Для строительства рельсовых путей грузоподъемных кранов (башенных и козловых) до настоящего времени применялись, как правило, деревянные полушпалы и железобетонные балки по СНиП 3.08.01-85.
Однако недостатками деревянных полушпал являются их низкая надежность и долговечность, обусловленные расколом древесины рельсовым креплением и невысокой стойкостью древесины (даже с учетом пропитки) к атмосферно-климатическим и биологическим воздействиям. Что касается железобетонных плит и балок, то они имеют высокую металлоемкость, вызванную необходимостью армирования в продольном направлении. Так, средний расход арматурной стали на 1 п. м плит и балок составляет 45...80 кг.
Очевидно, что для устройства рельсовых путей грузоподъемных кранов более целесообразны железобетонные полушпалы (аналог деревянных). Их применение взамен традиционных деревянных позволяет, во-первых, в несколько раз увеличить надежность и долговечность рельсового пути. Во-вторых, расход бетона и стали на изготовление полушпал в сравнении с железобетонными плитами и балками ниже.
В 2003 – 2004 гг. лабораторией конструкций инженерных коммуникаций УП “Институт БелНИИС” в соответствии с научно-технической программой “Строительные материалы и технологии” Минстройархитектуры РБ разработаны и внедрены эффективные конструкции железобетонных полушпал для рельсовых путей грузоподъемных кранов.
К моменту начала работы нормативно-техническая документация для их проектирования и расчета отсутствовала, поскольку в бывшем СССР данные конструкции не применялись. Предварительные исследования показали, что взаимодействие крановых рельсовых путей из полушпал (в том числе железобетонных) с основанием изучено недостаточно. Не было данных об оценке эффективности использования различных расчетных моделей при расчете рельсового пути из железобетонных полушпал.
Существующие методики расчета верхнего строения рельсовых путей предназначены в основном для расчета железнодорожных конструкций и не учитывают особенности работы конструкций крановых путей.
Большинство применяемых на практике методик расчета железобетонных конструкций, в том числе рекомендуемых в действующих нормах проектирования, рассматривают линейное либо плоское напряженное состояние конструкции, тогда как материал полушпалы испытывает трехосное напряженное состояние.
Расчетные схемы в существующих методиках не позволяют учесть влияние на работу железобетонных полушпал под нагрузкой таких факторов, как наличие локальных поперечных напряжений под нагруженной площадкой на верхней поверхности полушпалы, а также напряжений, обусловленных включением в работу поперечного горизонтального армирования.
Следовательно, возникла необходимость в проведении экспериментально- теоретических исследований, разработке конструктивного решения, а также методики расчета и проектирования железобетонных полушпал для рельсовых путей грузоподъемных кранов.
На первом этапе с целью проверки различных методов расчета рельсового пути, изучения характера деформирования полушпалы, а также для установления зависимостей Р–D (нагрузка — деформация основания) выполнены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния фрагментов рельсового пути в лотке для силовых испытаний. Внешний вид объектов испытаний и испытательного оборудования представлен на рис. 1.
Тем самым была изучена взаимосвязь между параметрами, определяющими условия совместной деформации основания и фрагмента рельсового пути (шаг укладки полушпал, количество полушпал во фрагменте, тип кранового рельса, уровень нагружения). По результатам исследований разработан способ расчета верхнего строения рельсового пути грузоподъемного крана с учетом совместной работы пути с основанием с применением конечно-элементной расчетной модели. Значения осадок, а также давления под подошвой полушпал, полученные с использованием разработанной расчетной модели, превышают соответствующие экспериментальные значения на 10...15%.
На втором этапе проводились исследования прочности и трещиностойкости железобетонных полушпал.
С целью более полного учета факторов, влияющих на работу полушпалы под нагрузкой, была разработана теоретическая трехмерная расчетная модель железобетонной полушпалы, основанная на общей деформационной модели, реализованная с использованием метода конечных элементов. Для задания нелинейно-упругих свойств материалов элементов (бетона и арматуры) в качестве исходных данных введены диаграммы деформирования (зависимости s–e).
Для оценки достоверности различных существующих расчетных методик, проверки результатов расчета по разработанной методике, а также для изучения фактического напряженно-деформированного состояния железобетонных полушпал были выполнены экспериментальные исследования их прочности и трещиностойкости при испытании нагружением. Использовались экспериментальные образцы, изготовленные как в лабораторных, так и в заводских условиях. При их конструировании предусматривались различные сочетания следующих факторов: геометрические параметры полушпалы; тип продольной рабочей арматуры; интенсивность продольного и поперечного армирования. Геометрические характеристики и армирование образцов-полушпал определялись исходя из наиболее рациональной работы материала по результатам предварительных расчетов.
В экспериментах проводились измерения вертикальных и горизонтальных перемещений различных сечений образца, а также относительных продольных деформаций продольной и поперечной арматуры (методом электротензометрии). На рис. 2 показан общий вид испытательного стенда.
Испытанные образцы были рассчитаны по методикам СНиП 2.03.01-84 (пример реализации метода предельных усилий и модели ферменной аналогии), СНБ 5.03.01-02 (с использованием деформационной модели), а также по разработанной расчетной модели.
Сравнение экспериментальных данных с расчетными показало, что значения усилий, полученные по методике СНиП 2.03.01-84, составляют для различных образцов от 20 до 70% по отношению к фактическим. Запас при этом равен в среднем 109% при расчете раскрытия трещин и 137% при расчете прочности. Методика расчета, изложенная в СНБ 5.03.01-02, дает результаты более близкие к фактическим, однако запас при расчете раскрытия трещин оказывается 77%, а при расчете прочности — 111%.
Значительно заниженные значения несущей способности конструкций при расчете по методикам СНиП 2.03.01-84 и СНБ 5.03.01-02 объясняются неполным учетом всех факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние полушпал. К ним, в частности, относятся наличие значительных сжимающих напряжений в направлении, перпендикулярном продольной оси образца, а также включение в работу конструктивной горизонтальной арматуры.
При расчете по разработанной расчетной модели значения усилий составляют по отношению к фактическим значениям (в среднем): в момент трещинообразования — 85%; в момент раскрытия трещин шириной 0,2 мм — 90%; в момент разрушения — 83%. Таким образом, установлено, что при расчете полушпал по предложенной модели результаты расчета хорошо согласуются с результатами экспериментов (погрешность не превышает 10…17%). Учитывая, что при проектировании полушпал к ним предъявляются требования по ширине раскрытия трещин, при практических расчетах запас составит около 10%.
Для применения результатов исследований были разработаны инженерные методики:
– определения нагрузок на полушпалы, работающие в составе рельсового пути грузоподъемного крана, а также подбора и оптимизации параметров кранового пути с использованием графических зависимостей;
– расчета железобетонных полушпал на прочность и трещиностойкость, основанная на использовании разработанной расчетной модели.
Упрощенная методика определения максимальной нагрузки на полушпалы в зависимости от шага их укладки основана на использовании графических зависимостей, представляющих собой графики распределения единичной нагрузки от колеса крана между отдельными полушпалами при заданном шаге их укладки. Зависимости получены на основании расчета по разработанной расчетной модели [1]. При этом использовались деформационные характеристики грунта, определенные по СНиП 2.02.01-83 [2], для грунтов, соответствующих требованиям СНиП 3.08.01-85 [1] к грунтовому основанию кранового пути.
На рис. 4 представлен график распределения единичной нагрузки от колеса крана между отдельными полушпалами при их укладке с шагом 500 мм.
Для определения наибольшей нагрузки на полушпалу тележку грузоподъемного крана (колеса) располагают таким образом, чтобы сумма коэффициентов влияния колес hi (ординат линии влияния от нагрузки Р=1) имела наибольшее значение. При этом рассматривают различные сочетания типа полушпал по несущей способности и шага их укладки. Принимают вариант, имеющий минимальную стоимость.
Приведенная методика включена в указания по проектированию для типовой серии Б3.004.1-1.03 “Полушпалы железобетонные для рельсовых путей грузоподъемных кранов. Выпуск 0. Материалы для проектирования. Выпуск 1. Рабочие чертежи”.
Производство железобетонных полушпал разработанной конструкции освоено УП “Трест Белтрансстрой” (г. Орша), РУП “Спецжелезобетон” (пос. Микашевичи). Рельсовые пути c их использованием эксплуатируются на минских автомобильном и тракторном заводах, других предприятиях. Один из участков пути из железобетонных полушпал показан на рис. 3.
Применение железобетонных полушпал взамен деревянных позволяет увеличить надежность и долговечность рельсового пути в 3…5 раз, а расход бетона и арматуры на их изготовление — сократить по сравнению с железобетонными подкрановыми балками в 2 …2,5 раза.
Литература
1. Бугаев А. Н., Шепелевич Н. И. Расчетная модель рельсового пути и методика определения нагрузок на железобетонные полушпалы в составе рельсовых путей грузоподъемных кранов // Известия БИА. 2004, №2(18). С. 49–52.
2. Бугаев А. Н., Шепелевич Н. И. Экспериментально-теоретические исследования прочности и трещиностойкости железобетонных полушпал и разработка методики их расчета // Вестник БГТУ. Строительство и архитектура. Приложение (Материалы XI междунар. науч.-метод. межвуз. семинара “Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь”). Часть 1, 2004. С. 5–11.