ПУТЕВАЯ СТРУКТУРА
Рельсо-струнная путевая структура навесного СТЮ состоит из двух рельсов-струн (струнных рельсов), промежуточных и анкерных опор и опорных узлов на промежуточных и анкерных опорах.
По своей технической сущности путевая структура СТЮ представляет собой разновидность транспортных эстакад, в частности ― висячих и вантовых мостов. На проектирование, строительство и эксплуатацию подобных сооружений уже существуют нормативы, поэтому нет необходимости разрабатывать новые нормативы. Достаточно привязать СТЮ к этим существующим нормативам, разработав соответствующие технические условия. Эта работа, в частности, выполнена в Генеральной транспортной стратегии применения и создания трасс струнного транспорта Юницкого (СТЮ) в Ханты-Мансийском автономном округе ― Югре, которую разработало ООО «СТЮ» по государственному контракту № 7у, заключённому с Администрацией ХМАО-Югры 31.05.2007 г.
Эти Технические условия являются всего лишь частным случаем создания рельсо-струнной путевой структуры СТЮ: для скоростной трассы среднего СТЮ (колея 1500 мм), обеспечивающей движение скоростных юнибусов (скорость до 300 км/час) массой до 5 тонн (вместимость до 20―25 пассажиров). Такая двухпутная трасса СТЮ обеспечит объём перевозок до 100 тыс. пасс./сутки (в г. Ханты-Мансийске проживает менее 70 тыс. человек, в г. Сургуте ― 400 тыс. человек) в расчётном интервале температур от +55 ºС летом (нагрев конструкции на солнце) до –55 ºС зимой.
В указанной Генеральной транспортной стратегии наиболее сложными и ответственными техническими решениями, с инженерной точки зрения, станут именно скоростные трассы СТЮ (скорость 200 км/ч и выше), в частности «Ханты-Мансийск ― Сургут». 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 системы, ровность пути и комфортность движения скоростных рельсовых автомобилей ― юнибусов, технологичность монтажа и стоимость строительства и др.
Рельсы-струны, установленные пролётами по 30―40 м на промежуточных опорах и закреплённые в анкерных опорах, отстоящих друг от друга на расстоянии 1―5 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 в Технических условиях (ТУ) методику статических и динамических расчётов рельсо-струнных пролётов в условиях ХМАО ― Югры, максимальные и минимальные расчётные температуры (соответственно +55 ºС и –55 ºС), расчётные ветровые нагрузки на рельс-струну (74,5 кгс/м2) и юнибус (41 кгс/м2), а также ― другие нагрузки и воздействия на путевую структуру и промежуточные опоры и их опасные сочетания.
В качестве примера для расчёта в ТУ взята рельсо-струнная путевая структура скоростной трассы «Ханты-Мансийск ― Сургут» колеей 1,5 м. Для этого разработана конструкция рельса-струны, удовлетворяющая требованиям ТУ, и выполнен комплексный расчёт его напряженно-деформированного состояния, в том числе ― определены наиболее опасные нагружения и максимальные напряжения конструкции при различных расчётных температурах: максимальной (+55 ºС), минимальной (–55 ºС) и температуре сборки (0 ºС). 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 2,25 м от опоры (для одиночного юнибуса), либо когда сцепка из двух юнибусов будет находиться точно над опорой.
Размах напряжений в струне при максимальном расчётном нагружении (проезд двух юнибусов в сцепке) составит величину менее 0,1% от величины напряжений в струне (предварительных и температурных). Это означает, что нагрузка на струну ― статическая и поэтому циклической составляющей можно пренебречь. Поэтому по любым существующим сегодня в России и за рубежом методикам расчета струна СТЮ обеспечит срок службы по выносливости не менее 100 лет.
Расчёты также показали, что максимальные горизонтальные тормозные усилия от потока юнибусов, передаваемые от рельсов-струн на верх промежуточных опор, невелики (около 50 кгс), поэтому опоры могут быть выполнены лёгкими, ажурными, без мощного фундамента и, соответственно, ― недорогими.
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 30 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 5 м/с2, а ступицы ― до 2 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 мостах, несмотря на увеличенные допустимые напряжения, запас прочности (примерно в 1000 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 –211 ºС (эта температура значительно ниже температуры жидкого азота), поэтому СТЮ может быть рекомендован к строительству в самых суровых природно-климатических условиях, в том числе на Крайнем Севере.
Отказ от железнодорожных стандартов ― колёсных пар, гребней на колёсах, 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 примерно на порядок. 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 колёс скоростного подвижного состава.
В результате расчётов была уточнена конструкция рельса-струны: струна набрана из 220 высокопрочных проволок диаметром 3 мм, суммарное усилие предварительного натяжения которых 221,8 тс (при температуре 0 ºС). С учетом же преднапряжения головки и корпуса рельса суммарное усилие натяжения рельса-струны составит 259,0 тс. При этом поперечные размеры рельса-струны составят: ширина 100 мм, высота 223 мм, а его погонная масса будет равна 71,8 кг/м, из них: корпус рельса (с головкой) ― 28,6 кг/м, струна ― 12,2 кг/м, бетонный заполнитель корпуса – 30,8 кг/м, крепление струны к корпусу рельса ― 0,2 кг/м, причем на сталь придется чуть больше половины массы ― 41 кг/м.
Металлоёмкость рельса-струны высокоскоростного СТЮ столь низка, что, например, из материала одного железнодорожного рельса Р-75 протяжённостью 1 км можно построить однопутную рельсо-струнную путевую структуру такой же протяжённости. При этом оставшихся 18 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 33 стальные опоры СТЮ высотой 3―5 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 СТЮ обойдётся, в одних и тех же природно-климатических условиях, по меньшей мере в два раза дешевле, чем обычной (а не высокоскоростной, которая в 20―30 раз дороже) железной дороги ― ведь железной дороге ещё необходимы шпалы, щебеночная и песчаная подушки, земляная насыпь, мосты, путепроводы, водопропускные трубы и т.п., в том числе ― в 50―100 раз больший землеотвод.
Отчёт ниже>>>