматуры и динамического воздействия, возникающего от подвижного состава.

Кроме этого, также стоит отметить, что трещины в бетоне образуются не только от выше перечисленных факторов, но и от распределения нагрузок по телу шпалы, которое вызвано неравномерным опиранием шпалы на балластную призму, ввиду недостаточной площади их контакта друг с другом, что приводит к неравномерному распределению напряжения в бетоне шпалы.

Наличие в конструктивном выполнении заявляемого технического решения прямоугольных хомутов с закругленными углами, объединяющие внешние ряды прутков двух парных рядов продольной предварительно напряженной арматуры, с их внешней стороны совместно с упругой подшпальной прокладкой и увеличенным количеством прутков в рядах продольной предварительно напряженной арматуры, обеспечивают дополнительное восприятие изгибающих моментов, вызванных нагрузками, возникающими при проходе подвижного состава, что позволяет равномерно перераспределить растягивающие напряжения, как в поперечном сечении, так и в направлении продольной оси на концевых участках.

Вследствие таких конструктивных преобразований удалось в процессе эксплуатации снизить уровень напряжений в бетоне, используемого в монолитной конструкции заявляемой шпалы, что практически исключило возможность образования продольных трещин в концевых участках, а также поперечных и продольных трещин по длине шпалы тем самым увеличив прочность шпалы в целом, а также и повысив ее долговечность

Наличие закруглений по углам хомутов исключает образование трещин в бетоне в этих местах, а также разрыва арматуры в данных местах за счет исключения точек концентрации напряжений, возникающих при наличии резких изгибов арматуры, например под прямым углом.

Краткое описание чертежей

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеследующими описанием и прилагаемыми иллюстрациями, на которых показано:

На фигуре 1 представлен общий вид заявляемой железобетонной шпалы.

На фигуре 2 представлена взрыв-схема заявляемой железобетонной шпалы.

На фигуре 3 представлен вид заявляемой железобетонной шпалы с торца.

На фигуре 4 представлен общий вид хомута.

Осуществление полезной модели

На фигурах 1-4 представлена конструкция заявляемой железобетонной шпалы.

Железобетонная шпала (далее шпала) (1), с подшпальной упругой прокладкой (2), выполнена в виде единой монолитной конструкции с переменным по длине трапециевидным поперечным сечением и состоит из концевых участков (3), подрельсовых участков с подрельсовыми площадками (4) и среднего участка (5), элементов продольного предварительно напряженного и дополнительного армирования, как показано на фигуре 1.

На фигуре 2 представлена взрыв-схема заявляемой шпалы, на которой видно расположение подшпальной упругой прокладки (2), элементов продольной предварительно напряженной арматуры, которые выполнены в виде двух парных рядов прутков (6), закладных элементов (7) промежуточных рельсовых скреплений, и дополнительного армирования на концевых участках (3) шпалы (1) в виде прямоугольных хомутов (8) с закругленными углами, объединяющих внешние ряды двух парных рядов прутков (6) продольной предварительно напряженной арматуры, с их внешней стороны.

Закладные элементы (7) промежуточных рельсовых скреплений, установлены в продольной вертикальной плоскости шпалы в зоне подрельсовых площадок (4).

Прутки (6) предварительно напряженной арматуры расположены симметрично с каждой стороны, относительно вертикальной оси поперечного сечения шпалы (1), как показано на фигуре 3.

Прутки (6) продольной предварительно напряженной арматуры и прямоугольные хомуты (8) дополнительного поперечного армирования образуют арматурный каркас шпалы (1).

В предварительно напряженных конструкциях особое значение имеет конструирование концевых участков (3), здесь происходит передача значительных усилий обжатия с предварительно напряженной арматуры на бетон, что ведет к местным перенапряжениям в концевом участке (3), из-за чего могут образовываться трещины, раскрывающиеся по торцу и поверху на конце предварительно напряженного железобетонного элемента, в частности, шпалы (1).

Вследствие чего концевые участки (3) шпалы (1) усилены при помощи дополнительной поперечной арматуры, выполненной в виде прямоугольных хомутов (8) с закругленными углами, объединяющих внешние ряды двух парных рядов прутков (6) продольной предварительно напряженной арматуры, с их внешней стороны.

Кроме того, наличие закруглений по углам хомутов (8) исключает образование трещин в бетоне в этих местах, за счет исключения концентрации напряжений, возникающих при наличии резких изгибов арматуры.

Концы арматуры каждого хомута (8) выполнены внахлест, как показано на фигуре 4, что помогает при изготовлении шпалы гибко регулировать поле допуска ширины хомута за счет, которого и обеспечивается позиционирование хомута (8) на напрягаемой арматуре (6) в концевых участках шпалы.

Количество хомутов на каждом из концов шпалы может варьироваться в зависимости от необходимости достижения требуемых показателей трещиностойкости и прочности

На фигуре 3 показано расположение и количество элементов продольной предварительно напряженной арматуры, которые выполнены в виде двух парных рядов прутков (6), расположенных симметрично с каждой стороны, относительно вертикальной оси поперечного сечения шпалы (1) по шесть прутков в каждом из парных рядов, а также расположение упругой подшпальной прокладки (2).

Увеличение количества рядов прутков (6) продольной напрягаемой арматуры совместно с хомутами (8) и упругой подшпальной прокладкой (2) позволит повысить сопротивление шпалы (1) изгибающим моментам и, равномерно распределить напряжения от воздействия подвижного состава на каждом из нагруженных участков шпалы, тем самым увеличить ее трещиностойкость, а следовательно, прочность всей шпалы.

Необходимое количество прутков в каждом ряду, при котором обеспечивается повышение трещиностойкости, было установлено эмпирическим путем, для чего были проведены испытания шпалы на определение ее трещиностойкости, которые проводились в соответствии с ГОСТ 33320.

В соответствии с пунктом 6.2.3 ГОСТ 33320 для испытания на трещиностойкость от каждой партии шпал отбирают произвольно контрольные шпалы не менее 3 шт. Партию принимают по трещиностойкости и относят к первому или второму сорту, если при испытании все шпалы выдержали контрольные нагрузки, для подрельсового и среднего сечений, то шпалу считают выдержавшей испытание на трещиностойкость, если при условии, что при контрольных нагрузках не обнаружены видимые трещины в подрельсовых и среднем сечениях.

За видимую принимают поперечную трещину в бетоне длиной более 30 мм от кромки шпалы по боковой поверхности и раскрытием у основания более 0,05 мм.

Согласно пункту 7.14 ГОСТ 33320 шпалу испытывают в подрельсовых и среднем сечениях путем приложения статической нагрузки на прессе.

В ходе проведения испытаний были получены результаты, которые приведены в таблице 1.

Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что в шпалах с количеством прутков менее 6 в каждом ряду образуются трещины от испытательной нагрузки, не превышающей контрольные. При количестве прутков, равном 6, в каждом из парных рядов испытательная нагрузка, при которой появляются трещины, превышает контрольные и в результате обеспечивается требуемое сопротивление изгибающим моментам.

Стоит отметить, что при количестве прутков более 6 и заданных габаритных параметрах шпалы не будет обеспечиваться необходимая толщина бетона для формирования защитного слоя бетона, который располагается от верхних и нижних рядов прутков до верхней и нижней поверхностей шпалы соответственно.

Также стоит отметить и про то, что упругая подшпальная прокладка совместно с каркасом шпалы позволяет снизить трещинообразование в бетоне шпалы посредством равномерной передачи нагрузки от подвижного состава на подшпальное основание.

Упругая подшпальная прокладка одновременно снижает силы, действующие на шпалу в вертикальной плоскости, при движении поезда за счет уменьшения жесткости подшпального основания (см., например, Каплин В.Н., Текущее содержание пути в зоне рельсовых стыков на особо грузонапряженных линиях с применением упругих подшпальных прокладок, автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2022, https://www.miit.ru/content/0/oD00/o900/oD00/oB20/oDl0/o820/oD00/oBE0/oDl%800/o D0%B5%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82_%D0%9A%D0%B0%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D0%BD%20%D0%92.%D0%9D.pdf?id_wm=904612&ysclid=m8ofsvh0nm220905267), [Найдено 24.03.2025].

Подшпальная упругая прокладка (2), интегрирована в бетон подошвы шпалы (1) при помощи монтажного слоя, что позволяет, с одной стороны, обеспечить необходимую адгезию подшпальной упругой прокладки и бетона шпалы, выполнив при этом требования к толщине защитного слоя бетона, а с другой - создает дополнительный внешний упругий слой, который контактирует с поверхностью подшпального основания (балластный слой), увеличивая площадь контакта между подошвой шпалы и балластным слоем, за счет вдавливания щебня в поверхность упругой подшпальной прокладки, снижая контактные напряжения в бетоне, тем самым снижая образование в нем трещин.

Подшпальная упругая прокладка (2), состоящая из рабочего и монтажного слоев, выполнена из эластомерного материала.

Жесткость упругой подшпальной прокладки выбирается исходя из конструкции железнодорожного пути по результатам расчетов.

Таким образом, продольная и поперечная арматура совместно с упругой подшпальной прокладкой повышает сопротивление шпалы изгибающим моментам, и обеспечивает возможность равномерного распределения напряжения от воздействия подвижного состава на каждом из нагруженных участков шпал и тем самым увеличивает трещиностойкость, а следовательно, прочность всей шпалы.

Железнодорожная шпала с упругой подшпальной прокладкой изготавливается следующим образом.

В процессе производства заявляемой шпалы арматурный каркас из прутков (6) и хомутов (8), представленный на фигуре 2 в виде взрыв-схемы, собирается в металлической форме (не показана), которая обеспечивает необходимую геометрию железобетонной шпалы.

На следующем этапе производства обеспечивается предварительное натяжение продольной арматуры в виде прутков (6), после чего происходит укладка бетонной смеси в металлическую форму.

После укладки бетонной смеси, до ее застывания, приступают к монтажу упругой подшпальной прокладки (2) на подошву шпалы (1). Данный процесс выполняется при помощи вибрации, которая обеспечивает внедрение монтажного слоя упругой подшпальной прокладки (2) в бетон шпалы (1).

Далее металлическую форму отправляют в камеру, которая обеспечивает ускоренное твердение бетона. После того, как бетон набрал прочность, металлическую форму достают из камеры и извлекают из нее шпалу с интегрированной упругой подшпальной прокладкой, готовую к использованию.

Таким образом, заявляемая полезная модель, обеспечивает возможность повышения трещиностойкости шпалы, за счет одновременного использования подшпальной прокладки и дополнительного армирования.

Claims (1)

1. Железобетонная шпала с упругой подшпальной прокладкой, выполненная в виде единой монолитной конструкции, с переменным по длине трапециевидным поперечным сечением, состоящая из концевых участков, подрельсовых участков с подрельсовыми площадками и среднего участка, элементов продольной предварительно напряженной арматуры, которые выполнены в виде двух парных рядов прутков, расположенных симметрично с каждой стороны, относительно вертикальной оси поперечного сечения шпалы, закладных элементов промежуточных рельсовых скреплений, установленных в продольной вертикальной плоскости железобетонной шпалы в зоне подрельсовых площадок, упругой подшпальной прокладки, интегрированной в бетон подошвы железобетонный шпалы при помощи монтажного слоя, отличающаяся тем, что на концевых участках шпалы выполнено дополнительное армирование в виде прямоугольных хомутов с закруглёнными углами, которые объединяют внешние прутки парных рядов продольной предварительно напряженной арматуры, с их внешней стороны, причем каждый ряд из парных рядов прутков продольной предварительно напряженной арматуры содержит по 6 прутков.