СТЮ: Новости

Отчёт "Выбор рельса-струны для двухрельсового СТЮ и выполнение прочностных расчётов по нему применительно к природно-климатическим условиям г. Ханты-Мансийска"

Работа "Выбор типа рельса-струны для принятого варианта двухрельсового СТЮ (по колее, расчётной подвижной нагрузке и скоростным режимам движения) и выполнение предпроектных прочностных расчётов по нему применительно к природно-климатическим условиям г. Ханты-Мансийска" выполнена согласно Государственному контракту № 12у от 07 августа 2007 г. "Разработка технико-экономического обоснования строительства высотной городской пассажирской двухпутной струнной транспортной системы в г. Ханты-Мансийске". Данный Государственный контракт заключён между правительством ХМАО-Югры и ООО "Струнный транспорт Юницкого".

При создании высотной городской пассажирской двухпутной транспортной системы в г. Ханты-Мансийске на базе струнных технологий, наиболее сложным и ответственным техническим решением, с инженерной точки зрения, станет рельсо-струнная путевая структура, поднятая на высоту 6-10 м и более. А наиболее ответственным элементом, определяющим все основные технико-экономические показатели такой транспортной системы "второго уровня", станет рельс-струна. Только от него, в частности, зависит надёжность, долговечность и безопасность высотной транспортной системы, ровность пути и комфортность движения скоростных рельсовых автомобилей - юнибусов, технологичность монтажа и стоимость строительства и др.

Рельсы-струны, установленные пролётами по 35 м на промежуточных опорах и закреплённые в анкерных опорах, отстоящих друг от друга на расстоянии 0,5-1 км и более, отнесены к разновидности висячего моста, в котором растянутый элемент (струна) размещён внутри балки жёсткости (корпуса рельса) и омоноличен с ней специальным бетоном. Это позволило определить методику статических и динамических расчётов рельсо-струнных пролётов в условиях г. Ханты-Мансийска, максимальные и минимальные расчётные температуры (соответственно +55°С и -55°С), расчётные ветровые нагрузки на рельс-струну (74,5 кгс/м²) и юнибус (41 кгс/м²), а также - другие нагрузки и воздействия и их опасные сочетания.

В качестве примера для расчёта взята рельсо-струнная эстакада скоростной трассы городского двухрельсового СТЮ в г. Ханты-Мансийске колеей 1,5 м. Для этого разработана конструкция рельса-струны, удовлетворяющая требованиям СНиП 2.05.03-84 "Мосты и трубы", и выполнен комплексный расчёт его напряжённо-деформированного состояния, в том числе - определены наиболее опасные нагружения и максимальные напряжения в конструкции при различных расчётных температурах: максимальной (+55°С), минимальной (-55°С) и температуре сборки (0°С). Например, определено, что максимальный изгибающий момент и, соответственно, максимальные напряжения в головке и корпусе рельса будут в сечении над опорой в момент нахождения колеса юнибуса на расстоянии 4 м от опоры (для одиночного юнибуса), либо когда сцепка из двух юнибусов будет находиться точно над опорой.

Размах напряжений в струне рельсо-струнного пролёта длиной 35 м городского СТЮ в г. Ханты-Мансийске, при максимальном расчётном нагружении (проезд двух городских юнибусов в сцепке общей массой 5 тонн), составит величину менее 0,3% от величины напряжений в струне (предварительных и температурных), во всем диапазоне рабочих температур: от -55°С до +55°C. Это означает, что нагрузка на струну - статическая и поэтому циклической составляющей можно пренебречь.

Поэтому по любым существующим сегодня в России и за рубежом методикам расчёта струна рельсо-струнной путевой структуры СТЮ обеспечит срок службы по выносливости не менее 100 лет.

Основную вертикальную жёсткость под расчётной нагрузкой рельсо-струнного пролётного строения в СТЮ определяет не рельс (корпус и головка рельса, а также бетонный заполнитель), а - струна: соответственно 5-9% и 91-95%. Это отвечает названию транспортной системы - струнная (а не рельсовая). Соответственно, требуемая ровность пути на пролёте (относительная неровность - не более 1/1500, или абсолютная - менее 20 мм на пролете 35 м) обеспечивается, в основном, также струной, а не рельсом. В свою очередь это обеспечит комфортные условия скоростного движения не только для пассажиров (вертикальные ускорения в салоне юнибуса - до 0,2 м/с²), но и для колеса - максимальные вертикальные ускорения в опорной части обода колеса будут до 0,8 м/с², а ступицы, отделенной резиновой прослойкой от обода, - до 0,5 м/с².

В качестве элемента струны рекомендована высокопрочная оцинкованная стальная проволока диаметром 3 мм производства Волгоградского завода "ВолгоМетиз" с пределом текучести 19.690 кгс/см². Высокая прочность проволок позволяет увеличить допустимые напряжения в струне до 15,750 кгс/см². При этом, благодаря иной схеме работы струны в СТЮ в сравнении с напрягаемой арматурой в традиционных мостах и транспортных эстакадах, несмотря на увеличенные на 3720 кгс/см² допустимые напряжения, запас прочности (более чем в 400 раз) струны по воздействию на неё подвижной нагрузки, будет беспрецедентно более высоким, нежели у несущей арматуры в любой другой известной строительной конструкции самого высокого уровня ответственности.

Струна может быть разрушена расчётной подвижной нагрузкой лишь при условной температуре -214°С (эта температура, например, значительно ниже температуры жидкого азота), поэтому СТЮ может быть рекомендован к строительству в самых суровых природно-климатических условиях Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, в том числе на Крайнем Севере.

Отказ от железнодорожных стандартов - колесных пар, реборд на колесе, конуса на опорной части колеса и цилиндрической опорной поверхности головки рельса - снизил контактные напряжения в СТЮ в паре "цилиндрическое колесо - плоская головка рельса" по сравнению с железной дорогой в 10-15 раз. Это повысит в несколько раз долговечность рельса, уменьшит его износы, снизит шумы при качении колеса, улучшит его сцепление с рельсом, а также существенно снизит затраты энергии и мощность привода на преодоление сопротивления качению колес городского скоростного подвижного состава СТЮ.

В результате расчётов была уточнена конструкция рельса-струны: струна набрана из 150 высокопрочных проволок диаметром 3 мм, суммарное усилие предварительного натяжения которых - 151,3 тс (при температуре 0°С). С учётом же преднапряжения головки и корпуса рельса суммарное усилие натяжения рельса-струны при температуре 0°С составит 202 тс. При этом поперечные размеры рельса-струны составят: ширина 100 мм, высота 148 мм, а его погонная масса будет равна 52,6 кг/м, из них: корпус рельса (с головкой) - 25,1 кг/м, струна - 8,3 кг/м, бетонный заполнитель корпуса - 19,0 кг/м, крепление струны к корпусу рельса - 0,2 кг/м, причем на сталь придется 64% массы - 33,6 кг/м.

Металлоёмкость рельса-струны скоростного городского двухрельсового СТЮ столь низка (например, в сравнении с монорельсовой дорогой, с такими же пролётами по 35 м), что, например, из материала одного современного железнодорожного рельса Р-75 протяжённостью 1 км можно построить однопутную рельсо-струнную путевую структуру такой же протяженности и колеей 1,5 м. При этом оставшихся 32,8 кг/м металла (около 25 кг/м стали на железной дороге дополнительно уходит на крепление одного рельса к шпалам - на подкладки, болты, пружины и т.д.) будет достаточно, чтобы поставить на этом же километре 28 стальных опор СТЮ высотой 5-6 м.

Поэтому при одинаковой исходной цене одних и тех же марок сталей, в серийном производстве и при том же уровне механизации, который достигнут сегодня в железнодорожном строительстве, строительство скоростного городского СТЮ обойдется, в одних и тех же природно-климатических условиях, по меньшей мере два раза дешевле, чем железной дороги или трамвайной линии, являющейся разновидностью железной дороги (ведь железной дороге, проходящей по городу, еще необходимы шпалы, щебеночная и песчаная подушки, земляная насыпь, мосты, путепроводы, водопропускные трубы, столбы контактной сети и т.п., в том числе - в 40-50 раз больший землеотвод ценной городской земли).

Выполненная работа принята заказчиком и получила высокую оценку.

Юницкий А.Э. Выбор типа рельса-струны для принятого варианта двухрельсового СТЮ (по колее, расчетной подвижной нагрузке и скоростным режимам движения) и выполнение предпроектных прочностных расчетов по нему применительно к природно-климатическим условиям г. Ханты-Мансийска / Государственный контракт № 12у от 07 августа 2007 г. на выполнение работ по разработке технико-экономического обоснования строительства высотной городской пассажирской двухпутной струнной транспортной системы в г. Ханты-Мансийске. - Москва, 3 октября 2007 г. - 96 с.