В. И. ПОДОЛЬСКИЙ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ОПОРЫ
КОНТАКТНОЙ СЕТИ
КОНСТРУКЦИЯ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ, ДИАГНОСТИКА
УДК 621.332.3:621.315.66
Подольский В. И. Железобетонные опоры контактной сети. Конструкции, эксплуатация, диагностика/Труды ВНИИЖТ. - М.: Интекст, 2007. - 152 с.
Рассмотрена эволюция опорного хозяйства электрифицированных железных дорог России. Особое внимание обращено на центрифугированные железобетонные опоры контактной сети, составляющие основу парка опор электрифицированных линий. Рассмотрены природа и основные свойства железобетона как материале опор, особенности технологии их изготовления методом центрифугирования. Большое внимание уделено воздействию эксплуатационных факторов на образование в бетоне повреждений в виде продольных трещин, на развитие деструктивных процессов В бетоне И снижение его прочности. Рассмотрено влияние продольных трещин и снижения прочности бетона на несущую способность конструкций. Проанализированы различные методы диагностики состояния арматуры в подземной части опор и способы оценки прочности бетона в их различных частях. Предложены методы диагностики подземной и надземной частей опор и даны рекомендации по их применению в процессе эксплуатации.
|
|
Книга рекомендована работникам электрифицированных железных дорог, проектировщикам, преподавателям и студентам транспортных вузов.
Ил. 77, табл. 7.
Редакционный совет: А.Е. Семечкин(председатель),
Ю. М. Черкаиин, К. П. Шенфельд, О. Н. Назаров, В. А. Котельников, II. II. Привалов,
Г. И. Нарских (ответственный секретарь)
Заведующая редакционно-издательским отделом ВНИИЖТ Г. И. Нарских Редактор Г. И. Нарских, Н. П. Чевалков
©ВНИИЖТ,
© «Интекст»,
Предисловие
Представленная вниманию читателей книга являет собой научное обобщение эволюции развития опорного хозяйства контактной сети Российских железных дорог с первых лет их электрификации. Опоры контактной сети являются весьма ответственным элементом системы тягового электроснабжения, обеспечивающим энергообеспечение перевозочного процесса. В силу отсутствия их резервируемости они напрямую влияют на непрерывность технологического процесса перевозок, а в случае разрушения создают угрозу нарушения безопасности движения и жизни людей. Автор показывает, как поэтапно, методом проб и ошибок шел отбор наиболее рациональных конструкций опорного хозяйства электрификации железных дорог, который привел к тем решениям, которые сеть имеет на сегодняшний день. Именно неприемлемость обычных строительных подходов к опорам контактной сети, вызванная неучетом специфических условий их нагружения, а также воздействия динамических и климатических факторов вывели их на уровень железобетонных конструкций особого класса, требующих специального научного обеспечения при создании, изготовлении и эксплуатации.
|
|
Автор этой книги, доктор технических наук Виктор Иванович Подольский, является научным руководителем этого направления, развиваемого во ВНИПЖТе с 1970-х годов.
Книга представляет собой предпринятую впервые попытку свести и обобщить весь комплекс проблем, связанных с опорным хозяйством электрифицированных железных дорог России, занимающих первое место в мире по протяженности и в силу этого обладающих почти 90-летним колоссальным эксплуатационным опытом.
Книга будет полезна для широкого круга специалистов, занимающихся не только опорным хозяйством контактной сети, но в целом электрификацией железных дорог и всей инфраструктурой железнодорожного транспорта.
Доктор технических наук, профессор
А. Котельников
3
Введение
Электрифицированные железные дороги представляют собой сложную многоуровневую систему, состоящую из большого числа устройств, среди которых важнейшее место занимает контактная сеть. Одним из основных элементов контактной сети являются опоры, обеспечивающие заданное положение контактной подвески в плане и профиле над железнодорожными путями, благодаря чему реализуется передача электроэнергии подвижному составу и надежность токосъема. С самого начала электрификации железных дорог проблема надежности опор приобрела весьма важное значение в связи с той ответственной ролью, какую они играют в системе тягового электроснабжения, а также в силу требований безопасности движения поездов. Значение надежности особенно возросло, когда был сделан принципиально новый шаг в направлении использования железобетона для изготовления опор. С применением железобетонных опор, расширением сфер их установки, увеличением числа и доли в общем парке опор проблема их состояния и надежности стала еще более острой.
Анализ показывает, что эта острота проблемы в значительной степени оказалась связанной с допущенными при проектировании, изготовлении и применении опор существенными просчетами и ошибками. Принятая вначале электрификации и длительное время использовавшаяся система проектирования, изготовления и применения опор контактной сети как обычных строительных конструкций обеспечивала высокую надежность опор только в небольшой начальный период их эксплуатации после установки. Надежность опор в более поздний период эксплуатации оказалась ниже требуемой по условиям безопасности движения поездов. На железных дорогах все чаще начали появляться преждевременные отказы опор, приводившие к длительным перерывам в движении, а в некоторых случаях создавалась угроза безопасности движения поездов. Из-за отсутствия специальной электрической изоляции опор от токов утечки на участках постоянного тока доминирующими стали отказы опор из-за электрокоррозии арматуры и анкерных болтов подземной части конструкций. Для поддержания на необходимом уровне безопасности движения поездов на железных дорогах начали в массовом порядке заменять опоры. При этом средний срок службы замененных опор не превышал 10—15 лет.
В последние годы выполнены значительные мероприятия по устранению отмеченных недостатков в области проектирования, изготовления, применения и эксплуатации опор контактной сети.
4
|
|
В частности, при проектировании опоры рассматриваются не как обычные конструкции с экономической ответственностью, а как конструкции, отказ которых не только влечет экономические потери, но и создает угрозу безопасности движения поездов и жизни людей. Такой принцип проектирования значительно поднял надежность опор. Кроме того, в железобетонных опорах и фундаментах начали устанавливать специальные изолирующие детали, исключающие появление на арматуре опасных токов утечки. Разрабатываются и получают широкое распространение новые технологии технического обслуживания опор, включая использование и средств диагностики, позволяющих оценивать прочность материалов и несущую способность конструкций.
Несмотря на отмеченные мероприятия, острота проблемы опорного хозяйства и ее актуальность в последнее время возросли. Это вызвано тем, что значительную долю парка опор по-прежнему составляют недостаточно надежные опоры старого типа. Кроме того, возрастают требования к надежности опор в связи с интенсификацией грузового и пассажирского движения, намеченным введением тяжеловесных поездов, скоростного и высокоскоростного движения. Для решения этой проблемы требуются дальнейшие усилия в направлении выбора и оптимизации конструктивных решений опор, поиска и внедрения эффективных методов технического обслуживания, ремонта, защиты от электрокоррозии опор на участках постоянного тока. Внутри этого направления должны также разрабатываться и внедряться новые эффективные средства диагностики прочности опор.
В данной книге обобщен опыт и результаты научно-исследовательских работ в области повышения надежности опор контактной сети. Наибольшее внимание уделено центрифугированным железобетонным опорам, составляющим основу парка опор контактной сети электрифицированных железных дорог. Рассмотрена технология изготовления этих опор, причины и механизмы появления и накопления в них повреждений, влияние этих повреждений на несущую способность опор. Особое внимание уделено средствам диагностики опор как в надземной, так и в подземной части.
|
|
При написании книги автор опирался в основном на результаты научно-11сследовательских работ по этой проблеме, выполненных во ВНИИЖТе за последние годы. В проведении этих работ, кроме автора, большое участие приняли кандидаты технических наук В.Ф. Афанасьев, А.А. Багдасаров, Г. И. Гатилова, инженеры Е.А. Баранов, М. А. Гуков. Книга предназначена дляработников электрифицированных железных дорог и может быть полезна проектировщикам, преподавателям вузов, техникумов, а также студентам, обучающимся по курсу «Электрификация железных дорог».
Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору А. В. Котельникову за ценные советы при рецензировании книги, а также специалистам ВНИИЖТа Н. А. Рожковой, И. О. Веретенниковой, Э.Е. Закиеву, М. В. Вязовому за большой труд в подготовке и оформлении рукописи.
5
Глава 1
Эволюция
Опорного хозяйства
Контактной сети
Эволюция конструктивных решений по опорам контактной сети
С момента зарождения в России электрифицированных железных дорог и по настоящее время опоры контактной сети прошли несколько этапов эволюционного развития.
Первый этап начался в 1929 г., когда была сооружена первая электрифицированная линия, и продолжался до середины 1960-х годов. На этом этапе для изготовления опор контактной сети в основном применялись стальной прокат, в меньшей степени — деревянные столбы и совсем в незначительном количестве — железобетон. Конструкция опор определялась видом примененного для их изготовления материала, величиной и характером воспринимаемых ими нагрузок. Металлические опоры, предназначенные для восприятия значительных нагрузок (опоры гибких поперечин, анкерные, опоры под двухпутные консоли), выполнялись, как правило, в виде пространственной сварной или клепаной решетчатой конструкции из уголкового стального профиля (рис. 1.1, а). Такую же конструкцию в основном имели и опоры, на которые передавались относительно невысокие нагрузки, к числу которых относились промежуточные консольные и фиксирующие опоры. Опоры этой категории выполнялись также двухшвеллерными, из широкополочного двутавра и трубчатыми (рис.1,1 ,б,в).
Закрепление опор в грунте осуществлялось с помощью бетонных или железобетонных монолитных или сборных фундаментов, а от атмосферной коррозии защита осуществлялась путем нанесения на металл лакокрасочных покрытий, преимущественно из суриковых красок.
Деревянные опоры применялись в значительных количествах на всех электрифицировавшихся линиях до Великой Отечественной войны, а во время войны они использовались в основном при электрификации железных дорог, расположенных на Урале и в Сибири.
6
Глава 1. Эволюция опорного хозяйства контактной сети
железных дорог, расположенных на Урале и в Сибири. Их изготавливали из сосны или лиственницы, причем для удлинения срока службы опор столбы, шедшие на изготовление опор, пропитывали антисептическими материалами. Для изготовления опор использовались столбы длиной 12,5 — 13м и диаметром в вершине 22 —24см. Из этих столбов производились промежуточные консольные одиночные и сдвоенные опоры (рис. 1.2). Сдвоенные опоры применялись в тех случаях, когда прочность одного столба для восприятия действующих нагрузок оказывалась недостаточной. Деревянные сдвоенные опоры использовались также в качестве опор гибких поперечин. При перекрытии гибкой поперечиной более четырех путей длина 13-метровых столбов оказывалась недостаточной, и в этих случаях применяли опоры, наращивавшиеся с помощью пасынков.
Железобетонные опоры на первом этапе электрификации использовались исключительно в качестве промежуточных консольных. По конструкции они разделялись на два типа. Опоры первого типа изготавливались из центрифугированного железобетона сборными. Они состояли из цилиндрических трубчатых элементов (секций), соединенных телескопическими стыками (рис. 1.3). Секции армировались как ненапряженной, так и предварительно напряженной стержневой арматурой. Закреплялись такие опоры в грунте с помощью монолитного бетонного фундамента. Опоры второго типа являлись предварительно напряжен-
7
Глава 1. Эволюция опорного хозяйства контактной сети
ными и имели решетчатую конструкцию (рис. 1.4). Их выполняли по стендовой технологии в два этапа. Сначала на стенде изготавливались предварительно напряженные железобетонные пояса, от арматуры которых усилия передаются на бетон после его твердения и приобретения им необходимой прочности. На втором этапе в форме монтировался каркас соединительной решетки и выполнялось ее бетонирование. После твердения бетона и снятия опалубки с решетки двутавровая железобетонная опора была готова.
Накопленный к середине 1960-х годов опыт эксплуатации контактной сети показал, что наибольшей долговечностью и надежностью обладали, безусловно, металлические опоры. За почти 30-летний срок эксплуатации в них не появились сколько-нибудь серьезные повреждения, а коррозионный износ металла надземной части был минимальным. Вследствие этого практически отсутствовали изменения прочностных характеристик металла, обусловленные его старением. Полностью
оправдала себя также принятая конструкция металлических опор, которая без существенных изменений применялась и в последующие годы.
Происходившие отказы и преждевременные замены опор были связа- а) б)
8
Глава 1. Эволюция опорного хозяйства контактной сети
Происходившие отказы и преждевременные замены опор были связаны преимущественно с более интенсивной выработкой своего ресурса фундаментами, вызванной неблагоприятным воздействием ряда факторов (электрокоррозии, морозных воздействий), низким качеством изготовления и неучетом фактической работы фундаментов. Вместе с тем срок службы значительной части металлических опор к 1960-м годам превысил 30 лет. Эксплуатация их на ряде участков продолжается и в настоящее время.
Деревянные опоры отличались относительной простотой и дешевизной. В случае их применения отпадала необходимость в устройстве на перегонах бетонных фундаментов, что значительно упрощало работу по установке опор. Благодаря возможности использования дополнительной изоляции дерева значительно повысилась грозоустойчивость контактной сети и отпала проблема электрокоррозии опор. Основной недостаток деревянных опор заключался в небольшом сроке их службы, который для пропитанных опор составлял 12—15 лет, а непропитанные требовали замены или применения пасынков уже через 3 — 4 года после их установки. В настоящее время все деревянные опоры на главных путях заменены, хотя на зарубежных железных дорогах, в частности в Норвегии, такие опоры применяются до сих пор.
Что касается железобетонных опор, применявшихся на рассматриваемом этапе электрификации, то для признания их надежности и долговечности нет достаточных оснований. Центрифугированных сборных составных опор было изготовлено и применено на Закавказской железной дороге всего 14 штук. После непродолжительной эксплуатации они были заменены из-за повреждений и разрушений, вызванных ударами Падающих камней в горах. Решетчатых железобетонных опор выпущено значительно больше, однако из-за большой повреждаемости этих опор при 'транспортировке, монтаже и в эксплуатации они были также заменены. Позже по причине высокой трудоемкости изготовления эти опоры были сняты с производства.
Второй этап в развитии опорного хозяйства контактной сети начался I середины 1960-х годов и связан с принятием в это время генерального плана электрификации железных дорог России. Для его осуществления при планировавшихся темпах сооружения электрифицированных линий требовалось значительное количество металла. В частности, для электрификации 1000км железнодорожных путей с применением металлических опор необходимо было установить около 40 тыс. консольных и 4000 станционных опор для гибких поперечин, на изготовление которых требовалось более 1500 т металла. Однако в тот период в стране ощущался значительный дефицит металла, поэтому с покрытием этой
потребности возникли огромные трудности. В связи с этим было принято решение о максимальном использовании для изготовления опор железобетона. В этот период были разработаны железобетонные опоры
9
Глава 1. Эволюция опорного хозяйства контактной сети
нового поколения и начато их массовое применение. Организация промышленного выпуска таких опор решала проблему покрытия дефицита металла (на изготовление железобетонных опор шло в 1,3 — 4 раза меньше металла, чем на производство металлических опор таких же параметров) и обеспечивала индустриализацию сооружения контактной сети.
Первые железобетонные опоры нового поколения были разработаны в 1955 г. институтом Гипро-промтрансстрой. Были спроектированы и испытаны опоры двух типов: ненапряженные двутавровые с раскосно-дырчатой стенкой (рис. 1.5) из вибробетона и ненапряженные конические кольцевого сечения (рис. 1.6) из центрифугированного бетона. Опоры первого типа получили обозначение ЖБД, второго — ЖБК. Оба типа опор по своим характеристикам оказались приемлемыми для применения в контактной сети, технологичными и были быстро освоены промышленностью. Началось их массовое производство, и в течение почти пяти лет все потребности электрификации удовлетворялись этими типами опор. Значительное количество опор названных типов находится в эксплуатации и по настоящее время.
Разработанные и применявшиеся при электрификации железных дорог после 1955 г. опоры типа ЖБД и ЖБК, хотя и имели приемлемую надежность, в то же время требовали значительного расхода металла на арматурный каркас. Исходя из господствовавшей тогда концепции проектирования опор, в соответствии с которой эффективность конструкций оценивалась по расходу материалов (бетона и стали), для сокращения расхода стали проектировщики взяли курс на применение высокопрочных материалов, и прежде всего арматурной проволоки повышенной прочности. Использование этой арматуры позволило многократно снизить расход металла на изготовление опор, повысить их трещиностойкость и жесткость. Но для достижения этого эффекта необходимым условием явилось обязательное применение в опорах предварительного напряжения арматуры. В результате выполнения этого условия с конца 1950-х годов начали производиться и поступать в эксплуатацию предварительно напряженные центрифугированные опоры кольцевого сечения, армированные высокопрочной арматурой. Сначала производились опоры типа СЖБК, армированные проволокой диаметром 2,5 — 3 мм, а затем на смену им пришли опоры типа СК, СКУ, СКЦ, С, армированные проволокой диаметром 4 или 5 мм. Одновремен-
10
Глава 1. Эволюция опорного хозяйства контактной сети
но с центрифугированными опорами выпускались и предварительно напряженные двутавровые типа СБД, СД, однако из-за неустранимых технологических трудностей и эти опоры в конце 1960-х годов были сняты с производства.
С 1969 г. удовлетворение потреб-ностей электрификации и покрытие ремонтно-эксплуатационных нужд железных дорог в опорах осуществлялось поставками исключительно предварительно на-
пряженных центрифугированных опор. Их современный вид представлен на рис. 1.7. Выпуск этих опор стремительно нарастал и к началу 1990-х годов составил более 100 тыс. опор в год. Общее количество установленных и эксплуатируемых опор к этому моменту достигло более 1,5 млн. штук. Такие опоры устанавливались во всех климатических и географических районах как в обычных грунтах, так и в зонах со сложными инженерно-геологическими условиями. Эти опоры составляют подавляющую часть эксплуатируемого парка опор и именно с их состоянием связаны основные проблемы по обеспечению их надежности, безопасности и бесперебойности движения поездов.
Следует отметить, что применение на данном этапе экономичных по расходу арматуры предварительно напряженных железобетонных опор с проволочной арматурой позволило решить важную проблему — удовлетворить потребности электрифицируемых железных дорог в опорах и обеспе-
11
Глава 1. Эволюция опорного хозяйства контактной сети
чить тем самым своевременное выполнение генерального плана электрификации железных дорог. Вместе с тем при последующей эксплуатации этих опор выявились их неустранимые конструктивные недостатки и низкая надежность. Они оказались крайне нестойкими к воздействию токов утечки и электрокоррозионным повреждениям арматуры на участках постоянного тока из-за наличия в верхнем поясе опор металлических контактов между арматурой и крепежными деталями. Это обеспечивало удобные пути попадания токов утечки на арматуру и последующее стекание их с арматуры. Образование защитного слоя бетона между крепежными деталями и арматурой, а также установка резиновых втулок в этих случаях не решало проблемы ограничения токов утечки через опоры. Как отмечалось в работе [1], во-первых, резиновые втулки оказались весьма недолговечными и быстро выходили из строя. Во-вторых, бетон не обладает стабильными характеристиками сопротивления и при увлажнении его сопротивление оказывается близким к нулю, что обеспечивает протекание тока утечки по арматуре. Для защиты от электрокоррозии данных опор потребовалась установка малонадежных искровых промежутков в цепь заземления опор.
Наряду с низкой электрокоррозионной стойкостью в предварительно напряженных опорах из-за неблагоприятного температурно-влажностного режима внутренней полости начали появляться продольные трещины и другие дефекты. Кроме того, выявился еще один опасный недостаток отмеченных опор, связанный с повышенной чувствительностью их несущей способности к изменению прочности бетона, обусловленной принятыми параметрами натяжения арматуры и старением бетона в процессе эксплуатации. Для поддержания надежности опор и обеспечения требуемого уровня безопасности движения поездов потребовалась разработка и внедрение систем диагностики. Частично надежность опор была повышена за счет применения смешанного армирования в подземной части (опоры СО), установки при монтаже контактной сети съемных полиэтиленовых втулок, образования вентиляционных отверстий, снизивших риск продольного трещинообразования, снижения уровня натяжения арматуры. Однако это не привело к существенному повышению надежности принятого типа опор.
Третий этап в эволюции железобетонных опор контактной сети начался в 1993 г., когда был принят новый подход к конструированию и обеспечению надежности опор. Он заключался в следующем:
• опоры контактной сети не являются обычными строительными конструкциями с экономической ответственностью, а представляют собой конструкции, отказ которых влечет за собой крупные экономические потери и создает угрозу безопасности движения поездов и жизни людей;
• обеспечение защиты от электрокоррозии должно осуществляться за счет всемерного повышения сопротивления верхнего пояса опор путем
12
Глава 1. Эволюция опорного хозяйства контактной сети
установки между деталями крепления контактной сети и арматурой опоры специальной изоляции. Все опоры при сдаче в эксплуатацию должны иметь сопротивление цепи заземления не менее 10 кОм. Более низкие значения создают угрозу электрокоррозионной опасности;
• для снижения влияния на несущую способность опоры уменьшения прочности бетона следует применять смешанное армирование с использованием в качестве рабочей арматуры высокопрочной проволоки. В опорах со стержневой арматурой уровень ее натяжения не должен превышать 400 - 500 МПа.
В связи с принятым подходом производство и применение опор с армированием только высокопрочной проволокой в 1993 г. было прекращено, а взамен налажен выпуск опор со смешанным армированием (типа СС) и опор со стержневым армированием при ограниченном уровне натяжения арматуры (типа СП, СТ). В отмеченных опорах осуществлена двойная изоляция между арматурой и закладными деталями (рис. 1.8). На базе основных типов опор разработаны также модификации опор для применения в раздельном варианте (опоры ССА, СПА) (рис. 1.9). Начальная безотказность опор в настоящее время доведена до величины 0,999.
13
Глава 1. Эволюция опорного хозяйства контактной сети
670
Рис. 1.10. Трехлучевой фундамент
Важным элементом опор являются фундаменты. По конструкции они прошли значительную эволюцию в направлении повышения трещиностойкости, электрического сопротивления, прочности. В настоящее время фундаменты изготавливают исключительно из ненапряженного железобетона. Наиболее распространенными являются трехлучевые
14
Глава 1. Эволюция опорного хозяйства контактной сети
290
Рис. 1.11. Фундамент ФКА
а —общий вид с установленной опорой; б —узел соединения опоры с
фундаментом; УОФ — условный обрез фундамента; УГР — уровень
головки рельса; Г — габарит контактной сети
(рис. 1.10) фундаменты типа ТСН, ТСС и блочные (рис. 1.11) типа ФКА. Последние имеют высокое сопротивление между анкерными болтами и арматурой и эффективны на участках постоянного тока, хотя при сооружении требуют тщательного исполнения изоляции и водоотводных мероприятий. Однако, несмотря на широкое развитие индустриального
15
Глава 1. Эволюция опорного хозяйства контактной сети
производства железобетонных опор, проводятся также разработка и совершенствование металлических опор, особенно из гнутых профилей.
Таким образом, подытоживая эволюционный путь развития конструкций опор контактной сети, следует отметить, что опоры в своем развитии прошли три важных этапа:
• 1-й этап начался в 1927 г. и продлился практически до 1955 г. В этот период при электрификации применялись металлические, деревянные и железобетонные опоры;
• 2-й этап начался в 1955 г. и продлился до 1993 г. В этот период применялись только (за редким исключением) железобетонные опоры. За это время произошел принципиальный переход к применению предварительно напряженных опор, армированных высокопрочной проволокой. Удельный вес их в общем парке опор близок к 90%. Однако эти опоры не имели требуемой защиты от электрокоррозии арматуры и были чувствительны к изменению прочности бетона;
• 3-й этап начался в 1993 г. Этот период характеризуется применением высоконадежных опор со смешанным армированием или опор с ограниченным уровнем натяжения арматуры. В опорах контактной сети предусмотрена установка специальных изолирующих деталей, обеспечивающих после монтажа двойную изоляцию закладных деталей от арматуры.
Проводится также разработка и совершенствование металлических опор контактной сети, особенно из гнутых профилей.