Перелом профиля на мосту

3 Проектирование профиля железной
дороги

Прямолинейные участки
и вертикальные круговые кривые называются элементами профиля[5]. Прямолинейные
участки характеризуются наклоном к горизонтальной плоскости и длиной. Наклон
элемента принято определять уклоном i, который представляет собой отношения превышения h (м) к 1 км и горизонтального
положения L (рис.3.1) и определяется по формуле (2.13).

Уклоны измеряются в
тысячных долях – промилях (‰).

Уклон элемента по
которому поезд движется на подъем, считается положительным, на спуск –
отрицательным. Подъем и спуск – относительные понятия. Элементы с уклоном i = 0 называется
площадками. Точка пересечение двух соседних прямолинейных элементов называется
переломом профиля. Перелом профиля характеризуется алгебраической разностью
уклонов i =i2 -i1 и принимается обычно
по модулю                      i =i2 -i1Поэтому i правильно называть модулем алгебраической разности
уклонов, однако для краткости называют ее разностью уклонов, имея в виду
модуль.

Вертикальные кривые
характеризуются параметрами RB, αB, KB, TB, БВ (рис.3.2).
С практически приемлемой точностью αB=i/1000.

Длина вертикальной
кривой KB = RBi /1000. Тангенс вертикальной кривой TB = RBi /2000. Биссектриса вертикальной кривой БВ = T/2 RB.

В тех случаях, когда БВ1 см, вертикальную кривую можно не устраивать.

Рисунок 3.1 —
Перелом продольного профиля

Трасса железной дороги – это продольная ось
железнодорожного пути на уровне бровок основной площадки земляного полотна.

Продольный профиль железной дороги представляет собойразвернутую на плоскость вертикальную
цилиндрическую поверхность, проходящую через трассу. Изображение на этой
развертке называется проектной линией продольного
профиля. Элементы проектной линии продольного профиля кратко называют
элементами продольного профиля.

План трассы – это проекция трассы на горизонтальную плоскость.
План состоит из отрезков прямых, пересекаемых под разными углами и сопрягаемых криволинейными
участками пути. Элементы продольного профиля и плана иногда называют элементами трассы.

Рисунок 3.2 —
Вертикальная кривая

Продольный профиль и
план железной дороги должны обеспечивать безопасность движения поездов
установленной массы с наибольшими допустимыми скоростями, т.е. должны быть
исключены возможность схода подвижного состава с рельсов и разрывы сцепных
приборов в движущихся поездах. Для этого продольные и поперечные силы R, возникающие в
поезде, не должны превышать допускаемых значений: RRдоп.

При проектировании
продольного профиля и плана необходимо обеспечить бесперебойность движения
поездов, для чего должны быть предотвращены снежные и песчаные заносы,
остановки поездов на участках с повышенным сопротивлением движению.

Горизонтальный элемент
профиля (i =0) называют площадкой, границу смежных элементов – переломом профиля,
расстояние между смежными переломами – длиной элемента.

Руководящим уклоном называется наибольший уклон
неограниченного протяжения, на котором при движении на подъем грузового поезда
расчетной массы с принятым на данной линии типом локомотива скорость поезда
устанавливается равной расчетной для данного типа локомотива. От крутизны
руководящего уклона зависят длина линии, объемы строительных работ и
эксплуатационные показатели. Чем круче руководящий уклон, тем короче может быть
трасса железной дороги на участках преодоления высотных препятствий, а
следовательно меньше строительная стоимость дороги. Руководящий уклон
выбирается при проектировании железной дороги с учетом рельефа района
проектирования и размеров перевозок во взаимосвязи с выбором типа локомотива и
полезной длины приемоотправочных путей и руководящими уклонами примыкающих
железных дорог[3].

Уклон кратной тяги iкр – уклон, по которому
поезд движется с расчетной скоростью, ведомый двумя или несколькими
локомотивами (рис.3.3).

Равнодействующая всех
сил приложенных к поезду при постоянной скорости равна нулю.

Уклон кратной тяги

Рисунок 3.3 —
Уклон кратной тяги

Уравновешенный уклон – это руководящий уклон в
направлении с меньшими размерами перевозок, он всегда круче руководящего. Поскольку
размеры перевозок различаются по направлениям, то при одном и том же числе
поездов «туда» и «обратно» масса поезда в направлении с небольшими размерами
перевозок будет меньше. Условно будем называть это направление «обратно».
«Облегченный» поезд массы Qобр локомотив сможет
вести по более крутому уравновешенному уклону. Величину iур найдем из условия равенства нулю равнодействующей, приложенной к поезду
(рис.3.4). т.е. R = Fк(р) – Р(w + iур) – Qобр (w+ iур) =0.

Откуда

Инерционный уклон ij – уклон круче руководящего, преодолеваемый поездом с
использованием запасов кинетической энергии (с разгона).

Рисунок 3.4 —
Уравновешенный уклон

Инерционным называется уклон круче руководящего, преодолеваемый
при движении на подъем за счет работы силы тяги локомотива и использования
кинетической энергии поезда. Такой уклон может быть применен в том случае,
когда участок, предшествующий подъему представляет собой спуск, на котором
поезд достигает большой скорости, приобретая при этом значительную кинетическую
энергию.

В случае торможения
часть механической энергии поезда переходит в тепловую энергию тормозных
колодок, трущихся о колеса локомотивов и вагонов, или в тепловую энергию
реостатов. Поэтому участки спусков, на которых применяется такое торможение,
называются вредными спусками. Спуски,
при движении по которым не применяется торможение, приводящее к переходу
механической энергии в тепловую, называются безвредными
спусками.

При строительстве
железной дороги для уменьшения объема земляных работ и по искусственным
сооружениям желательно проектировать продольный профиль элементами такой длины
и крутизны, чтобы проектная линия в наибольшей мере соответствовала очертанию
поверхности земли по направлению трассы. В этом случае под поездом может быть
несколько переломов профиля, причем разных знаков.

Прямолинейные участки
и вертикальные круговые кривые называются элементами
профиля. Длина элемента профиля L между локальными переломами и разность уклонов
смежных элементов  взаимосвязаны
и зависят от радиуса сопрягающей кривой R.

Важнейшим требованием
при проектировании продольного профиля железной дороги является обеспечение
безопасности и плавности движения поездов. Согласно нормам для расчета и
проектирования вагонов наибольшие продольные силы по условиям прочности
грузовых вагонов в зависимости от режима движения не должны превышать 1…2,5 МН,
а по условиям устойчивости против схода вагонов с рельсов – 0,5…0,8 МН. По
условиям обеспечения комфортности поездки продольные ускорения в пассажирских
поездах должны быть не более 3…5 м/с2.

Безопасность движения
в наибольшей мере обеспечивается устройством пересечений в разных уровнях. При этом
необходимо минимальную разность отметок проектной линии новой и существующей
дорог. Чем выше значение пересекаемого пути, тем более вероятно расположение
новой линии над существующей, что позволяет не нарушать движение при
строительстве. Однако если существующая дорога в месте пересечения уложена на
высокой насыпи, а новую линию можно запроектировать на более низких проектных
отметках или если она проходит место пересечения достаточно глубокой выемкой, а
существующая дорога – насыпью или нулевыми отметками, то более целесообразно
располагать новую линию под существующей[4].

Если проектируемая
линия проходит над существующей железной дорогой (рис.3.5), то минимальная
отметка бровки земляного полотна проектируемой линии

где Нгр
– отметка существующей головки рельса;

       hг— габаритная высота (расстояние от поверхности
головки рельса до низа пролетного строения путепровода);

       c— строительная высота(расстояние от низа пролетного строения до подошвы
рельса)

       b—расстояние от подошвы рельса до бровки земляного полотна.

Если проектируемая
линия проходит под существующей дорогой, то ограничивается максимальная отметка
бровки земляного полотна проектируемого пути:

где  hр –высота рельса;     

       b!— расстояние от головки рельса до бровки земляного
полотна проектируемой железной дороги.

Мосты, на которых путь
уложен на балласте, а также трубы могут располагаться при любых сочетаниях
плана и профиля, допускаемых нормами проектирования, ибо в пределах таких
искусственных сооружений возможно устройство вертикальных сопрягающих кривых,
возвышение наружного рельса, уширение балластной призмы. Мосты с безбалластной
проезжей частью должны располагаться на прямой и, как правило, на площадке либо
на уклоне не круче 10%0. При расположении мостов на уклонах
учитывают дополнительные усилия, возникающие в конструкциях сооружения. Если
путь на мосту укладывается не на балласте, то устройство вертикальной сопрягающей
кривой в пределах такого моста по конструктивным соображениям также крайне
затруднительно. Поэтому переломы профиля должны располагаться вне мостов, путь
на которых уложен не на балласте, на расстоянии не менее тангенса вертикальной
кривой от концов их пролетных строении (рис. 3.6).

а) –
проектируемая дорога над существующей; б) — проектируемая дорога под
существующей

Рисунок 3.5 —
Схема путепроводного пересечения существующей и проектируемой дорог:

Проектирование
продольного профиля в тоннелях, помимо отмеченной выше необходимости в
определениях в условиях смягчения ограничивающих уклонов должно выполняться с
учетом следующих обстоятельств. Продольный профиль горных тоннелей на железных
дорогах может быть одно —  или
двухскатным с подъемом к середине тоннеля.

Рисунок 3.6 —
Ограничения положения переломов профиля

Крутизна уклонов
профиля в тоннелях по условиям водоотвода не менее 3%0 и в
исключительных случаях – не менее 2%0. Короткие горизонтальные
участки длиной до 400 м
допускаются в двухскатных тоннелях лишь как разделительные площадки между двумя
обратными уклонами. Расположение тоннелей в плане должно удовлетворять
требованиям, предъявляемым  к плану
открытых участков железной дороги.

В пределах переходной
кривой отводится возвышение наружного рельса, и если переходная кривая в плане
совпадает с вертикальной кривой в профиле, то образуется сложная
пространственная кривая, разбивать и содержать которую в процессе эксплуатации
трудно. Поэтому вертикальные и переходные кривые не совмещают. Поскольку
переходные кривые в плане, а вертикальные кривые на профиле не показывают, то
зону, в которую не должен размещаться перелом, определяют расстояние d между концами
круговой кривой и переломами профиля:

Если вертикальная
кривая не предусматривается, то переломы профиля располагаются, не зависимо от
начертания плана. Практически такими являются переломы, обусловленные
смягчением профиля.

Основные исходные
данные необходимые для проектирования профиля, — категория линии, руководящий
уклон ip, полезная длина приемо-отправочных путей Lпо. Категория линии устанавливается по СНиП в зависимости от размеров
перевозок. Значения  ip и Lпо назначаются в задании на проектирование или выбираются на основе
технико-экономических расчетов. В зависимости от категории линии и полезной
длины приемо-отправочных путей по СНиП определяются нормы проектирования
профиля: длины элементов, разности уклонов, радиус вертикальных кривых. Профиль
проектируется на чертеже, который тоже называется профилем (рис.3.7). на
профиль – чертеж наносятся линия земли и схематический план линии. Начинающему
проектировщику полезно зафиксировать на профиле все ограничения, которые могут
быть учтены заранее, до нанесения проектной линии. Ограничения уклонов
устанавливают, предварительно вычислив максимальные уклоны в кривых и при R < 500 м, и на подходах к ним. В
тоннелях и на подходах к ним в выемках и на мостах ограничения уклонов
учитываются в процессе проектирования профиля.

Ограничения положения проектной линии могут быть
практически все нанесены предварительно. В местах расположения труб и малых
мостов высота насыпи должна быть не менее 2 – 3 м. Поэтому на профиле можно
предварительно показать ограничения проектной линии на пересечениях логов и малых
русл. На снегозаносимых участках профиля следует нанести ограничения проектной
линии по условиям предотвращения снежных заносов. Ограничения проектной линии
наносятся на пересечении путей сообщения, на пересечениях судоходных и
лесосплавных рек и на их поймах.  

Проектирование
продольного профиля в тоннелях, помимо отмеченной выше необходимости в
определениях в условиях смягчения ограничивающих уклонов должно выполняться с
учетом следующих обстоятельств. Продольный профиль горных тоннелей на железных
дорогах может быть одно —  или
двухскатным с подъемом к середине тоннеля. Крутизна уклонов профиля в тоннелях
по условиям водоотвода не менее 3%0 и в исключительных случаях – не
менее 2%0. Короткие горизонтальные участки длиной до 400 м допускаются в двухскатных
тоннелях лишь как разделительные площадки между двумя обратными уклонами.

Расположение тоннелей
в плане должен удовлетворять требования, предъявляемым  к плану открытых участков железной дороги.

Рисунок 3.7 —
Схематический продольный профиль