Глава 1. Анализ конструкций опор и фундаментов

1.1. Общие тенденции в совершенствовании опорных конструкций

По своему назначению опоры подразделяются на два основных класса: перегонные и станционные. Перегонные опоры в первые годы электрификации изготовлялись из дерева и металла. Деревянные опоры были нераздельного типа. Металлические же опоры устанавливались только на фундаменты. С развитием массовой электрификации и дефицитом металла в Советском Союзе стали применять железобетонные опоры раздельного и нераздельного типов. В основном было рекомендовано применять одностоечные опоры нераздельного типа как наиболее экономичные. Если по грунтовым условиям (повышенный уровень вод, агрессивность среды, наличие плывунов, заторфованность территорий и т. д.) нельзя было применить бесфундаментные одностоечные опоры, то устанавливались они на фундаменты. Первоначально для железобетонных опор использовались такие же фундаменты, как и для металлических, т. е. блочные с анкерными болтами. Такие фундаменты в большом количестве были применены при электрификации дорог в период 1955-1958 гг. Позднее железобетонные опоры стали устанавливать в стаканные фундаменты, которые по расходу материалов более экономичны, чем блочные, и требуют использования при монтаже более легкого кранового оборудования.

Железобетонные опоры контактной сети изготовлялись двух типов: двутавровые и кольцевого сечения. Уплотнение бетона в двутавровых опорах производилось вибрированием, а у опор кольцевого сечения - центрифугированием. Поэтому часто их называют центрифугированными опорами.

Двутавровые опоры по расходу материалов более экономичны, чем центрифугированные. Но технология их изготовления сложна, в них не всегда удавалось надлежащим образом уплотнить бетой и выдержать требуемую толщину защитного слоя. Большое количество этих опор уже в первые годы эксплуатации из-за быстро развивающихся повреждений было заменено. Ремонт их был малоэффективным. Поэтому опоры этого типа после непродолжительного периода изготовления (10-12 лет) были в итоге сняты с производства. Предпочтение отдано центрифугированным опорам. Но и у них имеется целый ряд серьезных недостатков, присущих принятой технологии изготовления.

В связи с массовым производством железобетонных опор металлические консольные опоры устанавливают крайне редко. Как правило, их применяют в тех местах, где железобетонные опоры быстро разрушаются, т. е. в агрессивных средах. Металлические опоры в этих средах при надлежащей и своевременной окраске оказываются более надежными и долговечными, чем железобетонные.

Совершенствование металлических и железобетонных опор с течением времени происходило в направлении уменьшения их материалоемкости. Добиться этого удавалось при более глубоком изучении механики работы конструкций, уточнении нагрузок на них, повышении прочностных свойств материалов, осуществлении предварительного напряжения арматуры. Обращалось внимание и на повышение долговечности изготовляемых конструкций. Но в этом направлении еще многие вопросы остаются нерешенными.

В эксплуатации сейчас находится три вида консольных опор: металлические решетчатые, двутавровые железобетонные и центрифугированные (рис. 1.1). Каждый из них имеет несколько разновидностей и типоразмеров. Доля металлических решетчатых и двутавровых железобетонных опор в общем количестве опор в стране постоянно уменьшается. Постепенно двутавровые железобетонные опоры будут полностью заменены. Но произойдет это еще не скоро. В эксплуатации останутся только центрифугированные и металлические решетчатые опоры.

Рис. 1.1. Применяемые в СССР консольные опоры контактной сети: а - металлические решетчатые; б - двутавровые железобетонные; в - центрифугированные железобетонные

На станциях для подвески контактной сети применяются гибкие (рис. 1.2) и жесткие (рис. 1.3) поперечины. В первые годы электрификации применялись исключительно гибкие поперечины. Но устройство их требовало больших трудозатрат, особенно при возведении фундаментов. Более индустриальным оказалось возведение жестких поперечин. Поэтому постепенно от возведения гибких поперечин отказались и стали применять только жесткие. Первоначально жесткие поперечины изготовлялись только балочного типа, в которых ригели свободно опираются на опоры. Но имеется тенденция перехода на жесткие поперечины рамного типа (с жесткими узлами). В таких поперечинах пролетный изгибающий момент частично передается на опоры. Разгрузка ригеля в пролете приведет к уменьшению его сечения. Но эти поперечины будут более чувствительны к осадкам опор, окажутся слабее в коррозионном отношении. Это нужно предвидеть и эксплуатировать их с большой осторожностью.

Рис. 1.2. Гибкие поперечины

Рис. 1.3. Жесткие поперечины балочного типа

Первые конструкции рамных поперечин были разработаны И. Н. Ивановым и К. И. Скобелевым (рис. 1.4). Они в большом количестве установлены на Северо-Кавказской дороге. В этих поперечинах ригели имели трехгранное поперечное сечение. По расходу материалов такие ригели экономичнее четырехгранных, но изготовлять их сложнее.

Рис. 1.4. Жесткие поперечины рамной конструкции И. Н. Иванова и К. И. Скобелева

Позднее Всесоюзным научно-исследовательским институтом транспортного строительства были разработаны и начали применяться в опытном порядке жесткие поперечины рамного типа, для которых применены облегченные ригели прямоугольного сечения. Жесткость соединения их с опорами осуществлена установкой подкосов.

В дальнейшем сферы применения поперечин балочного и рамного типов будут разграничены. На тех участках дорог, где имеются слабые грунты и сложно обеспечить надежную заделку опор простыми средствами, будут устанавливаться поперечины балочного типа, а в остальных случаях - рамного. Сдерживать применение поперечин рамного типа будет также сложность устройства изоляции в узлах стыкования ригелей с опорами.

С течением времени в фундаментостроении также произошли серьезные изменения. Если первоначально под консольные и станционные опоры гибких поперечин сооружали в основном монолитные бетонные или бутобетонные фундаменты, то постепенно был сделан переход на сборные фундаменты заводского изготовления. Изменение принципов передачи усилий с фундаментов на грунт позволило во многих случаях уменьшить их габаритные размеры.

Резко были сокращены все работы по возведению фундаментов станционных опор при переходе на жесткие поперечины. Для возведения их применяются те же фундаменты, что и для консольных опор, т. е. стаканные двутавровые и трехлучевые. Установка их полностью механизирована.

В области материалов, используемых для опорных конструкций, имеется четкая тенденция постепенного перехода на применение более прочных сталей и бетонов. Если в первые годы электрификации фундаменты изготовлялись из бетонов М110, то в фундаментах заводского изготовления стал широко применяться бетон марки М300. Увеличилась также прочность бетона в опорах контактной сети. Сейчас изготавливаются опоры из бетона марок М400 и М500^*.

^* (В соответствии со СНиП 2.03.01-84 бетон, имеющий марки М400, М500, относится соответственно к классам по прочности на сжатие В30, В40.)

Таковы основные направления в совершенствовании опорных конструкций. Рассмотрим теперь подробнее применявшиеся типы опор и фундаментов для того, чтобы можно было представлять, как влияют на них те или иные повреждения. При этом главное внимание сосредоточим на выявлении имеющихся в отдельных частях конструкций резервов прочности, а также обратим внимание на наиболее загруженные элементы, снижение несущей способности которых в процессе эксплуатации может привести к опасным последствиям.