Лекция №13 «Особенности проектирования мостовых сооружений на высокоскоростных железнодорожных магистралях (ВСМ). Конструктивные решения мостов ВСМ»

Требования к мостам ВСМ

Сегодня в мировой практике принята следующая классификация железнодорожных линий, в зависимости от скорости движения поездов: до 140…160 км/ч – обычные железные дороги; свыше 161 и до 200км/ч – скоростные магистрали; свыше 200км/ч – высокоскоростные магистрали. К 2012 году ВСМ функционировали на территории Бельгии, Великобритании, Германии, Испании, Италии, Нидерландов, Франции, Швеции, США, Китая, Кореи и Японии общая длина их составляет около 15 000км.

К основным особенностям, учёт которых необходим при проектировании искусственных сооружений для ВСМ, следует отнести:

- уменьшенная по сравнению с действующими нормами нагрузка, в случае если магистраль строится специально для высокоскоростного пассажирского движения (поезда постоянного формирования с возможностью движения в обоих направлениях; кузова поездов из легких сплавов, композитных материалов; предельная нагрузка на ось 11 … 17тс; высокая удельная тяговая мощность 11 … 24 кВт на 1 т массы);

- повышенные по сравнению с обычными нормами требования по жесткости мостового сооружения (существенное уменьшение величин допустимых прогибов);

- необходимость учета аэродинамических воздействий для конструкций с ездой понизу и, особенно, к легким пешеходным мостам над железными дорогами;

- повышенные требования к деталям сопряжения мостов с подходными насыпями, которые должны обеспечить плавное изменение жесткости пути при движении поезда с насыпи на мост и обратно;

- повышенные требования к элементам верхнего строения пути на мостах и подходах (шпалы – железобетонные, моноблочные или двухблочные, с эпюрой 1666 шт. на 1 км; масса рельсов не менее 60 кг/пог.м, при этом – рельсы сваренные в плети «бесконечной» длины; рельсовые скрепления – пружинных типов);

- особые требования по радиусам горизонтальных кривых: при максимальной скорости 200 км/ч – рекомендованный R=2500 м (идеальный R=3500 м); при максимальной скорости 300 км/ч – рекомендованный R=5500 м (идеальный R=7000м);

- величина предельного уклона (в зависимости от рельефа местности, особенностей эксплуатации и подвижного состава) – пассажирское движение – 35 … 40‰, смешанное движение – 12 … 15‰;

- высокая интенсивность движения поездов (в частности максимальная частота движения высокоскоростных поездов в мире зарегистрирована на ВСМ «Токайдо» в Японии, она составляет – 15 отправлений в час);

- достаточно высокие стоимостные показатели (цена строительства 1км – 12 … 30 млн.?; стоимость годового обслуживания 1км – 70тыс.?; цена одного поезда (350 мест) – 20 … 25млн.?; стоимость обслуживание одного поезда – 1млн.? в год).

При этом принципиальных отличий в принципах проектирования основных несущих конструкций мостовых сооружений для ВСМ и для обычных железных дорог практически нет. Для организации скоростного движения поездов «Сапсан» и «Аллегро» по действующим трассам железных дорог РФ переустройства мостовых сооружений практически не потребовалось, т.к. они были запроектированы с достаточным запасом и требуемые жесткостные параметры обеспечивали.

В государствах, где сооружаются ВСМ (Япония, Франция, Германия, Италия и др.) ведутся интенсивные научно-исследовательские работы, посвященные отработке конструктивных и технологических решений искусственных сооружений на ВСМ. В связи с особенностями высокоскоростных магистралей (ВСМ), обусловливающими трассы с большими радиусами кривых в плане (до 5000–7000 м), малыми продольными уклонами (до 12,5‰) и возможным наличием плотной городской застройки возникает необходимость проектирования и строительства большого количества искусственных сооружений на ВСМ – путепроводов, виадуков, эстакад, мостов. В отличие от обычного, не скоростного, движения при высоких скоростях требуется использование мощного верхнего строения пути (в том числе на мостах) с бесстыковыми рельсовыми плетями большой длины (от входной стрелки одной станции до входной стрелки другой станции). Необходимость использования бесстыкового пути на мостах объясняется стремлением улучшить условия воздействия пути и подвижного состава, уменьшить на мосты динамические воздействия, обусловленные наличием рельсовых стыков, повысить комфортабельность проезда. Однако бесстыковой путь вносит существенные коррективы в работу искусственного сооружения по сравнению со звеньевым путем: при воздействиях температурных и силовых факторов мост начинает работать как единая система «мост–бесстыковой путь» (МБП), следовательно, становится возможным перераспределение усилий в элементах этой системы.

В случае достаточно большой длины моста, особенно при большой высоте мостовых опор, при гибких опорах эстакад, а также на мостах больших пролетов в рельсах бесстыкового пути на мосту и подходах (при езде по безбалластному и балластному мостовому полотну) могут возникать значительные дополнительные напряжения, не учитываемые в нормах. Перенапряжения возможны и в элементах мостовых конструкций в силу связанности элементов системы МБП. Дополнительные напряжения возникают за счет сил сопротивления сдвигу по балласту (при балластном мостовом полотне) точек пролетных строений моста относительно рельсов бесстыкового пути при температурных и поездных воздействиях. В нормах Германии DS 899/59 величина дополнительных напряжений в рельсах пути пролетных строений с ездой на балласте, возникающих при деформациях пролетных строений от изменений температуры и действия сил торможения подвижного состава, ограничиваются. Нормами ограничиваются и деформации пролетных строений (углы поворота в профиле, углы в плане между смежными пролетными строениями).