Ответы на вопросы по железнодорожному транспорту (Вариант 4)

Взаимосвязь устройства ходовых частей подвижного состава и рельсовой колеи Взаимодействие пути и подвижного состава — предмет изучения специальной научной дисциплины, исследующей механические процессы, происходящие в подвижном составе и в железнодорожном пути при воздействии их друг на друга, при этом подвижной состав и железнодорожный путь рассматриваются как элементы единой механической системы («колесо-рельс»). Исследование данного взаимодействия является основополагающим физическим процессом при движении вагонов, локомотивов и поездов по железным дорогам, так как во многом определяет такие важнейшие показатели, как ширина колеи, нагрузка на ось, статическая нагрузка вагонов, масса и скорость движения составов, а также безопасность движения поездов. От колес подвижного состава на путь передается сложное силовое воздействие, которое можно разложить на вертикальные и горизонтальные (поперечные и продольные) составляющие: вертикальное давление, вызывающее осадку пути и изгиб рельсов; боковое давление, стремящееся сдвинуть путь в сторону, и продольные силы – причина угона (продольного смещения) рельсошпальной решетки. Вертикальное давление на рельс – это нормальные (перпендикулярные к поверхности) силы, которые через колеса подвижного состава передаются на рельсы. Нагрузка, передаваемая подвижным составом на рельсы при движении, называется динамической. Динамическое воздействие подвижного состава на путь определяется сложными колебательными процессами, возникающими при движении. Они обусловлены наличием различных неровностей на поверхностях соприкасания колес с рельсами, упругой деформируемостью пути, рессор и других элементов ходовых частей, особым характером движения жестко соединенных между собой осей подвижного состава в рельсовой колее при изменяющейся по протяжению пути траектории движения подвижного состава. В общем случае взаимодействие пути и подвижного состава определяется особенностями конструкций ходовых частей подвижного состава и рельсовой колеи, а также качеством технического содержания локомотивов, вагонов и пути. Каждая единица подвижного состава состоит из неподрессоренной и подрессоренной частей. К неподрессоренной части относят массу колесных пар, букс и примерно 2/3 массы рессор. Все остальное составляет подрессоренную часть. При движении подрессоренные и неподрессоренные части локомотивов и вагонов совершают колебательные движения относительно пути и друг друга и это вызывает изменения нагрузок на рельсы. При движении поезда на рельсы действуют и переменные горизонтальные поперечные силы: рамное давление (силы, действующие на кузов и передаваемые через раму на колесные пары), а также боковое давление, вызванное поворотом состава в кривых (вписывание подвижного состава в кривые). Рельсы воспринимают также и горизонтальные продольные силы (силы угона, торможения и продольные усилия от действия температуры). При конструировании верхнего строения пути и ходовых частей подвижного состава стремятся достигнуть возможно более благоприятного их взаимодействия. Рельсовой колеей называются две геометрические линии, проходящие вдоль пути по внутренним граням головок рельсов на уровне их контакта с гребнями колес. Основным требованием при проектировании и устройстве рельсовой колеи является обеспечение безопасности движения поездов с установленными скоростями при минимуме сил взаимодействия рельсового пути и подвижного состава. В кривых участках железнодорожного пути рельсовая колея устраивается с учетом следующих особенностей: 1. При движении железнодорожного экипажа по кривой появляется сила инерции, которую обычно называют центробежной силой. Эта сила создает дополнительное давление на наружную рельсовую нить и вызывает крен кузова на рессорах, в связи с этим рельсы быстрее изнашиваются, возникают отбои рельсовых нитей, увеличиваются напряжения в элементах верхнего строения пути, пассажиры испытывают неприятные ощущения. С целью нейтрализации вредного влияния центробежной силы в кривых приподнимают наружную рельсовую нить над внутренней, т. е. устраивают возвышение наружной рельсовой нити. 2. При переходе экипажа из прямой непосредственно в круговую кривую внезапно появляется центробежная сила. Для исключения динамического эффекта – внезапного воздействия экипажа на путь, вызывающего боковой толчок при входе экипажа в кривую и выходе их нее, между круговой кривой и прямой устраивают особую кривую – переходную. 3. Для облегчения вписывания (прохода) тележек экипажей в кривые участки пути (R < 350 м) устраивают уширение рельсовой колеи. 4. Для соблюдения требований габарита приближения строений (С) в кривых двухпутных линий увеличивают междупутные расстояния. 5. С целью обеспечения расположения рельсовых стыков в одном створе (по «наугольнику») укладывают по внутренней нити укороченные рельсы. Параметры рельсовой колеи как в прямых, так и в кривых участках пути должны обеспечивать безопасное движение экипажей и минимизировать их силовое воздействие на путь. Поэтому размеры и конструктивное оформление рельсовой колеи определяются во взаимосвязи ее с ходовымичастями подвижного состава, т. е. размерами и конструктивными особенностями ходовых часте экипажей,в частности, колесных пар. Любой экипаж (локомотив, вагон) состоит из неподрессоренной части и надрессорного строения. К неподрессоренной относятся ходовые части подвижного состава, т.е. тележки. Они предназначены для обеспечения безопасного движения экипажей по рельсовому пути с заданной скоростью, плавного хода и наименьшего сопротивления движению. Основным типом вагонных колес являются цельнокатаные, а локомотивных – бандажные. Бандажные (составные) колеса состоят из колесного центра, бандажа и предохранительного кольца. При достижении предельного износа или появлении других повреждений бандаж можно заменить без смены колесного центра. Колеса опираются на головку рельса небольшой площадкой, которая имеет форму, напоминающую эллипс. При прочих равных условиях площадь контакта зависит от диаметра колеса. Чем меньше диаметр, тем меньше контактный эллипс, тем большие напряжения возникают в металле головки рельса и соответственно увеличивается износ. Колеса имеют реборды (гребни). Назначение реборд – обеспечение направления и предохранение от схода колес с рельсов. Вертикальные силы, передаваемые колесами экипажа рельсами при стоянке, называются статической нагрузкой. К основным силам относят: • весовую часть экипажа (кН/ось, кН/колесо); • силы, передаваемые рессорным подвешиванием колесам при ко¬лебании обрессоренных масс; • силы инерции необрессоренных масс, вызванные их колебания¬ми на упругом пути из-за наличия неровностей пути и колес; • вертикальные силы, возникающие в связи с возвышением наруж¬ного рельса в кривых и действием на колесную пару горизонтальных поперечных сил. Вертикальные силы инерции необрессоренных масс в большинстве случаев являются наибольшей составляющей динамического воздей¬ствия на рельс, а поэтому они в основном и определяют вертикальные динамические силы. Причинами их возникновения могут быть колеба¬ния колес, вызванные неровностями пути и колес, а также извилистым движением колесных пар. Горизонтальные поперечные силы, направленные перпендикулярно оси пути, возникают в уровне поверхности катания колеса по рельсу и между гребнем колес и боковой поверхностью головок рельсов. Устойчивость и прочность рельса зависит от полной поперечной силы (боковой), передаваемой ему колесом. Равнодействующая боковых сил от одной колесной пары называется рамной силой. В кривых, кроме рамных сил, возникают центробежные силы, попе¬речные составляющие силы веса и тяги. Горизонтальные продольные силы возникают вследствие угона пути, торможения и изменений температуры рельсов. Динамическая нагрузка от колеса передается на головку рельса по небольшой площадке. Динамические силы воздействуют на путь через колеса подвижного состава и рельс. Конструкция экипажной части различных типов подвижного состава должна находиться в исправном состоянии, соответствующем требованиям ПТЭ и техническим нормам. Сегодня около половины изъятых из эксплуатации колес грузовых вагонов обтачивается из-за дефектов на поверхности катания - выщербин и ползунов. Причиной изъятия из пути значительной части рельсов (от 20 до 40 процентов всех изъятых) служат дефекты контактно-усталостного характера. Для их недопущения необходимо осуществить целый комплекс мер: повысить чистоту рельсовой стали, строже соблюдать технологии изготовления рельсов, оптимизировать их неразрушающий контроль, управлять интенсивностью износа рельсов и колес. Отдельная задача - поддержание высокого коэффициента трения между поверхностями катания бандажа локомотива и рельса. На наших железных дорогах в качестве активатора трения широко используется песок. При всей доступности и низкой стоимости он имеет ряд известных минусов (засоряет балласт, абразивно воздействует на колеса и рельсы и т.д.). Специалисты из РГУПС начали разработку отечественного активатора трения без кварцевого песка. Условия эксплуатации грузовых вагонов за последние два десятилетия ужесточились (более жесткий путь, переход на повышенные до 23,5 тонн нагрузки на ось, старение парка, острый дефицит запасных частей тележек, снижение качества плановых видов ремонта). Рост грузонапряженности на основных магистралях и необходимость снижения эксплуатационных расходов остро ставят вопрос повышении массы грузовых поездов. Стремление поднять массу поезда до предельных (по силе тяги и по сцеплению) значений порождает ряд новых проблем по части взаимодействия колеса и рельса. Среди них - усиленный износ поверхности катания колес и рельсов, угон пути, засорение балластного слоя песком, возникновение дополнительного воздействия состава на путь, вызываемого изменением продольных сил в поезде. 41. Нормы и допуски в содержании колеи на прямых по ширине, по уровню и по направлению Содержание ширины колеи в соответствии с нормой – одна из главных задач путейцев. Однако под воздействием поездов ширина колеи меняется, и содержать ее совершенно неизменной практически невозможно. Поэтому введены допуски, которые указывают возможные пределы ее уширения и сужения. Номинальный размер ширины колеи между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках пути и на кривых радиусом 350 м и бо¬лее— 1520 мм. Ширина колеи на более крутых кри¬вых должна быть: при радиусе от 349 м до 300 м. ........ 1530 мм при радиусе от 299 м и менее ......... 1535 мм На участках железнодорожных линий и путях, где комплексная замена рельсошпальной решетки не производилась, допускается на прямых и кривых участках пути радиусом более 650 м номинальный размер ширины колеи — 1524 мм. При этом, на бо¬лее крутых кривых ширина колеи принимается: при радиусе от 650 до 450 м ..…......1530 мм при радиусе от 449 до 350 м …........1535 мм при радиусе от 349 и менее. ..…......1540 мм Допуски на уширение +8 мм и на сужение –4 мм на участках. На участках с меньшими скоростями, т. е По высоте обе рельсовые нити должны быть на одном уровне. Допускается отклонение одной нити от другой по уровню 6 мм. Номинальный уклон отвода по уровню от нормы 6 мм к нулевому положению не должен превышать 1‰ (1 мм на 1 пог. м). По высоте обе рельсовые нити должны быть на одном уровне. Допускается отклонение одной нити от другой по уровню 6 мм. Номинальный уклон отвода по уровню от нормы 6 мм к нулевому положению не должен превышать 1‰ (1 мм на 1 пог. м). 42. Особенности рельсовой колеи в кривых участках В кривых участках устройство пути имеет ряд особенностей, основными из которых являются возвышение наружного рельса над внутренним, наличие переходных кривых, уширение колеи при малых радиусах, применение укороченных рельсов на внутренней рельсовой нити, усиление пути, увеличение расстояния между осями путей в круговых кривых двух- и многопутных линий в соответствии с требованиями габарита. Возвышение наружного рельса предусматривается при радиусе кривой 4000 м и менее для того, чтобы нагрузка на рельсовые нити была примерно одинаковой с учетом действия центробежной силы. Величина возвышения h зависит от массы поезда, скорости движения и радиуса кривой. Согласно ПТЭ максимальное возвышение наружного рельса в кривой составляет 150 мм. Наличие переходных кривых связано с необходимостью плавного сопряжения кривой с примыкающей прямой как в плане, так и в профиле пути. Переходная кривая в плане (рис. 7.3) имеет переменный радиус, уменьшающийся от бесконечно большого до радиуса R круговой кривой (с увеличением кривизны) пропорционально изменению ее длины. Кривая, обладающая таким свойством, представляет собой радиоидальную спираль. В профиле переходная кривая в обычных условиях — это наклонная прямая с постоянным уклоном / = h/l, где 1 — длина переходной кривой. Уширение колеи обеспечивает вписывание подвижного состава в кривые. Поскольку колесные пары закреплены в раме тележки таким образом, что в пределах жесткой базы они всегда параллельны друг другу, в кривой только одна колесная пара может расположиться по радиусу, а остальные находятся под углом к нему. Это требует увеличения зазора между гребнями колес и рельсами во избежание заклинивания колесных пар Ширина ко__ Укладка укороченных рельсов во внутреннюю рельсовую нить необходима для исключения разбежки стыков. Поскольку внутренняя нить в кривой короче наружной, применение рельсов одинаковой длины вызвало бы забегание стыков вперед на внутренней нити. Для предотвращения разбежки стыков каждому радиусу кривой должна соответствовать своя величина укорочения рельса. В целях унификации установлены стандартные укорочения рельсовых звеньев длиной 25 м — 80 и 160 мм. Укладку укороченных рельсов во внутреннюю нить чередуют с укладкой рельсов нормальной длины так, чтобы забегание стыков не превышало половины укорочения, т.е. 40 и 80 мм. Усиление пути в кривых осуществляют при радиусе кривой, не превышающем 1200 м, для обеспечения его равнопрочное™ с примыкающими прямыми участками. Для этого увеличивают число шпал, укладываемых на 1 км пути, уширяют балластную призму с наружной стороны кривой, устанавливают несимметричные подкладки с большим плечом на наружной стороне и применяют рельсы из наиболее твердого материала. 43. Факторы, влияющие на температуру рельсов Изменение температуры рельса происходит в условиях сложного теплообмена. Летом, находясь под действием солнечных лучей, рельсы получают тепловую энергию, тратя её часть на обратное излучение и теплоотдачу в окружающую среду. Когда рельс нагревается(тепла подводится больше, чем отводится), значения температуры в разных его точках, изменяясь во времени, всё больше возрастают. При достижения равновесия (теплового) между количеством подводимого и отдаваемого тепла температура рельсов перестаёт повышаться, хотя локальные значения температуры различных участков как по длине рельса, так и по его поперечному сечению могут довольно существенно различаться. Наблюдаемая разница в температуре по поперечному сечению рельса (головка, шейка, подошва)достигает 10ºС. Затем температура рельса понижается, а его температурное поле выравнивается. Температура рельсов зависит от многих факторов: температуры воздуха, типа рельса и состояния его поверхностей, а также ориентирования рельса относительно сторон света, плана и профиля пути; поперечного профиля земляного полотна (насыпь, выемка, нулевое место), интенсивности солнечной радиации и прозрачности атмосферы, скорости и направления ветра, качества и отражательной способности балласта и ряда других причин. При одной и той же температуре воздуха и различных сочетаниях других перечисленных факторов отличие температур в зависимости от условий может достигать 10º-15ºС и даже более. Температура рельсов летом в дневные часы, как правило, выше температуры рельсов. Разница температур рельса и воздуха является величиной переменной и с повышением максимальной температуры воздуха несколько уменьшается. Разница температур рельса и воздуха летом достигает 16-18ºС в северных регионах и 24-26ºС- в средних и южных районах страны. За расчётную разницу температур между ними летом в настоящее время принимают 20ºС 44. Устойчивость бесстыкового пути и определяющие ее факторы Обеспечение устойчивости – одна из основных проблем устройства и содержания бесстыкового пути. Обычно рассматривают несколько причин, влияющих на возникновение предельного состояния бесстыкового пути по устойчивости при движении поездов. Первая причина заключается в том, что перед движущимся колесом возникает зона, где рельс несколько приподнимается по сравнению со своим исходным положением. В этой зоне отрицательного прогиба максимальный подъем рельса составляет всего 4 % от прогиба под колесом. Однако и при таком небольшом его поднятии уменьшаются силы сцепления шпал со щебеночным основанием и сопротивление пути перемещению. Вторая причина – изменяется устойчивость пути при его вибрации позади и впереди движущегося поезда. Третья причина – происходит угон пути. При наличии надежной упругой связи рельсовых плетей с основанием эти силы относительно не велики. Однако, если на длине плети имеются участки, где плохо закреплены клеммы промежуточных скреплений, при проходе поезда по ним возникают местные подвижные плети с образованием на их концах значительных по величине дополнительных сил сжатия или растяжения. Складываясь с температурными продольными силами, они могут вызвать нарушение устойчивости путевой решетки. Критическую продольную сжимающую силу, которая вызывает потерю устойчивости путевой решетки, стремились определить как теоретически, так и экспериментально. До некоторого значения температуры tк продольная сжимающая сила возрастает до величины Nк, причем поперечные перемещения путевой решетки при этом не происходят. При дальнейшем повышении температуры появляются нелинейно изменяющиеся такие перемещения путевой решетки, растущие сначала медленно, а затем при достижении некоторой температуры tзк – весьма быстро. На конечной стадии перемещения приобретают динамический характер, и происходит выброс пути. Если нагревание рельсовых плетей прекращалось в интервале температур рельсов от tк до tзк и в дальнейшем они остывали, то путь оставался деформированным. При повторном нагревании уже искривленного пути выброс происходил, когда значения температур были они уже меньше. Е.М. Бромберг предложил конструкцию и интервалы закрепления рельсовых плетей бесстыкового пути выбирать следующим образом, чтобы предотвратить наступление первого критического состояния – начала подвижек путевой решетки. Наблюдения показали, что при потере устойчивости бесстыкового пути в кривых участках выброс происходит всегда наружу кривой. Сначала возникает поперечная сдвижка путевой решетки на небольших по длине участках(8–12 м). Непосредственно перед выбросом наружная рельсовая плеть в кривых при щебеночном балласте в плане имеет отклонения от первоначального положения, равные 15–25 мм, а при асбестовом балласте всего 5–6 мм. Допустимое по условиям обеспечения устойчивости бесстыкового пути повышение температур рельсов было определено в ходе экспериментальных исследований, на основании которых в Приложении 2 к «Техническим указаниям по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути» даны значения величин [∆tу] для вновь уложенных или переложенных повторно рельсовых плетей при различных конструкциях верхнего строения пути. 45. Расчет на прочность и жесткость балочного пролетного строения со сплошной стенкой При расположении мостов на прямых участках пути основными нагрузками, учитываемыми при расчете грузоподъемности, являются временная вертикальная нагрузка от подвижного состава и постоянная от собственного веса пролетного строения. Условие прочности изгибаемых балок пролетного строения рассматривается по нормальным напряжениям в сечениях, где происходит изменение геометрического факторов сечения. В этой связи расчет балок на прочность по нормальным напряжениям производится для сечений: в середине пролета, в местах обрывов горизонтальных листов поясов (по первому ряду заклепок), в стыках поясов и стенок балки, в местах с наибольшими ослаблениями (коррозией и другими), а также других опасных сечениях (рис. 1) 46. Нагрузки и их сочетания. Метод предельных состояний При методике предельных состояний все нагрузки классифицированы в зависимости от вероятности их воздействия на нормативные и расчетные. По признаку воздействия нагрузки разделяются на постоянные и временные. Последние могут быть длительного и кратковременного воздействия. Кроме того, есть нагрузки, которые выделяются в разряд особых нагрузок и воздействий. Постоянные нагрузки – собственный вес несущих и ограждающих конструкций, давление грунта, предварительное напряжение. Временные длительные нагрузки – вес стационарного технологического оборудования, вес складируемых материалов в хранилищах, давление газов, жидкостей и сыпучих материалов в емкостях и т.д. Кратковременные нагрузки – нормативные нагрузки от снега, ветра, подвижного подъемно-транспортного оборудования, массы людей, животных и т.п. Особые нагрузки– сейсмические воздействия, взрывные воздействия. Нагрузки, возникающие в процессе монтажа конструкций. Нагрузки, связанные с поломкой технологического оборудования, воздействия, связанные с деформациями основания в связи с изменениями структуры грунта (просадочные грунты, осадка грунтов в карстовых районах и над подземными выработками). Существует иногда термин “полезная нагрузка”. Полезной называют нагрузки, восприятие которых составляет цельное назначение сооружений, например, вес людей для пешеходного моста. Они бывают как временными, так и постоянным, например, вес монументального выставочного сооружения является постоянной нагрузкой для постамента. Для фундамента вес всех вышележащих конструкций также представляет полезную нагрузку. При действии на конструкцию нескольких видов нагрузок усилия в ней определяются как при самых неблагоприятных сочетаниях с использованием коэффициентов сочетаний . В СНиПе 2.01.07-85 “ Нагрузки и воздействия” различают: Сочетание нагрузок Расчет конструкций и оснований по пре¬дельным состояниям первой и второй групп сле¬дует выполнять с учетом наиболее неблагоприят¬ных сочетаний нагрузок или соответствующих им усилий. Эти сочетания устанавливаются из анализа реаль¬ных вариантов одновременного действия различных нагрузок для рассматриваемой стадии работы кон¬струкции или основания с учетом возможности появления различных схем приложения временных нагрузок или при отсутствии некоторых из на¬грузок. В зависимости от учитываемого состава на¬грузок следует различать: а) основные сочетания нагрузок, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных; б) особые сочетания нагрузок, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок. Временные нагрузки с двумя нормативными зна¬чениями следует включать в сочетания как длитель¬ные — при учете пониженного нормативного зна-чения, как кратковременные - при учете полного нормативного значения. При учете сочетаний, включающих постоян¬ные и не менее двух временных нагрузок, расчет¬ные значения временных нагрузок следует умножать на коэффи¬циенты сочетаний, равные: в основных сочетаниях для длительных нагру¬зок ψ1 = 0,95; для кратковременных ψ2 = 0,9; в особых сочетаниях для длительных нагрузок ψ1= 0,95; для кратковременных ψ2 = 0,8. При учете основных сочетаний, включающих постоянные нагрузки и одну временную нагрузку (длительную или кратковременную), коэффици¬енты ψ1, ψ2 вводить не следует. Метод предельных состояний — современный метод расчёта строительных конструкций, относящийся к полувероятностным методам. В соответствии с методом расчёта по предельным состояниям вместо ранее применявшегося единого коэффициента запаса прочности (по методу допускаемых напряжений) используется несколько, учитывающих особенности работы сооружения, независимых коэффициентов, каждый из которых имеет определённый вклад в обеспечение надёжности конструкции и гарантии от возникновения предельного состояния Метод предельных состояний, разработанный в СССР и основанный на исследованиях под руководством профессора Н. С. Стрелецкого[4], введён строительными нормами и правилами в 1955 году[8] и в Российской Федерации является основным методом при расчёте строительных конструкций. Этот метод характеризуется полнотой оценки несущей способности и надёжности конструкций благодаря учёту: · вероятностных свойств действующих на конструкции нагрузок и сопротивлений этим нагрузкам; · особенностей работы отдельных видов конструкций; · пластических свойств материалов. Расчёт конструкции по методу предельных состояний должен гарантировать ненаступление предельного состояния. 47. Расчет на трещиностойкость: определение величины предварительного напряжения Расчет конструкций 1-й категории трещиностойкости производят по расчетным нагрузкам с коэффициентом надежности по нагрузке γf>l (как при расчете на прочность), расчет конструкций 2-й и 3-й категории трещиностойкости ведут на действие расчетных нагрузок с коэффициентом γf=l. По 1-й категории рассчитывают предварительно напряженные конструкции, находящиеся под давлением жидкостей или газов (резервуары, напорные трубы), а также эксплуатируемые ниже уровня грунтовых вод при полностью растянутом сечении. Другие предварительно напряженные элементы в зависимости от условий работы конструкции и вида арматуры должны отвечать требованиям 2-й или 3-й категории. Все конструкции без предварительного напряжения должны отвечать требованиям 3-й категории. Наряду с нормальными и наклонными трещинами в конструкциях возможно образование продольных трещин. Для предотвращения их раскрытия устанавливают специальную поперечную арматуру, а в предварительно напряженных конструкциях напряжения в бетоне в стадии обжатия ограничиваются значением (0,65…0,85)Rbp (см. §3.4). ■ Расчет по образованию нормальных трещин. За основу расчета по образованию трещин принимают напряженно-деформированное состояние элемента в стадии 1а, при этом считают, что появление трещин в бетоне растянутой зоны происходит тогда, когда его удлинение достигнет предельного значения, а напряжения — Rbt,ser. В этот момент напряжения в напрягаемой арматуре будут равны сумме предварительного напряжения (с учетом потерь и коэффициента точности натяжения) и приращения напряжения за счет деформаций растянутого бетона после погашения его обжатия (σsp—σloss)γsp+2aRbt,ser. Напряжения в ненапрягаемой арматуре предварительно напряженных элементов равны сумме сжимающего напряжения от усадки и ползучести бетона и приращения растягивающего напряжения за счет деформаций растянутого бетона — (σ8+σ9)+2aRbt,ser. ● Центрально растянутые элементы. Трещины не образуются, если усилие от внешней нагрузки N не превысит усилия, воспринимаемого сечением при образовании трещин Ncrc: в элементах без предварительного напряжения где σs=εsEs = εbtuEs=(Rbt,ser/vtEb)Es = 2aRbt,ser; vt = 0,5; в предварительно напряженных элементах где Р — усилие предварительного обжатия, определяемое для стадии эксплуатации с учетом всех потерь, а для стадии обжатия — с учетом только первых потерь. Рис. 7.1. К определению момента образования трещин в изгибаемом элементе ● Изгибемые элементы. Для недопущения образования трещин необходимо, чтобы момент внешних сил М не превосходил момента Мcrc, воспринимаемого сечением при образовании трещин в бетоне растянутой зоны: В предварительно напряженных изгибаемых элементах появлению трещин препятствует сила обжатия, создавая в нижней зоне бетона сжимающие напряжения (рис. 7.1, а) где Р — равнодействующая усилий во всей продольной арматуре с учетом соответствующих потерь, Wred — упругий момент сопротивления; Wred=Ired/y0; Ired — момент инерции приведенного сечения относительно оси, проходящей через его центр тяжести; y0 — расстояние от центра тяжести до волокна, трещиностойкость которого определяется. Изгибающий момент Мcrc, вызывающий образование трещин в предварительно напряженном элементе, можно представить состоящим из двух слагаемых: момента M1, уменьшающего напряжения обжатия в крайнем волокне бетона до 0, и момента М2, повышающего напряжения в том же волокне от 0 до Rbt,ser: При воздействии момента M1 предполагается упругая работа бетона во всем сечении. Эпюра напряжений принимается треугольной как в сжатой, так и в растянутой зоне (рис. 7.1, б). Поэтому момент может быть выражен известной формулой сопротивления материалов Подставив (7.4) в (7.7) получи где r=Wred/Ared — расстояние от центра тяжести приведенного сечения до верхней ядровой точки (рис. 7.1, в); Мrp — момент сил обжатия, относительно более удаленной (верхней) ядровой точки. При определении М2 принимают эпюру нормальных напряжений в сжатой зоне треугольной, а в растянутой — прямоугольной с напряжением, равным Rbt,ser. Такая эпюра учитывает наличие в растянутой зоне пластических деформаций и близко соответствует опытным данным. В этом случае (рис. 7.1, в) где Wpl — упругопластический момент сопротивления приведенного железобетонного сечения, для крайнего волокна Wpl = Wredψ, ψ — коэффициент, учитывающий влияние неупругих деформаций бетона растянутой зоны [1], для прямоугольных сечений ψ = 1,75. Подставив (7.8) и (7.9) в (7.6), получим ■ Расчет по образованию наклонных трещин. Наклонные трещины в элементе будут отсутствовать при соблюдении условия где γb4 — коэффициент, учитывающий влияние двухосного напряженного состояния на прочность бетона [1]; σmt — главные растягивающие напряжения, действую¬щие в бетоне, определяемые по формуле (4.30) на уровне центра тяжести приведенного сечения. ■ Расчет ширины раскрытия нормальных трещин. Расчет производится на действие расчетной нагрузки при γf = l по II стадии напряженно-деформированного состояния. После образования трещин при дальнейшем увеличении нагрузки происходит их раскрытие. Ширина раскрытия трещин на уровне растянутой арматуры определяется из условия, что сумма удлинения Δbt растянутого бетона на участке между трещинами и ширина раскрытия трещин аcrc должны равняться удлинению арматуры на участке между трещинами (рис. 7.2): Рис. 7.2. К определению ширины раскрытия трещин в железобетонном элементе Пренебрегая удлинениями растянутого бетона как малой величиной и выражая удлинение арматуры Δas через средние относительные деформации арматуры εsm и расстояние между трещинами lcrc, получим Средние деформации εsm=ψsεs, где ψs — коэффициент, учитывающий работу бетона на участках между трещинами, тогда где εs и σs — деформации и напряжения в арматуре в сечении с трещиной. Расстояние между трещинами определяют из условия, что разность усилий в растянутой арматуре в сечениях с трещиной и между трещинами уравновешивается усилиями сцепления арматуры с бетоном. Для центрально-растянутых элементов где d — диаметр стержней; η — коэффициент, зависящий от вида и профиля арматуры; μ — коэффициент армирования. Подставив (7.15) в (7.14), будем иметь Исследования показали, что фактическая ширина раскрытия трещин вследствие неоднородности бетона и других факторов может до 1,5 раз превышать величину аcrc, определенную по формуле (7.16). В связи с этим нормы проектирования рекомендуют определять ширину раскрытия трещин, нормальных к продольной оси элемента аcrc, по эмпирической формуле, аналогичной по структуре теоретической формуле (7.16), но позволющей получать результаты, более близкие к опытным: где δ — коэффициент, для изгибаемых и внецентренно сжатых элементов δ=1, для растянутых δ = 1,2; φl — коэффициент, зависящий от длительности и характера действия нагрузки, вида бетона и его состояния; при учете кратковременных нагрузок и непродолжительного действия постоянных и длительных нагрузок φl = 1, при учете многократно повторяющихся нагрузок или продолжительного действия постоянных и длительных нагрузок для конструкций из тяжелого бетона естественной влажности φl=1,5; η — коэффициент, для стержней периодического профиля η = 1, для гладких стержней η = 1,3; μ — коэффициент армирования по растянутой арматуре, μ<0,02; σs — напряжения в стержнях крайнего ряда арматуры S или (при наличии предварительного напряжения) приращение напряжений от действия внешней нагрузки: для центрально-растянутых элементов без предварительного напряжения σs=N/As, с предварительным напряжением as = (N—P)/(Asp+As), для изгибаемых элементов с одиночной арматурой без предварительного напряжения σs=M/(Asz), с предварительным напряжением σs=[M—P(z—esp)]/[(Asp+As)z]; z — плечо внутренней пары; esp — расстояние от центра тяжести площади арматуры Sp до точки приложения усилия обжатия. Ширина раскрытия нормальных трещин зависит от напряжения в растянутой арматуре, коэффициента армирования сечения, вида и диаметра арматуры, длительности действия нагрузки. Для уменьшения ширины раскрытия трещин следует уменьшать диаметр арматуры, увеличивая ее количество, и применять арматуру периодического профиля. Для элементов 2-й категории трещиностойкости ширину непродолжительного раскрытия трещин аcrc1 определяют по формуле (7.17) от непродолжительного действия постоянных и длительных нагрузок и от действия кратковременных нагрузок. Для элементов 3-й категории трещиностойкости ширину непродолжительного раскрытия трещин аcrc определяют как сумму ширины раскрытия от продолжительного действия постоянных и длительных нагрузок аcrc3 и приращения ширины раскрытия от действия кратковременных нагрузок acrc1 — acrc2: где аcrc2 — начальная ширина раскрытия трещин от непродолжительного действия постоянных и длительных нагрузок, а значения аcrc1, аcrс2, acrc3 определяют по формуле (7.17) при соответствующих воздействиях. ● Расчет по раскрытию трещин, наклонных к продольной оси элемента. После образования наклонных трещин с дальнейшим повышением нагрузки происходит их развитие и раскрытие. Раскрытие наклонных трещин зависит от степени насыщения поперечной арматурой, продолжительности действия нагрузки и других факторов. Согласно нормам [1], ширина раскрытия наклонных трещин определяется по формуле где σsw — напряжение в хомутах: Q и Qb1 — соответственно левая и правая часть условия (4.47), в котором Rbt заменяется на Rbt,ser; при этом коэффициент φb4 умножается на 0,8; dw — диаметр поперечной арматуры; μw=Asw/bs. ■ Расчет предварительно напряженных конструкций по закрытию (зажатию) нормальных трещин. В конструкциях 2-й категории трещиностойкости допускается ограниченное по ширине раскрытие трещин от полной (постоянной, длительной и кратковременной) нагрузки, при условии их надежного зажатия при действии только постоянной и длительной нагрузки. Это обусловлено тем, что для коррозии арматуры наиболее опасно продолжительное раскрытие трещин; непродолжительное же их раскрытие во многих случаях не приводит к нарушению эксплуатации. Учет этого обстоятельства позволяет расширить область рационального использования высокопрочной арматуры и в ряде случаев получать экономию. Исследования показали, что для надежного закрытия нормальных к продольной оси трещин должны соблюдаться следующие требования: ● в напрягаемой арматуре от действия полной нагрузки не должны возникнуть неупругие деформации, которые не дадут возможность трещинам закрыться при снижении нагрузки, что обеспечивается условием где osp — предварительное натяжение в арматуре с учетом всех потерь; as — приращение напряжения в напрягаемой арматуре от воздействия внешних нагрузок, определяемое, как и в формуле (7.17); ● сечение элемента с трещиной в растянутой зоне от полной нагрузки должно оставаться обжатым при действии длительных нагрузок. При этом нормальные напряжения сжатия σb на растягиваемой внешними нагрузками грани элемента должны быть не менее 0,5 МПа. Напряжения σb определяют как для упругого тела от действия внешних нагрузок и усилия предварительного обжатия Р по формуле где Р и еор определяются по формулам (3.10) и (3.11); r=Wred/Ared. Обеспечение надежного закрытия трещин, наклонных к продольной оси элемента, затруднительно из-за некоторого сдвига друг относительно друга бетонных блоков, разделенных наклонной трещиной. Поэтому нормами [1] рекомендуется соблюдать условие, чтобы оба главных напряжения в бетоне, определяемых по формуле (4.29) на уровне центра тяжести приведенного сечения при действии постоянных и длительных нагрузок были сжимающими и не превышали бы 0,5 МПа. Расчет по 1-й категории требований к трещиностойкости производят для расчетных нагрузок с коэффициентом надежности по нагрузке (как при расчете на прочность), расчет конструкций 2-й и 3-й категорий требований к трещиностойкости ведут на действие расчетных нагрузок по 2-й группе п. с. с коэффициентом (численно равных нормативным нагрузкам). По 1-й категории рассчитывают предварительно напряженные конструкции, находящиеся по давлением жидкостей или газов (резервуары, напорные трубы), а также эксплуатируемые ниже уровня грунтовых вод при полностью растянутом сечении. Другие предварительно напряженные элементы в зависимости от условий работы конструкции и вида арматуры должны отвечать требованиям 2-й или 3-й категории. Все конструкции без предварительного напряжения должны отвечать требованиям 3-й категории. Наряду с нормальными и наклонными трещинами в конструкциях возможно образование продольных трещин. Для предотвращения их раскрытия устанавливают специальную поперечную арматуру, кроме того, при назначении величины предварительного напряжения в стадии обжатия вводят ограничение Конструкции 1-й категории самые долговечные, коррозия арматуры для них полностью исключается. Но для этих конструкций, при прочих равных условиях, требуется больше арматуры, особенно напрягаемой, и как правило, более высокие классы бетона. Поэтому чаще всего применяют самые дешевые конструкции 3-й категории, если не позволяют условия – 2-й, и, в исключительных случаях, - 1-й. 48. Расчет количества арматуры в сечениях железобетонной арки. 49. Расчеты несущей способности Целью расчета оснований по несущей способности являются обеспечение прочности и устойчивости оснований, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания. Принимаемая в расчете схема разрушения основания (при достижении им предельного состояния) должна быть как статически, так и кинематически возможна для данного воздействия и конструкции фундамента или сооружения. Расчет оснований по несущей способности производится исходя из условия , (11) где F- расчетная нагрузка на основание, определяемая по указаниям пп. 2.5-2.8; - сила предельного сопротивления основания; - коэффициент условий работы, принимаемый: для песков, кроме пылеватых = 1,0 для песков пылеватых, а также пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии = 0,9 для пылевато-глинистых грунтов в нестабилизированном состоянии = 0,85 для скальных грунтов: невыветрелых и слабовыветрелых = 1,0 выветрелых = 0,9 сильновыветрелых = 0,8 - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 1,15 и 1,10 соответственно для зданий и сооружений I, II и III классов. 50. Кинематический метод выбора возможных перемещений расчетной схемы сооружений Кинематический анализ - это исследование расчётной схемы соору¬жения (системы), выполняемое до начала расчёта с целью определения кинематического качества системы (геометрической неизменяемости, мгновенной изменяемости или геометрической изменяемости), а в случае геометрической неизменяемости системы - также для выявления её ста¬тической определимости или неопределимости. Кинематический анализ позволяет своевременно обнаружить системы, расчёт которых либо вообще невозможен методами механики деформируе¬мых тел - геометрически изменяемые системы, либо может выполняться с использованием особых подходов - системы мгновенно изменяемые. Кроме того, в результате кинематического анализа выясняется, как именно пред¬стоит рассчитывать систему - достаточно ли для определения усилий в сис¬теме одних только уравнений статики (в случае статически определимой системы) или необходимо рассматривать все три стороны задачи расчёта деформируемой системы - статическую, геометрическую и физическую (если система статически неопределимая). Сооружения должны быть гео¬метрически неизменяемы, т.е. сохранять геометрическую форму, заданную при возведении. Геометрически неизменяемые сооружения могут менять форму только в результате деформаций стержней. Степенью свободы системы называется число независимых геомет¬рических перемещений, определяющих её положение. Степень свободы Ш определяется по формуле Ш = 3Б - 2Ш - Со, (1) где Б - число дисков, Ш - число простых шарниров; Со - число опорных стержней. Если Ш > 0 — система подвижна, если Ш < 0 - система может быть неизменяемой и неподвижной с лишними связями, если Ш = 0 - сис¬тема может быть неизменяемой и неподвижной с необходимым числом связей. Формула (1) является необходимым, но недостаточным условием и должна быть дополнена анализом геометрической структуры системы. При кинематическом анализе сооружений используется ряд понятий. Плоская кинематическая цепь - подвижное соединение нескольких дисков, которые перемещаются параллельно одной плоскости. Кинематическая пара - кинематическая цепь из двух дисков. Низшая кинематическая пара - кинематическая пара, относительное движение обоих дисков которой является наиболее связанным, а траекто¬рии всех точек - совершенно однообразными. Изменяемость системы Vесть степень свободы уменьшенная на 3, т.е. V = Ш - 3. (2) В основе образования геометрически неизменяемых систем лежит шарнирный треугольник. Соединяя диски по правилу треугольника, мож¬но получить сложные геометрически неизменяемые фигуры. В геометрически неизменяемой системе каждый следующий узел должен крепиться к предыдущему двумя стержнями. Мгновенно изменяемые системы (рис. 2) имеют малую подвижность и не пригодны в качестве сооружений. При проектировании сооружений следует придерживаться следую¬щих правил: а) при прикреплении нового узла двумя стержнями осевые линии стержней не должны располагаться на одной прямой, т.е. три шарнира не должны находиться на одной прямой (рис. 2, а); б) стержни, соединяющие диски, не должны пересекаться в одной точке (рис. 2, б); в) два диска можно соединить шарниром и стержнем, причём стер¬жень не должен пересекать шарнир (рис. 2, в); г) стержни, соединяющие диски, не должны быть параллельными (рис. 2, г). Перемещение мгновенного центра вращения (полюса) и его скорость равны нулю. 51. Метод канонического разложения данных акселелограм. В некоторых случаях для описания случайного процесса применяют его представление через сумму случайных процессов более простого вида. Один из способов такого представления назы¬вается каноническим разложением [32]. При каноническом разло¬жении случайный процесс представляют в вид где mx(t)—математическое ожидание процесса; — координатные функции, являющиеся заданными неслучайными функциями времени; Vi — коэффициенты, являющиеся некоррели-рованными случайными величинами с нулевыми математическими ожиданиями и дисперсиями . В качестве координатных функций в канонических разложениях используют семейства функций, обладающих свойством ортонормированности Корреляционная функция случайного процесса (1.53) выража¬ется через его каноническое разложение так: Суммирование по переменной R исчезает, поскольку вследствие некоррелированности случайных величин и . Полагая t1 = t2=t, из (1.54) получаем выражение для дисперси 52. Проектирование и постройка тоннелей, сооружаемых горным способом Горный способ строительства тоннелей заключается в закрытой проходке, при которой все работы ведут без нарушения поверхностных условий. При этом осуществляется последовательная разработка породы в тоннеле, с установкой временной крепи, под защитой которой возводят тоннельную обделку. В практике тоннелестроения применяют различные горные способы, которые условно можно разделить на две группы: механизированные и немеханизированные. К первой группе относят способы сплошного забоя, ступенчатого забоя, нижнего уступа и новый австрийский (НАТМ). Во вторую группу включают способ полностью раскрытого профиля (австрийский), опертого свода (бельгийский), опорного ядра (германский), центральной штольни и др. Механизированные способы основаны на применении высокопроизводительного крупногабаритного горнопроходческого оборудования для разработки, погрузки и транспортировки породы, а также возведения обделки. При этом тоннельную выработку раскрывают крупными элементами и закрепляют облегченной временной крепью. Немеханизированные (полумеханизированные) способы предусматривают поэтапное раскрытие выработки с установкой громоздкой деревянной веерной крепи. Все горнопроходческие операции выполняют с применением ручного труда. Учитывая высокую трудоемкость работ и низкие темпы проходки немеханизированные способы в настоящее время применяют при сооружении коротких участков тоннелей, а также щитовых, дренажных и вентиляционных камер. Немеханизированная разработка породы востребована на восстановительных работах при аварийных ситуациях, когда невозможно применение крупногабаритной техники из-за стесненных условий. В современных условиях в основном применяют механизированные горные способы, которые наиболее эффективны в скальных и полускальных породах различной крепости. Горный способ строительства нашел широкое применение в мировой практике; этим способом построены крупные тоннели в России, Австрии, Норвегии, Швейцарии, Японии, Китае, Италии и д 53. Проектирование и постройка тоннелей, сооружаемых щитовым и специальными способами Щитовой способ применяется для сооружения тоннелей и их участков в широком диапазоне геологических и гидрологических условий – от скальных грунтов, до неустойчивых обводненных грунтов при значительном гидростатическом давлении. Наибольшее распространение щитовая проходка получила в городских условиях: при сооружении перегонных тоннелей метрополитена (рис.1.1), автодорожных и железнодорожных тоннелей (рис. 1.2 и 1.3), коммунальных тоннелей и т.д. в слабых неустойчивых грунтах, требующих усиленного крепления кровли и лба забоя. Основными факторами, определяющими выбор конструкций обделок тоннелей при щитовом способе их сооружения, являются: габарит приближения строений; инженерно-геологические и гидрологические условия; материал обделок и конструкционные требования к ним; эксплуатационные и производственные требования; технико-экономические показатели. Несущие конструкции тоннелей выполняют в виде обделок кругового очертания, что обеспечивает наиболее благоприятные условия статической работы конструкции в условиях всестороннего сжатия. Большинство тоннельных сооружений проектируются из сборных металлических или железобетонных элементов заводского изготовления. При щитовой проходке в необводненных грунтах применяют и монолитный бетон. При этом обделка создается в результате прессования гидроцилиндрами щита уложенной за опалубку бетонной массы. Сборные обделки кругового очертания в наибольшей степени отвечают требованиям индустриализации и комплексной механизации строительства, что особенно важно при щитовой проходке тоннелей. Изготовленные в заводских условиях элементы сборных обделок отличаются более высоким качеством и меньшей материалоемкостью по сравнению с монолитными. К конструкциям сборных обделок кругового очертания, сооружаемым щитовым способом, предъявляется ряд специфических требований. Конструкция должна обеспечивать темпы монтажа кольца обделки, соответствующие времени разработки грунта в забое. Обделка, сразу же после сборки, должна обладать необходимой прочностью и устойчивостью для восприятия как постоянных нагрузок от горного давления, так и временных нагрузок (от усилий щитовых домкратов, монтажных нагрузок от щитового комплекса и др.) Конструкция соединений элементов сборной обделки должна обеспечивать наименьшую трудоемкость при монтаже и удобство производства гидроизоляционных работ с обеспечением надлежащего качества. Обделка должна быть долговечной и водонепроницаемой. Кроме этого конструкция должна соответствовать требованиям, связанным с изготовлением, транспортированием и монтажом обделки в подземных условиях. Обделка должна собираться по возможности из однотипных взаимозаменяемых элементов, что обеспечивает наилучшие технологические условия ее сооружения и предоставляет возможность для применения индустриальных методов изготовления элементов в заводских условиях. В соответствии с этими требованиями, количество типоразмеров сборных элементов обделки должно быть минимальным, а размеры и масса монтажных элементов должны определяться в соответствии с технологией их изготовления, характеристиками транспортного и грузоподъемного оборудования, организацией производства работ 54. Конструкции сборных тоннельных обделок кругового очертания Материалы, предназначенные для обделок подземных сооружений, должны быть долговечными прочными, огнестойкими, устойчивыми против химической и электрохимической агрессии, соответствовать требованиям водопроницаемости и морозостойкости, обеспечивать возможность максимальной механизации работ при их применении. Основными материалами, которые наиболее полно отвечают требованиям подземного строительства, являются железобетон и чугун. Реже используются сталь и бетон, как правило, в комбинированных многослойных обделках. Выбор материала обделки подземного сооружения является одним из важнейших вопросов проектирования, поскольку вид материала в дальнейшем определяет особенности конструктивных решения подземного сооружения и отдельных его элементов, оказывает существенное влияние на организационно-технологическую схему производства работ. При выборе материала для подземных конструкций следует, прежде всего, ориентироваться на преимущества железобетона. Однако водопроницаемость бетона ограничивает область его применения в подземных конструкциях: при гидростатическом напоре подземных вод более 0,1 МПа железобетонные конструкции без дополнительных мероприятий, обеспечивающих герметичность обделки, строительными нормами применять не рекомендуется. На рубеже столетий в практику отечественного тоннелестроения внедряются сборные железобетонные обделки из водонепроницаемого бетона с гидроизолирующими прокладками в стыках, обеспечивающие герметизацию тоннеля при гидростатических напорах 0,25 МПа и более. Бетон в конструкциях подземных сооружений назначают в соответствии с требованиями нормативных документов и государственных стандартов, предъявляемыми к строительным материалам, с учётом их работы в подземных условиях. В зависимости от вида конструкций, их назначения, климатических условий в районе строительства, условий возведения и эксплуатации сооружений устанавливают показатели качества бетона. Основными показателями качества бетона являются: - класс по прочности на осевое сжатие - В; - класс по прочности на осевое растяжение - Вt; - марка по водонепроницаемости - W; - марка по морозостойкости – F. Оптимальные классы и марки бетона выбирают на основании технико-экономических соображений в зависимости от способа сооружения тоннеля, типа железобетонной обделки, её напряжённо-деформированного состояния, способа изготовления, условий эксплуатации и т.д. Для элементов сборных железобетонных обделок при закрытом способе работ рекомендуется принимать класс бетона В30; для обделок из монолитно-прессованного бетона – В25. Допускается применение бетона промежуточных классов по прочности на сжатие (например, В27,5) при условии, что это приведёт к экономии цемента по сравнению с применением бетона класса В30 и не снизит другие технико-экономические показатели конструкции. Для сокращения расхода арматурной стали в сборных железобетонных элементах, работающих в основном на сжатие, и для уменьшения размеров сечений обделок больших диаметров целесообразно использовать бетон высоких классов В45 – В60