Результат интеллектуальной деятельности: Композиционная плита для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста

Изобретение относится к мостостроительным сооружениям, в частности, к композиционным плитам, используемыми в системе безбалластного мостового полотна при прокладке рельсового пути на пролетных строениях железнодорожных мостов.

Традиционно плиты для системы безбалластного мостового полотна (БМП) железнодорожного моста изготавливаются из таких конструкционных материалов, как портландцемент, предпочтительно, марки 500 (ГОСТ 10178) и наполнители: щебень, гравий, песок, а также вода для затвердевания бетонной смеси, высокопрочная проволока и арматура периодического профиля для армирования плит БМП.

Железобетонные конструкции известных плит для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста в соответствии с технологией их изготовления имеют форму параллелепипеда с прямоугольными основаниями, в котором выполнены штатные технологические овальные отверстия для крепления плиты к балкам пролетного строения мостового сооружения, два ряда опорных площадок на верхней рабочей поверхности под рельсовые металлические подкладки.

Железобетонные плиты безбалластного мостового полотна (далее - плиты БМП) под железную дорогу нормальной колеи укладывают:

на мостах с ездой поверху и понизу при заданных расстояниях между главными или продольными балками;

на мостах, расположенных на прямых участках пути с уклоном 8% и менее, в районах с расчетной сейсмичностью не более 7 баллов;

на вновь строящихся и на эксплуатируемых мостах в строительно-климатической зоне с умеренными, суровыми и особо суровыми условиями;

на железнодорожных линиях со скоростями движения пассажирских поездов, предпочтительно, не более 140 км/ч, грузовых поездов - не более 90 км/ч.

Плиты в соответствии с рекомендуемыми требованиями для данных условий имеют ширину поперек оси железнодорожного пути, предпочтительно, 320 (см), длину в направлении продольной оси пути не более 200 (см), высоту (расстояние по вертикали от плоскости опирания плиты на прокладной слой балок пролетного строения до центра подрельсовой опорной площадки - 170 (мм), масса одного метра плиты вдоль оси пути более одной тонны (ориентировочно 1290 (кг)), (см. Инструкцию по применению и проектированию безбалластного мостового полотна на железобетонных плитах на металлических пролетных строениях железнодорожных мостов», Москва, «Транспорт» 1995 г., утверж. Министерство путей сообщения Российской Федерации, Главное управление пути; ГОСТ Р 52751-2007).

В качестве примеров железобетонных конструкций известных плит для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста можно привести технические решения по патентам: SU №1183597, публ. 1985 г., SU №1229249, публ. 1986 г., RU №2263737, публ. 2005 г..

Железобетонные плиты для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста имеют низкую эксплуатационную надежность вследствие низкой прочности бетона на растяжение в зонах проектного опирания нижней рабочей поверхности плиты на балки пролетного строения и из-за технологической сложности заглаживания поверхности бетона в этих зонах, что снижает надежность прилегания плиты к прокладному слою балок пролетного строения.

При данных обстоятельствах сокращаются сроки по реконструкции безбалластного мостового полотна железнодорожного моста, а вследствие значительной массы плиты усложняется процесс монтажных и демонтажных работ на технологически заданном участке железнодорожного моста и особенно в районах с особо суровыми климатическими условиями, а также при эксплуатации мостов с технологически ограниченными возможностями по грузоподъемности.

С учетом указанных обстоятельств в Технических указаниях по устройству и конструкции мостового полотна на мостах ОАО «РЖД» (см. Распоряжение ОАО «РЖД», 12 октября 2011 г., No2195p) приведены дополнительные требования к устройству мостового полотна, в соответствии с которыми при проектировании и строительстве новых и реконструкции существующих металлических мостов предусматриваться укладка, как правило, мостового полотна с использованием безбалластных железобетонных плит, а при соответствующем технико-экономическом обосновании, технических расчетов по определению грузоподъемности мостовых сооружений допускается использование деревянных поперечин (шпал, обработанных антисептиками) для формирования мостового полотна.

Однако деревянные шпалы имеют ограниченный срок эксплуатации, который зависит от качества обработки древесины, используемых антисептиков и технологии пропитки, при этом ускоряется процесс загнивания древесных шпал, износ древесины под прокладками и в предусмотренных в них технологических отверстиях для средств крепления к балкам пролетного строения мостового сооружения и металлических рельсовых подкладок.

Вместе с тем, в настоящее время в различных отраслях техники и промышленности находят более широкое применение конструкционные изделия на основе композиционных материалов (ПКМ), эксплуатационные свойства которых выгодно отличают их от изделий на основе традиционных материалов, в том числе, по прочности, износостойкости, весовым параметрам и др. характеристикам. Конструкционные изделия из ПКМ, как правило, выполняются многослойными с использованием определенного количества армирующих материалов, предпочтительно, на основе стеклоткани, стекломата, углеродной ткани, полиамидной ткани, полиэфирной ткани, волокон на их основе или гибридных армирующих материалов, и полимерного связующего.

При проектировании крупногабаритных композиционных конструкционных изделий, к которым относятся, в том числе, силовые балки мостовых сооружений, плиты проезжей части моста, непосредственно воспринимающие нагрузки от транспортных средств различного назначения, конструктивных элементов мостового сооружения и передающих их несущим конструкциям пролетного строения, используют наполнитель для образования среднего слоя крупногабаритного изделия и охватывающую средний слой внешнюю композитную оболочку на основе стеклопластика (см. патенты RU №2600138, публ. 20.10.2016 г., №2620805, публ. 20.05.2017 г.).

Композиционная плита по патенту RU №2620805 выполнена в виде параллелепипеда с прямоугольными основаниями, имеющего средний слой и охватывающую средний слой внешнюю композитную оболочку на основе стеклопластика с образуемыми на ней противолежащими со стороны оснований параллелепипеда рабочими поверхностями, средний слой выполнен из группы параллельных относительно друг друга продольно-ориентированных армированных стеклопластиковым покрытием наполнителей, с образованием между смежными наполнителями в направлении их продольных осей ребер жесткости из стеклопластика, соединяемых с внутренними поверхностями внешней оболочки.

Техническое решение по патенту №2620805 выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемой полезной модели.

В соответствии с данным техническим решением, изготовленная по описанному технологическому процессу, композиционная плита испытана при трехточечном силовом нагружении с максимальной нагрузкой, превышающей расчетную в режиме использования плит на стабилизированных поверхностях дорог. Данные испытания свидетельствуют о надежности к силовым статическим нагрузкам исследуемых плит в системе стабилизированного дорожного полотна.

Однако при эксплуатации плит в системе безбалластного мостового полотна железнодорожного моста действие статических и динамических силовых нагрузок характеризуется четырехточечным изгибом, при котором увеличиваются напряжения сжатия на наружной верхней рабочей поверхности оболочки в зоне между рельсовыми металлическими подкладками, и напряжения растяжения с противолежащей стороны оболочки, опирающейся на балки пролетного строения моста, что может привести к расслоению композитного материала оболочки, к увеличению силовых нагрузок на средний слой плиты, а следовательно к ухудшению эксплуатационной надежности плиты в целом.

Для повышения прочности композиционной плиты к силовым нагрузкам прогиба при выполнении среднего слоя используют армированные стеклотканью наполнители, предпочтительно, на основе LVL-брусьев из клееного шпона, весовые характеристики которых увеличивают массу плиты и усложняют технологический процесс монтажных и демонтажных работ на заданном участке железнодорожного моста.

Технический результат настоящего изобретения состоял в повышении эксплуатационной надежности при снижении массы композиционных плит, предназначенных для систем безбалластного мостового полотна железнодорожного моста.

Для решения поставленного технического результата предлагается композиционная плита для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста, выполненная по форме параллелепипеда с прямоугольными основаниями, имеющего средний слой и охватывающую средний слой внешнюю композитную оболочку на основе стеклопластика с образуемыми на ней противолежащими со стороны оснований параллелепипеда рабочими поверхностями, средний слой выполнен из группы параллельных относительно друг друга продольно-ориентированных армированных стеклопластиковым покрытием наполнителей, с образованием между смежными наполнителями в направлении их продольных осей ребер жесткости из стеклопластика, соединяемых с внутренними поверхностями внешней оболочки, согласно изобретения, плита для безбалластного мостового полотна по обе стороны относительно вертикальной плоскости симметрии, поперечно ориентированной к продольным осям наполнителей среднего слоя, имеет параллельно ориентированные ряды отверстий для средств крепления на одной из рабочих поверхностей плиты рельсовых металлических подкладок и овальные отверстия со стенками армированными стеклопластиком для размещения в них средств крепления плиты к балкам пролетного строения железнодорожного моста, толщина «h» внешней оболочки плиты со стороны рабочей поверхности, предназначенной для размещения рельсовых металлических подкладок, превышает толщину «h₁» внешней оболочки плиты со стороны противолежащей рабочей поверхности, взаимодействующей с балками пролетного строения моста.

Согласно изобретению, внешняя композитная оболочка плиты со стороны размещения на ее рабочей поверхности рельсовых металлических подкладок имеет толщину, при которой h=(0,10-0,15)H, а внешняя оболочка плиты со стороны ее рабочей поверхности, взаимодействующей с балками пролетного строения моста, имеет толщину, при которой h₁=(0,030-0,1)H, где Н - технологическая высота плиты между указанными рабочими поверхностями внешней оболочки соответствует 170 (мм).

Согласно изобретению, что в качестве наполнителей используют LVL-брусья из клееного шпона.

Согласно изобретению, что в качестве наполнителей используют LVL-брусья из клееного шпона, каждый их которых имеет вставки из пенопласта, которые расположены на противолежащих концевых участках наполнителя за зоной взаимодействия рабочей поверхности плиты с балками пролетного строения моста и в центральной его зоне, параметры которой в направлении продольной оси наполнителя меньше расстояния между выполненными в плите и примыкающих к данной зоне крайними рядами отверстий для средств крепления рельсовых металлических подкладок.

Согласно изобретению, вставки из пенопласта в каждом наполнителе размещены в поперечно -ориентированных к его продольной оси выемках-пазах, открытых в направлении к рабочей поверхности плиты взаимодействующей с балкам пролетного строения моста, и имеющих высоту не превышающую толщины наполнителя.

Согласно изобретению, в качестве пенопласта используют пенополиуретан.

Согласно изобретению, наружные поверхности внешней композитной оболочки плиты имеют огнестойкое покрытие толщиной 1-3 (мм).

При реализации изобретения обеспечивается создание надежной в эксплуатации при пониженной массе композиционной плиты для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста за счет использования для ее изготовления среднего слоя из армированных стеклопластиком наполнителей, в том числе, со снижающих их массу пенопластовыми вставками и охватывающей средний слой внешней стеклопластиковой оболочки с внутренними ребрами жесткости, которая функционально предназначена для защиты наполнителей среднего слоя от воздействия внешней среды и имеет высокую прочность к внешним силовым воздействиям со стороны нагрузок сжатия и растяжения, что снижает силовые нагрузки на наполнители среднего слоя.

Анализ известного уровня техники в целом показал, что предлагаемая совокупность признаков и их взаимосвязь не известны из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям изобретения: «новизна», «изобретательский уровень», «промышленная применимость».

Изобретение поясняется ниже приведенным описанием и графическими материалами, где на:

рис. 1 показана композиционная плита (сечение А-А) для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста, вариант выполнения среднего слоя с наполнителями в виде LVL-брусьев из клееного шпона;

рис. 2 - то же, что на рис. 1 (вид. А, рельсовые металлические подкладки не показаны);

рис. 3 - то же, что на рис 2 (сечение В-В);

рис. 4 то же, что рис. 1 (фрагмент Б, разрез);

рис. 5 - то же, что на рис. 1 (сечение Б-Б);

рис. 6 - композиционная плита (сечение Д-Д) для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста, в варианте выполнения среднего слоя с наполнителями в виде LVL-брусьев из клееного шпона со вставками из пенопласта;

рис. 7 - то же, что на рис. 6 (вид. А);

рис. 8 - то же, что на рис. 6 (фрагмент Б);

рис. 9 - то же, что на рис. 6 (сечение Г-Г);

Композиционная плита для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста конструкционно относится к крупногабаритным многослойным изделиям из полимерно-композиционного материала (ПКМ) и, предпочтительно, изготовлена методом вакуумной инфузии по известному технологическому процессу (см. патент RU №2620805).

Для изготовления композиционной плиты были использованы традиционные для указанного процесса технологическое оборудование и материалы, в том числе:

LVL-брусья из клееного шпона по ТУ 5366-952-6915009120- 2008;

стеклоткани мультиаксильные, применение которых обеспечивает повышенные прочностные характеристики получаемого стеклопластика, что позволяет значительно снизить вес изделия, а также уменьшает количество слоев ткани, а значит ускоряет формование конструкционного изделия. В частности, использовали стеклоткани, предпочтительно, товарной марки «Арматон», производитель компания «Стеклонит», г. Уфа;

стекломат конструкционный CSM. Материалы этого типа имеют высокую плотность и прочность, хорошо сохраняют сложные формы и благодаря армирующим свойствам используются при создании стеклопластиков;

полимерное связующее - предпочтительно, ненасыщенная полиэфирная смола на ортофталевой основе, с низкой вязкостью, в частности, смола Polipol 335, наиболее эффективная при изготовлении конструкционных изделий из ПКМ методом вакуумной инфузии.

При изготовлении конструкционного изделия в виде композиционной плиты для системы безбалластного мостового полотна были использованы также другие известные продукты, в том числе:

вспененный полимерный материал (пенопласт), имеющего адгезию к используемому полимерному связующему. В качестве пенопласта использован пенополиуретан;

смола полиэфирная ненасыщенная товарный продукт СПЭФ-ПВ-0-LTE, огнестойкая, с пониженной эмиссией стирола, низковязкая, с отличной пропитывающей способностью, обеспечивает отсутствие липкого слоя после отверждения. Смола характеризуется быстрой полимеризацией при относительно большом времени гелеобразования. Данную смолу используют в качестве покрытия наносимого на наружную поверхность внешней оболочки плиты для повышения ее огнестойкости. Толщина покрытия составляет 1-3(мм).

Изготовленные в соответствии с известным технологическим процессом композиционные плиты для системы безбалластного мостового полотна под железную дорогу нормальной колеи имеют габариты L×S×H, где L-длина плиты в направлении продольной оси железнодорожного пути, преимущественно, составляет 1390(мм), S - ширина плиты в поперечно-ориентированной направлении, преимущественно, составляет 3200 (мм), Н-технологическая высота плиты между рабочими поверхностями внешней оболочки плиты составляет 170(мм), что соответствует параметрам железобетонных плит (ЖБП) аналогичного назначения (см. тип П 1-ОСТ 32.72-97) в указанных направлениях. Масса полимерно-композиционной плиты изготовленной по указанному технологическому процессу значительно меньше массы ЖБП указанного типа.

Изготовленная в соответствии с известным технологическим процессом композиционная плита для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста выполнена в виде параллелепипеда с прямоугольными основаниями, имеющего средний слой 1 из армированных стеклопластиком наполнителей 2 и охватывающей средний слой внешней композитной оболочки 3 на основе стеклопластика, имеющей ребра жесткости из стеклопластика, образованных при формирования среднего слоя между смежными расположенными наполнителями в направлении их продольных осей. Рабочие поверхности 4 и 5 стеклопластиковой оболочки 3 образованы с противолежащих сторон оснований параллелепипеда.

Плита для безбалластного мостового полотна по обе стороны относительно вертикальной плоскости симметрии I-I, поперечно ориентированной к продольным осям наполнителей 2 среднего слоя, имеет ряд овальных отверстий 6 с армированными стеклопластиком стенками 7. Овальные отверстия 6 предназначены для размещения в них средств крепления плиты к балкам 8 пролетного строения железнодорожного моста. Выполнение отверстий 6 с армированными стеклопластиком стенками повышает надежность взаимодействия плиты с балками пролетного строения моста. Овальные отверстия 6 выполнены в штатных технологических зонах их расположения в процессе изготовления плиты и между смежно расположенными продольно-ориентированными брусьями 2 формируемого среднего слоя с армированием стенок образуемых отверстий стеклотканью. При выполнении технологических операций вакуумной инфузии в этих отверстиях размещают закладные детали.

В композиционной плите для системы безбалластного мостового полотна по обе стороны относительно указанной плоскости симметрии I-I в заданных (штатных) технологических зонах их размещения выполнены параллельно ориентированные ряды отверстий 9 для средств крепления на верхней рабочей поверхности 4 металлических рельсовых подкладок 10, предпочтительно, подкладки типа КД 65 (см. ГОСТ 16277-93 (ИСО 6305-2-83)).

Охватывающая средний слой 1 внешняя композитная оболочка 3 на основе стеклопластика со стороны противоположно ориентированных рабочих поверхностей 4 и 5 плиты имеет различную толщину. Толщина «h» внешней композитной оболочки 3 плиты со стороны рабочей поверхности 4, предназначенной для размещения подкладок 10, превышает толщину «hi» внешней оболочки плиты со стороны ее противолежащей рабочей поверхности 5, взаимодействующей с балками 8 пролетного строения моста.

Выполнение плиты для безбалластного мостового полотна с внешней композитной оболочкой, охватывающей средний слой 1, обеспечивает защиту материала среднего слоя от вызывающих его гниение, коррозию неблагоприятных воздействий внешней среды и уменьшает силовые нагрузки на наполнители 2 среднего слоя, поскольку внешняя композитная оболочка в системе безбалластного мостового полотна функциональна несущей конструкции, воспринимающей со стороны рельсового пути значительные напряжения сжатия и прогиба, а с противолежащей ее стороны напряжения растяжения. Параметры оболочки по толщине h>hi со стороны указанных рабочих поверхностей оптимизированы:

по условиям обеспечения прочности стеклопластиковой оболочки на сжатие со стороны рельсового пути и ее прогиба, в том числе, в случае взаимодействия с рабочей поверхностью 4 колес железнодорожного транспорта при аварийном сходе их с рельс;

по условиям обеспечения упруго- прочностных свойств оболочки на растяжение со стороны ее опирания (взаимодействия) с балками пролетного строения моста, что, в основном, зависит от свойств используемого связующего в стеклопластиковом конструкционном изделии.

При изготовлении плиты при формировании среднего слоя использовали наполнители в виде LVL-брусьев из клееного шпона (рис. 1).

Вместе с тем, предпочтителен вариант формирования среднего слоя с использованием наполнителей в виде LVL-брусьев из клееного шпона, каждый из которых имеет вставки 11 из пенопласта, которые расположены на противолежащих концевых участках наполнителя за зоной взаимодействия рабочей поверхности 5 плиты с балками пролетного строения моста и в центральной его зоне, параметры которой в направлении продольной оси наполнителя меньше расстояния между выполненными в плите и примыкающих к данной зоне крайними рядами отверстий 9 для средств крепления рельсовых металлических подкладок 10. Вставки из пенопласта в каждом наполнителе размещены в поперечно -ориентированных к его продольной оси выемках- пазах, открытых в направлении к рабочей поверхности 5 плиты, взаимодействующей с балкам пролетного строения моста, и имеющих высоту не превышающую толщины наполнителя. В качестве пенопласта, предпочтительно, используют пенополиуретан.

Композиционные плиты для системы безбалластного мостового полотна железнодорожного моста при нормальной колеи пути со стороны размещения на верхней рабочей поверхности 4 рельсовых металлических подкладок 10 имеют толщину оболочки, при которой h=(0,10-0,15)H, а со стороны рабочей поверхности 5, взаимодействующей с балками пролетного строения моста оболочка имеет толщину, при которой h₁=(0,03-0-0,1)Н, где Н - заданная технологическая высота плиты между рабочими поверхностями 4 и 5 соответствует 170 (мм). Заданные соотношения h, h₁ и Н обеспечивают оптимальные условия эксплуатации композиционных плит в системах безбалластного мостового полотна при стандартизированных их габаритах L×S×H и при массе плиты из ПКМ в среднем в три раза меньшей массы железобетонных плит аналогичного назначения, что, в частности, и подтверждается математическим моделированием и теоретическими расчетами, осуществленными при использовании программных продуктов компании MSC Software (US).

При проведении соответствующих теоретических расчетов установлено, что при принятых нагрузках, например, от 22 тс до 28 тс на 1 п.м железнодорожного пути запас прочности композиционной плиты на сжатие (при параметрах верхнего слоя стеклопластиковой оболочки, равных (0,1÷0,15)Н, где Н - 170(мм)) составляет не менее 7,0, а запас прочности на растяжение (при параметрах нижнего слоя стеклопластиковой оболочки, равных (0.03÷0.1)Н, где Н-170 (мм)) не менее 8,0, при этом превышение толщины «h» к толщине «h₁» внешней композитной оболочки можно определить из соотношения h=kh₁, где 1,5≤k≤3,5 для железнодорожного моста при нормальной колеи пути.

Изготовление полимерно-композиционной плиты с заданными соотношениями h, h₁ и Н технологически зависит от технических характеристик используемых материалов:

LVL-брусьев 2, на основе которых формируют средний слой в виде прямоугольного параллелепипеда с технологически заданными параметрами по высоте, ширине и длине;

мультиаксиальных стеклотканей, материала стекломата конструкционного, параметры которых, количество слоев с каждой стороны наполнителей среднего слоя формируют внешнюю композитную оболочку, внутренние ребра жесткости в ней и технологически задают габариты плиты, с учетом расхода полимерного связующего в процессе вакуумной инфузии.

Композиционная плита предназначена для использования ее в системе безбалластного мостового полотна железнодорожного моста. Устройство и реконструкцию (замена плит на эксплуатируемых железнодорожных мостах) безбалластного мостового полотна на железнодорожных мостах осуществляют путем укладки полимерно-композиционных плит по разработанным проектам производства работ на основании традиционно действующих правил и технологий.