Застосування залізобетонного бетону в фундаменті трамвайних шляхів Наукова робота на тему «Матеріалознавство"

Автореферат наукової роботи з матеріалознавства, автор наукової статті - В.В. Гарбарук, Є.П. Дудкін, В.А. Івлєв

Анотація Застосування залізобетонного залізобетонного полімеру є однією з найбільш перспективних тенденцій розвитку трамвайної колії. Вперше він був успішно використаний як фундамент трамвайної колії в 2010-2011 роках. Аналіз таких конструкцій продемонстрував низку їх переваг: скорочення строків будівництва, економічні вигоди з точки зору зниження собівартості та робочої сили та спрощення технології будівництва. Математичне моделювання характеристик міцності конструкції та випробування на місцях із зазначенням параметрів моделі необхідні для подальшого використання залізобетонного бетону як фундаменту трамвайної колії.

Подібні теми наукової роботи з Матеріалознавства, автор наукової статті - В.В. Гарбарук, Є.П. Дудкін, В.А. Івлєв

Наукова робота на тему "Застосування залізобетонного бетону в фундаменті трамвайної колії"

Доступно в Інтернеті за адресою www.sciencedirect.com

Procedureía Engineering 189 (2017) 836 - 840

Транспортна геотехніка та геоекологія, TGG 2017, 17-19 травня 2017 р., Санкт-Петербург,

Застосування залізобетонного бетону в фундаменті трамвайної колії

В.В. Гарбарука, Є.П. Дудкіна *, В.А. Івлієва

a Державний транспортний університет імператора Олександра I, Московський проспект 9, Санкт-Петербург, 190031, Росія

Застосування залізобетонного залізобетонного полімеру є однією з найбільш перспективних тенденцій розвитку трамвайної колії. Вперше він був успішно використаний як фундамент трамвайної колії в 2010-2011 роках. Аналіз таких конструкцій продемонстрував низку їх переваг: скорочення строків будівництва, економічні вигоди з точки зору зниження собівартості та робочої сили та спрощення технології будівництва. Математичне моделювання характеристик міцності конструкції та випробування на місцях із зазначенням параметрів моделі необхідні для подальшого використання залізобетонного бетону як фундаменту трамвайної колії.

Рецензування під відповідальністю наукового комітету Міжнародної конференції з транспортної геотехніки та геоекології Ключові слова: залізобетон; дизайн трамвайної колії; розрахунок міцності;

Застосування полімерного залізобетонного залізобетону є однією з перспективних тенденцій вдосконалення конструкції трамвайної колії. Виникнення і розподіл тріщин в залізобетонних плитах контролюється поздовжніми брусками, однак утворені мікротріщини все ще можуть сприяти корозії та відшаруванню матеріалу. Застосування макросинтетичних волокон замість арматурної сталі пропонує багато переваг: залізобетон має таку саму монолітну структуру, що і неармований бетон; бетонні плити армовані по всьому своєму об’єму, тоді як сталеві прутки перетинають лише частину внутрішнього простору; ефективна профілактика росту тріщин; полегшення кріплення рейок; спрощена установка індуктора тріщин; менший витік струму між системами змінного та постійного струму; краща стійкість структури до

* Відповідний автор. Тел .: Тел .: + 7-812-457-8695; факс: + 7-812-457-8832.

Адреса електронної пошти: [email protected]

Рецензування під керівництвом наукового комітету Міжнародної конференції з транспортної геотехніки та геоекології doi: 10.1016/j.proeng.2017.05.131

ефекти, що спричиняють зрушення у врегулюванні та викривлення напруги; стійкість до електрокорозії, ініційованої струмовими ефектами землі [1, 2].

1. Досвід застосування

У 2010 році в Берліні компанія Rail.One спільно з Rosenberg Engineering Company розробила спеціальний залізобетон, що відповідає європейським та німецьким стандартам та вимогам до залізничної колії RHEDA CITY. У жовтні 2010 року ця конструкція була вперше застосована на мосту в трамвайній мережі Berliner Verkehrsbetriebe (BVG, Берлінська транспортна компанія). [3].

Тестова зона була розділена на 2 доріжки, одну із традиційного бетонного фундаменту, а іншу з використанням нового синтетичного волокна. Другу колію проклали за допомогою еластичних базових колодок, що відокремлювали колію від основи мосту. Це збільшило вертикальний прогин фундаменту трамвайної колії. Після декількох тижнів експлуатації був проведений детальний огляд ділянки та виявлені тріщини на ділянці з традиційним бетонним фундаментом. У фібробетоні не виявлено тріщин. [4]. Навіть після більш ніж двох років експлуатації в екстремальних погодних умовах (до -20 ° C протягом тривалого періоду) у фібробетоні не було виявлено видимих тріщин [3].

Також подібну систему використовувала Verkehrsbetriebe Karlsruhe (VBK, Karlsruhe Transport Company) при реконструкції старих та будівництві нових трамвайних ліній. Застосування залізобетонної конструкції показало ряд переваг порівняно з традиційною конструкцією. Наприклад, раніше для будівництва одного кілометра споруди міста Реда використовували 16,5 тонни сталевих прутків. При використанні залізобетонного волокна потрібно 2,8 тонни синтетичних волокон. І оскільки волокно додається до суміші вже на бетонному заводі, на будівельному майданчику немає жодних логістичних та просторових вимог. Крім того, завдяки зменшенню кількості важких сталевих деталей вартість транспортування всієї конструкції значно нижча. Крім того, відсутність необхідності в укладанні арматурних сіток зменшує час і затрати праці на будівництво. Також немає необхідності ізолювати поздовжню арматуру від компонентів систем сигналізації, що додатково знижує витрати на будівництво [5].

У Блекпулі (Англія) в ході модернізації трамвайної лінії із застосуванням систем сигналізації, які надавали трамваям пріоритет над автомобільним транспортом, конструкція з армуючою рамою була замінена конструкцією зі сталевого волокна через необхідність свердлити додаткові отвори для встановлення нової колії [6, 7].

У 2010 та 2011 роках, в ході розширення та реконструкції А та С ділянок трамвайної лінії Nr. І. в Сегеді та будівництво трамвайної лінії Nr. II на всіх перетинах армований бетон був застосований з волокном Barchip 48 японського виробництва. Проект мав великий успіх. Подібна структура з використанням волокна 48 Barchip була використана в Таллінні (Естонія), Санкт-Петербурзі (Росія) та Будапешті (Угорщина) [8].

2. Результати дослідження

У дослідженнях, проведених Королівським технологічним інститутом KTH, було порівняно 3 моделі фундаментів без баласту: модель 1 - бетонна плита з класичним армуванням; модель 2 - бетонна плита, армована сталевим волокном; і модель 3 - поєднання арматурних каркасів і сталевого волокна. [9].

Ці дослідження показали, що моделі 2 і 3 набагато кращі за моделі 1 з точки зору конструкції, маси та вартості, але поступаються за характеристиками міцності.

Відзначається, що слід враховувати "людський фактор", оскільки в процесі прокладання арматурних сіток проводиться багато ручних робіт. У процесі скріплення арматури тіла трудящих перебувають у незручному положенні. Зокрема, під час влаштування фундаменту на рівні дороги неможливо уникнути незручного положення тіла. Це призводить до втоми та пошкодження тіла (плечей, хребта, спини тощо). Усі ці негативні фактори виключаються у разі застосування монолітного фібробетону.

Для визначення ефективності використання фібробетону в конструкціях основи рейок випробовували стійкість поперечного зсуву. За допомогою випробувальної установки (рис. 1) горизонтальна сила через рейки була подана до бетонного фундаменту, змушуючи його протистояти прикладеним навантаженням. Поступове поступове підвищення тиску супроводжувалося розтріскуванням. Кожну тріщину реєстрували та вимірювали її ширину.

Рисунок 1 Горизонтальне випробувальне обладнання.

Випробування проводили на зразках бетону товщиною 60 і 100 мм. В результаті був побудований графік, що відображає залежність деформації від прикладеного навантаження (рис. 2). Тест показав, що бетон, армований мікросинтетичними волокнами, витримує навантаження 8,8 і 10,2 тонни відповідно, в залежності від товщини елемента.

Обидва зразки продемонстрували значні залишкові показники після появи перших тріщин, що доводить, що введення армуючих волокон Barchip значно покращує стійкість бетону до горизонтальних навантажень.

Рисунок 2. Залежність деформації від навантаження.

Ряд досліджень показав, що заміна сталевої арматури полімерним волокном сприяє зменшенню загальних викидів вуглецю на 50-70% [10].

ПГУПС провела динамічні випробування експлуатаційних властивостей фібробетонного фундаменту при циклічних навантаженнях. Тестували модель фізичної трамвайної колії, зображену на малюнку 3. Модель була завантажена з вертикальною динамічною силою 5

Частота Гц. Максимальним зусиллям було навантаження трамвайного колеса на рейку, рівне 42,5 кН, мінімальним зусиллям було 5 кН. Кількість циклів опромінення визначали розрахунком відповідно до даних Державного унітарного підприємства "Горелектротранс" і відповідає періоду експлуатації трамвайної колії - не менше 25 років (5 млн. Циклів). Проведені динамічні випробування повністю підтвердили працездатність конструкції. Візуальних руйнувань на волокнисто-бетонній основі та асфальтовому покритті не зафіксовано. Напруга у фібробетоні була значно нижчою, ніж допустима напруга, що доводить застосовність цієї конструкції із терміном служби 25 років [11.12].

Рисунок 3. Фізична модель трамвайної колії.

Для визначення міцності фібробетонного трамвайного фундаменту насамперед необхідно виявити міцнісні властивості залізобетонного залізобетону. Властивості залізобетонного волокна як композиційного матеріалу залежать від властивостей його компонентів. Основні фактори включають тип бетону, волокнистий матеріал, а також довжину та діаметр армованих волокнами полімерних прутків. Теоретичні та експериментальні дослідження деформаційних властивостей залізобетонних волокон та їх досвід застосування були використані для з'ясування ефективного асортименту конструкцій, а також споруд та виробів з них. Однак застосування залізобетонного волокна як фундаменту трамвайної колії вимагає подальших лабораторних та польових випробувань, детальних вимог до бетону та волокнистого матеріалу та побудови моделі міцності для залізобетонного фундаменту трамвайної колії з урахуванням основних параметрів матеріалу та поведінки конструкцій під рухомим складом умови та інші специфічні фактори [13, 14]. 3. Методи обчислення

Розрахунок міцності можна виконати для підшипникової пластини трамвайної колії одним із трьох методів:

• Як жорсткий дорожній килимок

• Як фундаментна плита

• Як трамвайна колійна мостова споруда

Розрахунок міцності фундаментної плити трамвайної колії як жорсткої конструкції дорожнього мату вимагає аналітичної моделі, прийнятої щодо армування бетонним бетоном. Потім визначається проектний потік із терміном служби проекту 50 років. Далі розраховується проектна міцність та надійність покриття колії. Слід зазначити, що в цьому розрахунку напруги визначаються з урахуванням місць розташування арматурних стержнів, але залізобетон із волокнистими властивостями розсіює армування, і це також слід враховувати при розрахунку. Крім того, площа контакту визначається шляхом розрахунку вигину залізниці та порівняння з вигином бетону з подальшим визначенням максимальних напружень, які будуть виникати в бетонній основі у випадку мінімальної площі контакту залізниця/бетон. Перевагою цього методу є той факт, що при розрахунку враховується жорсткість шару покриття та циклічний характер прикладання навантаження. Однак він також має деякі обмеження, оскільки він ігнорує параметри армування і обчислюється лише концентроване навантаження.

Розрахунок міцності опорної плити трамвайної колії як мостової конструкції передбачає згинальний момент у несучому залізобетонному підставі значно більше допустимого. Тому необхідно враховувати базову поведінку, яка повинна бути пропорційною навантаженню, прикладеному вертикально, щоб забезпечити реалістичні умови структурної поведінки. Більше того, слід мати на увазі, що розглянутий ефект колісної пари також включатиме сили згинання та напруження, що виникають у рівнині, ортогональній до поздовжньої осі колії. Для врахування цього коефіцієнта необхідно визначити ширину елемента, на який впливають зусилля від одного колеса в кожній парі. Якість проведених розрахунків можна поліпшити шляхом розрахунку міцності опорної плити трамвайної колії під трамвайним навантаженням з урахуванням еластичної поведінки основи з визначеним модулем реакції або деформації грунту. Цей метод має такі переваги, як вказаний розподіл потенційних напружень, визначений методом скінченних елементів. Однак поведінка основи ігнорується, коли розраховується як балка, і це зводиться до розрахунку фундаментної плити, коли розраховується як плита.

Розрахунок міцності базової плити трамвайної колії як фундаментної плити вимагає визначення параметрів основи та компонентів навантаження від трамвая до плити. Спроектована конструкція укладається на підготовлену основу, що складається з бетону, щебеню та піску. Товщина цих структурних шарів може змінюватися в залежності від конкретних умов, що призводять до змін міцності основи, на яку укладається плита трамвайної колії. Потім обчислюються значення модулів реакції нижчого рівня. Після цього необхідно визначити геометрію трамвайної пластини та розглянути найгірший випадок навантаження. Обмеження цього методу полягає в тому, що він ігнорує циклічний характер прикладання навантаження. До переваг можна віднести розглянуту рівномірну еластичність основ і вказаний розподіл напружень в поперечному перерізі в пластині. Розрахунок міцності опорної плити трамваю як фундаментної плити дає найбільш послідовні результати, оскільки різниця між теоретичними та експериментальними даними становить 16%. Цей метод визначає сили, що виникають у кожному кінцевому елементі, що дозволяє аналізувати загальний напружений стан пластини. Тому цей метод рекомендується для розрахунку міцності базової плити трамвая.

Існує лінійна залежність напружень на вигин, що виникають від міцності основи основи та осьового навантаження у розглянутих діапазонах осьових трамвайних навантажень та значень модулів реакції основи. Це дає змогу розробити уніфіковані зведені таблиці значень сил, що виникають у опорній плитці трамвая як функцію модуля реакції нижнього шару та осьового трамвайного навантаження для даної геометрії базової плити і, таким чином, спростити процес розрахунку міцності плити [15] . 4. Висновок

Отже, подальше широке застосування залізобетонного волокна як основи трамвайної колії вимагає математичного моделювання властивостей міцності конструкції та польових досліджень для визначення параметрів моделі. Отримані дані дозволять розробляти відповідні нормативні документи.

1. Дудкін Є.П., Параскевопуло Ю.Г., Султанов Н.Н. Застосування залізобетонного волокна в будівництві колійних шляхів // Транспорт Російської Федерації (науковий, економічний та практичний журнал). - 2012. - No 3-4 (40-41). - С. 77-79.

2. Дудкін Є.П., Черняєва В.А. Сфери ефективного застосування міського залізничного транспорту та можливість їх розширення // Транспорт Російської Федерації (науково-економічний та практичний журнал). - 2015. - No 9. - С. 48-51.

4. Дієта з високим вмістом клітковини для трамвайних колій. Інженер залізниці, жовтень 2011, с.32-33.

5. Розумний Карлсруе - трамвайні колії, що використовують бетон із синтетичного волокна. Інженер залізниці, грудень 2011 р., С.12-13.

8. Початок: трамвай у Сегеді. Іннотека, вересень 2014 р., С.18-19.

9. Вранйковіна Алія, Зіоріс Ставрос. Оцінка колійної плити трамвая у звичайно залізобетонному або сталеволокнистому бетоні. Дипломний проект з бетонних конструкцій, другий рівень, Стокгольм, Швеція 2015 р.

10. Доріжка плит стає синтетичною. Міжнародний залізничний журнал, вересень 2011 р., С.51-54.

11. Дудкін Є. П., Параскевопуло Ю. Г., Султанов Н. Н., Параскевопуло Г. Ю. Міський залізничний транспорт: інноваційні конструкції трамвайних колій на роздільному полотні // Транспорт Російської Федерації (науково-економічний та практичний журнал). - 2012. - No 3-4 (40-41). - С. 77-79