RU218771U1 - Железобетонная шпала - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к конструкции верхнего строения железнодорожного пути, а именно к конструкции железобетонной шпалы для нераздельного рельсового скрепления с шурупно-дюбельным прикреплением рельса к шпале. Техническим результатом полезной модели является повышение надежности и ресурса конструкции шпалы. Заявленный технический результат достигается за счет конструкции железобетонной шпалы с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и подрельсовыми площадками, содержащей элементы продольной предварительно напряженной арматуры, полимерные дюбели, установленные в продольной вертикальной плоскости железобетонной шпалы на концах подрельсовых площадок и включающие установленные на них армирующие спирали. Согласно полезной модели верхний ряд арматуры расположен на расстоянии не менее 30 мм от верхней поверхности подрельсового основания, нижний ряд арматуры расположен на расстоянии не менее 35 мм от подошвы шпалы, крайние боковые элементы арматуры расположены в свету на расстоянии не менее 20 мм от боковых поверхностей шпалы, в подрельсовом сечении шпалы центр тяжести арматуры находится ниже центра тяжести указанного поперечного сечения на 6-10 мм, а в среднем сечении шпалы центр тяжести арматуры находится выше центра тяжести приведенного поперечного сечения на 3-8 мм.

Description

Полезная модель относится к конструкции верхнего строения железнодорожного пути, а именно к конструкции железобетонной шпалы для нераздельного рельсового скрепления с шурупно-дюбельным прикреплением рельса к шпале.

Из уровня техники известны следующие решения.

Известна железобетонная шпала с осевыми нагрузки до 400 кН, содержащая концевые участки, участки для крепления рельсов и участки сопряжения со средним участком, имеющим ширину меньше ширины других участков, при этом средний участок в поперечном сечении выполнен в виде трапеции, а участки для крепления рельсов выполнены с сопряженными между собой наклоненными к горизонтали гранями, одними из которых образованы грани соответствующих концевых участков, при этом участки сопряжения со средним участком выполнены с наклоненными к горизонтали гранями, одни из которых сопряжены с другими гранями участков для крепления рельсов (RU 2504611 С2, дата публикации 20.01.2014).

Основными недостатками известной железобетонной шпалы являются отсутствие косвенного армирования в подрельсовых зонах, а также отсутствие указания на схему расположения элементов арматурного пакета в корпусе шпалы, влияющей на надежность и долговечность шпалы.

Наиболее близким аналогом является железобетонная шпала, включающая железобетонный брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и верхними подрельсовыми площадками, элементы продольной предварительно напряженной арматуры, закладные элементы, установленные в продольной вертикальной плоскости железобетонного бруса на концах подрельсовых площадок, арматура выполнена в виде стержней диаметром 3-10,5 мм с рифлением, расположенных симметрично относительно поперечного сечения шпалы, в количестве от 4 до 50, причем стержни равномерно распределены в вертикальной плоскости поперечного сечения железобетонной шпалы, закладные элементы выполнены в виде дюбелей, состоящих из корпуса с установленным на нем армирующим элементом в виде спирали, содержащим верхнее цилиндрическое основание и участок с внутренней и наружной резьбой, при этом спираль имеет форму песочных часов с уменьшением диаметра в средней части и расширением к верху и к низу в форме конуса (RU 213838 U1, дата публикации 30.09.2022).

Недостаток известной конструкции заключается в недостаточно надежном косвенном армировании подрельсовой зоны, кроме того, не указана толщина защитного слоя бетона, которая при малых значениях влияет на надежность и долговечность шпалы.

Техническим результатом патентуемой полезной модели является повышение надежности и ресурса конструкции шпалы.

Заявленный технический результат достигается за счет конструкции железобетонной шпалы с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и подрельсовыми площадками, содержащей элементы продольной предварительно напряженной арматуры, полимерные дюбели, установленные в продольной вертикальной плоскости железобетонной шпалы на концах подрельсовых площадок и включающие установленные на них армирующие спирали в виде конусов. Согласно полезной модели верхний ряд арматуры расположен на расстоянии не менее 30 мм от верхней поверхности шпалы, нижний ряд арматуры расположен на расстоянии не менее 35 мм от подошвы шпалы, крайние боковые элементы расположены на расстоянии не менее 20 мм от боковых поверхностей шпалы, в подрельсовом сечении шпалы центр тяжести арматуры находится ниже центра тяжести указанного поперечного сечения на 6-10 мм, а в среднем сечении шпалы центр тяжести арматуры находится выше центра тяжести приведенного поперечного сечения на 3-8 мм.

В частном случае осуществления полезной модели, армирующие спирали дюбелей выполнены в форме конусов с диаметром, увеличивающимся в направлении от нижнего основания шпалы к верхнему.

В частном случае осуществления полезной модели на подошве шпалы установлена подшпальная прокладка.

В частном случае реализации полезной модели упругая прокладка выполнена цельной деталью или состоит из составных частей, размеры прокладки соответствуют габаритным размерам подошвы конкретного типа железобетонной шпалы.

В частном случае реализации полезной модели подшпальная прокладка выполнена из упругого материала и включает верхний соединительный слой, посредством которого прокладка интегрирована в материал шпалы.

В частном случае реализации полезной модели арматуры имеют диаметр от 5-8 мм.

В частном случае реализации полезной модели стержни использованы в количестве от 10-12 шт.

В частном случае реализации полезной модели арматуры расположены симметрично относительно продольной оси шпалы и равномерно распределены в вертикальной плоскости поперечного сечения железобетонной шпалы.

Предлагаемая конструкция имеет равномерное расположение армирующих предварительно напряженных элементов в виде высокопрочной арматуры из стали периодического профиля. В результате проведенных прочностных расчетов и подбора расположения арматуры, в том числе оптимизации раскладки элементов арматуры в арматурном пакете, соблюдены требования к защитному слою бетона, который обеспечивается за счет заявленных значений расстояний от внешних поверхностей шпалы до крайних элементов арматуры, поэтому даже незначительное трещинообразование в шпале вследствие передаваемых во время ее эксплуатации, не приводит к попаданию влаги на арматуру, и следовательно, позволяет избежать коррозии арматуры.

Для подрельсового сечения шпалы центр тяжести арматуры находится ниже центра тяжести приведенного поперечного сечения на 6-10 мм (эксцентриситет обжатия), что определяет более высокий уровень предварительных сжимающих напряжений по подошве шпалы, относительно верха поверхности подрельсовой площадки, тем самым увеличивая трещиностойкость подрельсового сечения при действии положительного изгибающего момента. Для среднего сечения Б-Б шпалы центр тяжести арматуры находится выше центра тяжести приведенного поперечного сечения на 3-8 мм (эксцентриситет обжатия), что определяет более высокий уровень предварительных сжимающих напряжений по верху в среднем сечении шпалы, относительно средней части подошвы шпалы, тем самым увеличивая трещиностойкость среднего сечения при действии отрицательного изгибающего момента.

При этом дополнительно усилены зоны повышенной концентрации напряжений и наиболее вероятного трещинообразования: в зоне крепления к шпале рельсов за счет конусообразных спиралей, закрепленных вокруг дюбелей, с усилением в области верхней контактной поверхности шпалы. Спираль фиксируется на нижних витках дюбеля за счет того, что диаметр нижних витков спирали может быть равен наружному диаметру дюбеля в нижней части и составлять более 22 мм, а внутренний диаметр верхнего витка спирали может быть более или равен 70 мм, при этом промежуток между дюбелем и применяемой спиралью заполняется бетонной смесью с вяжущим материалом с инертным заполнителем, в том числе крупной фракции, который впоследствие затвердевает, таким образом, дюбель надежно замоноличивается в железобетонное основание и в результате повышается долговечность железобетонной конструкции. Соответственно, объем заполнителя в спирали с конусом вверх больше чем в геометрии в форме песочных часов.

Таким образом, все существенные признаки полезной модели направлены на повышение надежности и долговечности шпалы.

Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.

Фиг. 1 – вид шпалы железобетонной сбоку.

Фиг. 2 – вид шпалы железобетонной сверху.

Фиг. 3 – вид А-А с фиг. 1.

Фиг. 4 – вид Б-Б с фиг. 1.

Фиг. 5 – вид В-В с фиг.2.

Фиг. 6 – схемы проведения испытаний шпалы на нагрузки.

Шпала предназначена для применения на железнодорожных путях с высокой грузонапряженностью и шириной рельсовой колеи 1520 мм, по которым обращается подвижной состав с осевыми нагрузками до 32 тс. Шпала рассчитана на применение с рельсами типа Р65, Р75 с подкладочным шурупно-дюбельным промежуточным креплением.

Железобетонная шпала представлена в виде железобетонного бруса 1 с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и подрельсовыми площадками 2.

В подошву шпалы интегрирована подшпальная упругая прокладка 3. Подшпальная упругая прокладка 3 выполнена из эластомерного материала и включает верхний соединительный слой, посредством которого прокладка интегрирована в подошву шпалы. Подшпальная упругая прокладка 3 в разных вариантах реализации выполнена цельным элементом или состоит из составных частей. Размеры прокладки соответствуют габаритным размерам подошвы конкретного типа железобетонной шпалы.

В подрельсовых площадках шпалы 2 установлены закладные элементы в виде полимерных дюбелей 4, расположенные в продольной вертикальной плоскости железобетонной шпалы на концах подрельсовых площадок 2 и включающие установленные на них армирующие спирали 5. Армирующие спирали 5 дюбелей 4 выполнены в форме конусов с диаметром, увеличивающимся в направлении от нижнего основания шпалы к верхнему.

Внутри шпалы размещены элементы продольной предварительно напряженной арматуры, выполненные в виде высокопрочной арматуры 6 из стали периодического профиля. Стержни имеют диаметр 5-8 мм и использованы в количестве от 10-12 шт. Армирующие стержни 6 расположены относительно вертикальной плоскости продольной оси шпалы и равномерно распределены в вертикальной плоскости поперечного сечения железобетонной шпалы. Верхний ряд арматуры расположен на расстоянии d1 не менее 30 мм от верхней поверхности подрельсового основания, нижний ряд арматуры расположен на расстоянии d2 не менее 35 мм от подошвы шпалы, крайние боковые элементы арматуры расположены на расстоянии в свету d3 не менее 20 мм от боковых поверхностей шпалы, а расстояние d4 между соседними стержнями составляет не более 30 мм.

Для подрельсового сечения А-А шпалы центр тяжести арматуры находится ниже центра тяжести приведенного поперечного сечения на 6-10 мм (эксцентриситет обжатия). Для среднего сечения Б-Б шпалы центр тяжести арматуры находится выше центра тяжести приведенного поперечного сечения на 3-8 мм (эксцентриситет обжатия).

Пример осуществления полезной модели.

Изготовлена шпала следующего типоразмера:

расстояние между упорными наружными плоскостями углублений в подрельсовых площадках разных концов шпалы – 1968 мм;

ширина колеи – 1520 мм;

высота шпалы по середине подрельсовой площадки – 222 мм;

высота шпалы в средней части шпалы – 185 мм.

Подшпальная упругая прокладка 3 выполнена из материала с жесткостью, характеризуемой статическим модулем упругости, 0,1-0,5 Н/мм3, и интегрирована в подошву шпалы на величину равную от 3 до 10 мм, что позволяет, с одной стороны, обеспечить необходимую адгезию подшпальной прокладки и бетона шпалы, выполнив при этом требования к толщине защитного слоя, а с другой - создаёт дополнительный внешний упругий слой, который контактирует с поверхностью подшпального основания (балластной призмой).

Для армирования шпал используют арматуру из стали периодического профиля диаметром 5-8 мм с прочностью на растяжение не менее 1670 МПа. Использовано 10 шт. стержней с расположением в шахматном порядке (фиг.5). Расстояние от подошвы шпалы до крайнего нижнего элемента арматуры составляет 35 мм, от верхней поверхности шпалы до крайнего верхнего элемента арматуры – 30 мм, и от боковых поверхностей до боковых элементов арматуры в свету – 20 мм. Центр тяжести арматуры относительно центра тяжести шпалы смещен на 6 мм выше в средней части (по продольной оси) шпалы и смещен на 8 мм ниже в подрельсовой зоне шпалы.

В зоне дюбеля выполнено дополнительное армирование в виде спирали, установленной на дюбель и имеющей форму перевернутого конуса, с диаметром, увеличивающимся в направлении от нижнего основания шпалы к верхнему. Спираль выполнена в виде стальной проволоки диаметром 5 мм. Внутренний диаметр верхнего витка спирали равен 70 мм; диаметр нижних витков спирали равен наружному диаметру дюбеля в нижней части и составляет 22 мм.

Далее приведены нагрузки, которые выдерживает указанная конструкция при испытании на трещиностойкость, схема испытаний показана на фиг.6 (а, б, в) для разных направлений изгиба. В испытаниях были использованы: стальная пластина 7 толщиной не менее 25 мм, с уклоном нижнего основания 1:20, стальная пластина 8, упругая прокладка 9 из дерева толщиной не менее 25 мм, либо из резины толщиной не менее 10 мм, стальная опора 10 и стальная пластина 11 толщиной не менее 75 мм.

Фиг.6 (а) иллюстрирует схему испытаний на контрольные нагрузки для конструкции шпалы: посередине подрельсового сечения с направлением изгиба вниз 170 кН (17,3 тс). Расстояния 11 и 12 равны 400 мм.

Фиг. 6 (б) иллюстрирует схему испытаний на контрольные нагрузки для конструкции шпалы: в среднем сечении c направлением изгиба вверх 147 кН (15,0 тс), расстояния 13 и 14 равны 300 мм.

Фиг. 6 (в) иллюстрирует схему испытаний на контрольные нагрузки для конструкции шпалы: в среднем сечении c направлением изгиба вверх 74 кН (7,5 тс). Расстояния 11 и 12 равны 400 мм.

Claims (8)

1. Железобетонная шпала с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением и подрельсовыми площадками, содержащая элементы продольной предварительно напряженной арматуры, полимерные дюбели, установленные в продольной вертикальной плоскости железобетонной шпалы на концах подрельсовых площадок и включающие установленные на них армирующие спирали, отличающаяся тем, что верхний ряд арматуры расположен на расстоянии не менее 30 мм от верхней поверхности подрельсового основания, нижний ряд арматуры расположен на расстоянии не менее 35 мм от подошвы шпалы, крайние боковые элементы арматуры расположены в свету на расстоянии не менее 20 мм от боковых поверхностей шпалы, в подрельсовом сечении шпалы центр тяжести арматуры находится ниже центра тяжести указанного поперечного сечения на 6-10 мм, а в среднем сечении шпалы центр тяжести арматуры находится выше центра тяжести приведенного поперечного сечения на 3-8 мм.

2. Железобетонная шпала по п.1, характеризующаяся тем, что армирующие спирали дюбелей выполнены в форме конусов с диаметром, увеличивающимся в направлении от нижнего основания шпалы к верхнему.

3. Железобетонная шпала по п.1, характеризующаяся тем, что в подошве шпалы интегрирована подшпальная прокладка.

4. Железобетонная шпала по п.3, характеризующаяся тем, что упругая подшпальная прокладка выполнена цельным элементом или состоит из составных частей, размеры прокладки соответствуют габаритным размерам подошвы конкретного типа железобетонной шпалы.

5. Железобетонная шпала по п.3, характеризующаяся тем, что подшпальная прокладка выполнена из эластомерного материала и включает верхний соединительный слой, посредством которого прокладка интегрирована в подошву шпалы.

6. Железобетонная шпала по п.1, характеризующаяся тем, что арматура имеет диаметр от 5-8 мм.

7. Железобетонная шпала по п.1, характеризующаяся тем, что стержни использованы в количестве от 10-12 шт.

8. Железобетонная шпала по п.1, характеризующаяся тем, что элементы арматуры расположены симметрично относительно продольной оси шпалы и равномерно распределены в вертикальной плоскости поперечного сечения железобетонной шпалы.

Images