ПУТЕВАЯ СТРУКТУРА ПОДВЕСНОГО СТЮ
Рельсо-струнная путевая структура подвесного СТЮ состоит из одного или двух рельсов-струн (струнных рельсов), промежуточных и анкерных опор, опорных узлов на промежуточных и анкерных опорах и стрелочных переводов.
По своей технической сущности путевая структура навесного СТЮ представляет собой разновидность транспортных эстакад, в частности ― висячих и вантовых мостов (но не канатных дорог, хотя визуально подвесной СТЮ и похож на канатную дорогу). На проектирование, строительство и эксплуатацию подобных сооружений уже существуют нормативы, поэтому нет необходимости разрабатывать новые нормативы. Достаточно привязать подвесной СТЮ к этим существующим нормативам, разработав соответствующие технические условия. Эта работа, в частности, выполнена в Технико-экономическом обосновании строительства высотной городской пассажирской двухпутной струнной транспортной системы в г. Ханты-Мансийске по государственному контракту № 12у, заключённому с Администрацией ХМАО-Югры 07.08.2007 г.
Эти Технические условия являются всего лишь частным случаем создания рельсо-струнной путевой структуры городского подвесного СТЮ: для скоростной трассы среднего СТЮ с одним струнным рельсом (моноСТЮ), обеспечивающей движение подвесных юнибусов (скорость до 80 км/час) массой до 2,5―3 тонн (вместимость до 20―25 пассажиров). Такая двухпутная трасса СТЮ обеспечит объём перевозок в обоих направлениях до 100 тыс. пасс./сутки (в г. Ханты-Мансийске проживает менее 70 тыс. человек) в расчётном интервале температур от +55 ºС летом (нагрев конструкции на солнце) до –55 ºС зимой.
При создании городской транспортной системы «второго уровня» в г. Ханты-Мансийске на базе струнных технологий, наиболее сложным и ответственным техническим решением, с инженерной точки зрения, станет двухпутная рельсо-струнная путевая структура однорельсового (монорельсового) СТЮ (моноСТЮ), поднятая на высоту 10—20 м и более. А наиболее ответственным элементом, определяющим все основные технико-экономические показатели такой транспортной системы станет рельс-струна. Только от него, в частности, зависит надёжность, долговечность и безопасность системы, ровность пути и комфортность движения скоростных подвесных рельсовых автомобилей — моно-юнибусов, технологичность монтажа и стоимость строительства и др.
Рельсы-струны, установленные на опорах пролётами от 200—300 м до 800—1000 м (в среднем 500 м) и жёстко закреплённые в анкерных опорах, отстоящих друг от друга на расстоянии 1—2 км и более, отнесены к разновидности висячего моста, в котором растянутый элемент (струна) размещён внутри балки жёсткости (корпус рельса) и омоноличен с ней специальным композитом. Это позволило определить методику статических и динамических расчётов рельсо-струнных пролётов моноСТЮ в условиях г. Ханты-Мансийска, максимальные и минимальные расчётные температуры (соответственно +55ºС и –55ºС), расчётные ветровые нагрузки на рельс-струну (74,5 кгс/м2) и моно-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 среднего моноСТЮ в г. Ханты-Мансийске со средними моно-юнибусами массой 2,5 тонны и вместимостью до 20 пассажиров. 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 (+55ºС), минимальной (–55ºС), и температуре сборки (0ºС).
Размах напряжений в струне рельсо-струнного пролёта длиной 500 м городского моноСТЮ среднего типа в г. Ханты-Мансийске, при аварийном нагружении (проезд двух моно-юнибусов в сцепке общей массой 5 тонн), составит 53,8 МПа зимой при –55ºС и 92,6 МПА летом при +55ºС, что составляет достаточно малую величину — менее 4% зимой и 8% летом от величины статических напряжений в струне. Это означает, что нагрузка на струны — близка к статической и циклической составляющей практически можно пренебречь. Поэтому по любым существующим сегодня в России и за рубежом методикам расчёта струна рельсо-струнной путевой структуры моноСТЮ обеспечит срок службы по выносливости не менее 100 лет.
Основную вертикальную жёсткость под расчётной нагрузкой рельсо-струнного пролётного строения в моноСТЮ определяет не рельс (изгибная жёсткость корпуса и головки рельса), а — струна: соответственно менее 1% и более 99%. Это отвечает названию транспортной системы — струнная (а не рельсовая). Соответственно, требуемая ровность пути на пролёте и вертикальные радиусы кривизны траектории движения моно-юнибуса (на большей части пролёта — более 5000 м, за исключением участков у опор, где на протяжении 20—50 м радиус кривизны меняется от 100 м на ложементе опоры до 5000 м на расстоянии 50 м от опоры) обеспечивается, в основном, также струной, а не рельсом. В свою очередь это обеспечит комфортные условия движения не только для пассажиров (максимальные вертикальные ускорения в салоне юнибуса — до 0,8 м/с2), но и для колеса — максимальные вертикальные ускорения в опорной части обода колеса будут до 1,5 м/с2).
В качестве элемента струны рекомендована высокопрочная стальная проволока диаметром 3 мм производства Волгоградского завода «ВолгоМетиз» с пределом текучести 1932 МПа. Высокая прочность проволок позволяет увеличить допустимые напряжения в струне до 1545 МПа. При этом, благодаря иной схеме работы струны в моноСТЮ в сравнении с напрягаемой арматурой в традиционных мостах, несмотря на увеличенные на 365 МПа допустимые напряжения в струне в сравнении с мостовой арматурой, запас прочности по воздействию на струну аварийной подвижной нагрузки (более 7 раз) будет более высоким, нежели у несущей арматуры других известных строительных конструкций самого высокого уровня ответственности. Струна может быть разрушена аварийной подвижной нагрузкой (два груженых модуля в сцепке) лишь при условной температуре –248ºС, т.е. при температуре, которая ниже температуры жидкого водорода. Поэтому моноСТЮ может быть рекомендован к строительству в самых суровых природно-климатических условиях ХМАО—Югры, в том числе на Крайнем Севере.
Отказ от железнодорожных стандартов — колёсных пар, реборд на колесе, конуса на опорной части колеса и цилиндрической опорной поверхности головки рельса — снизил контактные напряжения в моноСТЮ 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, в также существенно снизит затраты энергии и мощность привода на преодоление сопротивления качению колес скоростного подвижного состава моноСТЮ.
Оптимизированная в результате расчётов конструкция рельса-струны среднего моноСТЮ для г. Ханты-Мансийска (см. рисунок): струна набрана из 80 высокопрочных стальных проволок диаметром 3 мм, суммарное усилие предварительного натяжения которых — 69,2 тс (при температуре сборки 0ºС). С учетом же преднапряжения головки и корпуса рельса, выполненных из высокопрочного сплава алюминия, суммарное усилие натяжения рельса-струны при температуре сборки составит 129,1 тс.
Поперечное сечение рельса-струны среднего моноСТЮ (один из возможных вариантов):
1 — головка рельса из высокопрочного алюминиевого сплава (1,71 кг/м);
2 — корпус из высокопрочного алюминиевого сплава (3,08 кг/м);
3 — стальная проволока диаметром 3 мм (струна), 80 проволок (4,44 кг/м);
4 — композит-герметик (0,31 кг/м). Общая масса рельса-струны — 9,54 кг/м.
Отчёт ниже>>>
Отчёт «Выбор рельса-струны для принятого варианта однорельсового (монорельсового) СТЮ (моноСТЮ) (по расчётной подвижной нагрузке и скоростным режимам) и выполнение предпроектных прочностных расчётов по нему применительно к природно-климатическим условиям г. Ханты-Мансийска» (подэтап 1.3.1.8)