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.