Конструктивно-технологические решения опорных конструкций контактной сети, обеспечивающие повышение их долговечности

Железнодорожный транспорт занимает ведущее место в транспортной системе России. На его долю приходится около 75% всех пассажирских перевозок. Электрификация железных дорог (в соответствии с принятой МПС РФ Программой до 2010 года) является основным направлением технической модернизации железнодорожного транспорта, обеспечивающим повышение провозной способности по сравнению с другими видами тяги.

Железные дороги электрифицируют на переменном или постоянном токе. Последние годы железные дороги электрифицируют преимущественно на переменном токе из-за его экономичности по сравнению с постоянным. Отдельные участки (на Восточно-Сибирской и Октябрьской железных дорогах) переводят с постоянного на переменный ток, но около 45% железнодорожных линий функционируют на постоянном токе.

Важнейшей задачей, возникающей при проектировании, строительстве и эксплуатации контактной сети, является обеспечение высокого качества токосъема, эффективности и безопасности железнодорожного транспорта, повышение надежности и долговечности конструкций в эксплуатации.

Решение проблемы качества при электрификации железных дорог с учетом всевозможных условий и факторов требует соответствующего научнометодического и технического обеспечения.

Комплексное решение задач управления качеством таких сложных объектов транспортного строительства, как контактная сеть, возможно на базе экоси-стемных принципов, когда инженерные сооружения рассматриваются в качестве элементов техносферной компоненты создаваемых транспортных природно-технических систем (ТПТС).

Системный подход при реконструкции, капитальном ремонте и новом строительстве контактной сети реализуется посредством использования более прогрессивных конструкций и усовершенствованных методов расчета, технологий и материалов, а также различных способов антикоррозионной защиты с учетом всего многообразия взаимосвязей в системе электрифицированной железной дороги. Разрабатываемые конструктивные решения должны обеспечить продолжительный срок службы контактной сети, уменьшить эксплуатационные затраты и соответствовать принятой системе параметров контактной сети, закрепленных в Технических требованиях к КС-160, КС-200. Систему требований к параметрам устройств электроснабжения определяют в соответствии с нормативными документами, в рамках которых осуществляют разработку новых опорных и поддерживающих конструкций контактной сети.

Возможность обеспечения надежной и долговечной эксплуатации контактной сети в значительной мере зависит от опорных конструкций контактной сети (ОККС). Затраты на производство, сооружение и обслуживание ОККС составляют около 40% от общих затрат по контактной сети.

С увеличением веса поездов и скорости их движения возрастают нагрузки на контактную сеть. Следовательно, необходимо совершенствовать не только сами опорные конструкции, методы расчета, но и технологии их сооружения путем применения универсальных многофункциональных механизмов, а также оптимальных технологий для выборочной и сплошной замены опор при обновлении — реконструкции или капитальном ремонте контактной сети. Актуальность исследования.

По состоянию на начало 2003 г. в России было электрифицировано около 42 тыс. км. железных дорог. Сегодня в эксплуатации находятся более 1,5 миллиона разнотипных опор контактной сети, 40% из которых — раздельные на фундаментах. В ближайшие 10 лет намечается электрифицировать около 11 тыс. км. железных дорог, при этом часть железнодорожных магистралей (Москва-Брест, Москва-Самара, Москва — Нижний Новгород) подлежит реконструкции с переводом под скоростное движение. Завершена программа реконструкции на Октябрьской железной дороге (С.Петербург-Москва), электрифицированной на постоянном токе.

Около 16% эксплуатируемых опор контактной сети относятся к категории дефектных. Эти опорные конструкции не обеспечивают требуемую несущую способность по грунту или исчерпали свой ресурс прочности, находясь в эксплуатации более 40 лет.

Такие конструкции не обеспечивают надежную работу системы электроснабжения, а, следовательно, и безопасность железнодорожного транспорта при эксплуатации. Это происходит по следующим причинам:

— большое количество находящихся в эксплуатации старотипных ОККС запроектировано по нормам 40-летней давности, в которых не полностью учтены все факторы, влияющие на несущую способность опор в грунте;

— произошло увеличение нагрузок на опоры (по сравнению с расчетными) вследствие необходимости подвешивания дополнительных усиливающих проводов (из-за возрастания тяговой нагрузки) и проводов с полевой стороны (BOJIC);

— недостаточно учтены сложные условия закрепления опор в теле земляного полотна (высокие насыпи с крутыми откосами, выемки с кюветами, кривые малого радиуса и т. п);

— не учитывалось изменение физико-механических свойств материала ОККС вследствие физического выветривания (деструкции, коррозии арматуры и внутренней коррозии) железобетона;

— произошло значительное изменение в течение 40 лет эксплуатации условий работы опорных конструкций контактной сети в результате ремонта и подъемки пути.

Наряду с почвенной и атмосферной коррозией на железнодорожных участках электрифицированных на постоянном токе ситуация усугубляется наличием электрокоррозии металлических элементов ОККС (анкерных болтов и арматуры).

Следовательно, разработка конструктивно-технологических решений фундаментов опор контактной сети, которые будут обеспечивать срок службы в соответствии с основными требованиями (электрокоррозионная стойкость и прочность заделки в грунте для различных условий их установки) не менее 70 лет является актуальной задачей. Необходимо изолировать металлические элементы соединений от тела бетона.

Целью исследования является повышение долговечности опорных конструкций контактной сети путем защиты материалов опорных конструкций КС от электрокоррозии, обеспечения их устойчивости в грунте за счет применения современной методики расчета несущей способности и усовершенствованных технологий замены дефектных ОККС. Задачи исследования:

1) проанализировать отечественный и зарубежный опыт применения ОККС, методы расчета прочности их закрепления в грунте, а также состояние комплексной механизации и технологических процессов выполнения строительно-монтажных работ при строительстве и реконструкции контактной сети;

2) на основе принципов системного подхода разработать модель комплексного анализа ОККС при их взаимодействии с другими компонентами природно-технической системы «Электрифицированная железная дорога»;

3) разработать надежную конструкцию фундамента опор контактной сети с электрической изоляцией от тела бетона забетонированных анкерных болтов для обеспечения антикоррозионной защиты опорной конструкции в целом;

4) проанализировать факторы, влияющие на прочность заделки ОККС в грунте;

5) усовершенствовать методику расчета несущей способности фундаментов опор контактной сети для различных условий их установки в грунте (в зависимости от габарита опор, ширины земляного полотна, радиуса кривой, высоты насыпи и глубины выемки и др.);

6) разработать технологии установки ОККС при сплошной и выборочной их замене в зависимости от типа применяемых механизмов, продолжительности и количества «окон» и определить области их рационального применения;

7) выполнить оценку технико-экономической эффективности применения предложенных технических (конструктивных, аналитических и технологических) решений.

Методы исследования: анализ отечественных и зарубежных ОККС, системный подход к решению задач исследованияанализ способов антикоррозионной защиты (анкерных болтов) фундамента, анализ существующей методики расчета несущей способности ОККС в грунте, учет дополнительных факторов, анализ существующих вариантов технологий замены опор при обновлении контактной сети и механизации технологических процессов.

Научная новизна:

— разработана модель системного анализа ОККС при их взаимодействии с другими элементами комплекса «Электрифицированная железная дорога»;

— выполнены теоретические и экспериментальные обоснования направлений усовершенствования конструктивных и технологических решений ОККС;

— установлены зависимости электрического сопротивления арматуры железобетонных фундаментов от конструкции узла их соединения с опорой;

— установлена зависимость прочности заделки ОККС от условий их установки в грунте;

— выполнен комплексный анализ, определены и ранжированы факторы по степени их влияния на несущую способность опорных конструкций КС;

— усовершенствована методика расчета несущую способность опор контактной сети по грунту с учетом влияния дополнительных факторов;

— разработана компьютерная программа расчета прочности заделки ОККС в грунте для различных условий их установки.

Практическая значимость: 1) разработаны и внедрены в массовое производство новые конструкции фундаментов ТФА (для консольных опор), ТФП (для стоек жестких поперечин) для железных дорог электрифицированных на переменном токе и фундаментов ТФАЭ, ТФПЭ для участков постоянного тока с защитой замоноличенных анкерных болтов от электрокоррозии с помощью термоусаживаемых трубок, что позволяет повысить срок службы фундаментов до 70 лет;

2) разработан и утвержден МПС России новый альбом условий закрепления ОККС, обеспечивающих требуемую несущую способность фундаментов и опор по грунту, расчет которой выполнен с помощью разработанной программы, учитывающей дополнительные факторы;

3) разработаны различные варианты технологий выполнения строительно-монтажных работ при обновлении контактной сети и определены область и условия их рационального применения в зависимости от используемых механизмов, количества и продолжительности «окон», а также даны рекомендации по дальнейшему совершенствованию технологии, механизмов и оборудования для производства работ по заменен опор.

Апробация: рассматриваемые в диссертационной работе вопросы по обеспечению устойчивости ОККС в грунте и разработке фундаментов для железнодорожных участков постоянного тока обсуждались на научно-технических совещаниях в Департаменте электрификации и электроснабжения МПС России (совместно со специалистами ЦНИИС, ВНИИЖТ и «Трансэлек-тропроект») — основные положения по 3, 4 главам были доложены на сетевой школе по обмену передовым опытом в области эксплуатации и технического содержания опор контактной сети в хозяйстве электроснабжения в г. Екатеринбург в 2002 годутезисы по 2−4 главам диссертации были доложены на конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора B.C. Лукьянова (ЦНИИС, 2002 г) — материалы диссертации были рассмотрены на секции ученого совета ЦНИИС и на научно-технических советах отделения ЭЛ (ЦНИИС).

Выводы и рекомендации.

1.Трехлучевые фундаменты ТФАЭ с изолированными анкерными болтами Г-образной формы для крепления опор контактной сети для участков постоянного тока механические испытания выдержали.

2. Всего на заводе было изготовлено 5 фундаментов типа ТФАЭ по, проекту ОАО «ЦНИИС» № 9363 различной длины, несущей способности и формы анкерных болтов (Г, П и крюкообразной). В результате двух проведенных испытаний и замеров электрического сопротивления видно, что .эти фундаменты имеют достаточное сопротивление и могут быть использованы для железнодорожных участков постоянного тока.

3. Исходя из условия технологичности изготовления и установки анкерных болтов в каркас к применению рекомендуются фундаменты с Г-образными анкерными болтами.

Председатель комиссии:

Специалист ЦЭ МПС РФ.

И.А. Глущенко.

Члены комиссии: Инженер ОАО «ЦНИИС».

А.А. Прямицьш.

Главный инженер ОАО «Толмачевский завод ЖБ и МК».

Н.И. Ляхович.

Начальник ПТО ОАО «Толмачевский завод ЖБ и МК».

В.А. Кошин.

Ведущий технолог ОАО «Толмачевский завод ЖБ и МК».

Ю.Г. Мельник.

ЖУРНАЛ №. ' JO, Of.02. f&r&H /ъссле. fit Л*.

Наименование конструкции испытаний ж.'б конструкций.

Г<�РА 9 ~ С Сжуое^е ССА 140.6−3.

Схема испытаний н* ГО? Т — М.

Сила.

Да ал. атм.

Выдержка ыин.

Прогибы «точках Atfrf А.

Трещины.

ММ.

Заключение

.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Использование экосистемного подхода к решению задач данного исследования позволило четко выделить ОККС, как компоненту природно-технической системы — «Электрифицированная железная дорога», выявить взаимосвязи между опорными конструкциями и другими элементами системы, оказывающими влияние на рассматриваемую часть природнотехнического комплекса — фундаменты опор контактной сетиэффективно управлять параметрами состояния (материализделиеконструкцияконтактная сеть) и обеспечить функциональную безопасность, долговечность и надежность, а также пути повышения эффективности развития не только самих ОККС, но и системы в целом.

2. Разработано новое конструктивное решение фундамента с анкерным креплением опор контактной сети (в том числе для участков постоянного тока), которое заключается в изоляции замоноличенных анкерных болтов от тела бетона с помощью термоусаживаемых трубок ТУТ и обеспечивает увеличение электрического сопротивления ОККС в 3,5−100 раз по сравнению с нормируе мым для типовых конструкций (10 кОм).

3. Замоноличивание анкерных болтов (по сравнению с установкой болтов-шпилек в каналы оголовков фундаментов) позволяет исключить: образование трещин вдоль анкерных болтов, возникающих из-за размораживания каналов, обеспечить требуемое проектное положение фундамента при его сооружении (расстояние между УТР и УОФ) независимо от очертания поверхнти грунта, в том числе в междупутьях, улучшить условия монтажа и качество крепления опор к фундаментам.

4. Уточнена методика расчета несущей способности фундаментов и опор контактной сети в грунте путем учета степени влияния дополнительных факторов на прочность их закрепления, что позволило добиться увеличения несущей способности на 25−30%.

5. Разработана многофункциональная программа, которая позволяет рассчитать несущую способность фундамента по грунту (нормативный момент М/) в зависимости от целого ряда исходных данных. Использование такой специализированной программы позволит исключить субъективные оценки результатов при проектировании, снижающие устойчивость опорных конструкций в грунте и существенно облегчить труд проектировщиков.

6. С использованием этой программы разработан новый альбом «Условия закрепления фундаментов и опор контактной сети для обычных грунтовых условий» (№ 2190), утвержденный Департаментом электрификации и электроснабжения МПС России. К настоящему времени альбом внедрен более чем в 20 проектных, строительных и эксплуатационных организациях.

7. Разработаны варианты замены дефектных опор и определены области их рационального применения:

— при выборочной (одиночной) замене опор наиболее целесообразно использование трех «окон» малой продолжительности (1,5−2 часа);

— при сплошной замене опор наиболее эффективно использовать три «окна» большой продолжительности (6 и более часов);

— при использовании существующих средств механизации (виброагрегат и железнодорожный кран) наиболее целесообразно применение базовой технологии — с установкой новых опор рядом с демонтируемой;

— в перспективе предусмотрено внедрение механизмы нового типа (МРКС), выполняющие основные строительные работы по разработке котлованов и установке опор с одновременной обратной засыпкой и уплотнением грунта в пазухах котлованов;

— при технологии установки опор (рядом с демонтируемой) в одно «» большой продолжительности работы по демонтажу опор могут быть выполнены в дополнительно предоставляемые задельные «окна».

8. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологии, механизмов и оборудования для производства строительных работ при реконструкции контактной сети.

9. Использование предложенных конструктивных, аналитических и технологических решений позволяет увеличить срок службы ОККС до 70 лет, повысить долговечность фундаментов для участков постоянного тока на 40%, увеличить прочность заделки ОККС в грунте на 25−30% и на 15% снизить трудозатраты на выполнение строительно-монтажных работ при обновлении контактной сети.

Экономический эффект от внедрения предложенных технических решений составил 92 126 тыс. руб. в год, при расчетном сроке окупаемости затрат-1,92 года.