УДК 625.1(075.8) Кумулятивный эффект при вибродинамическом(сейсмическом) воздействии поезда на окружающие здания

УДК 625.1(075.8)
В.Н.Тюпин, ЗабИЖТ, г. Чита, Россия
Кумулятивный эффект при вибродинамическом(сейсмическом)
воздействии поезда на окружающие здания
В настоящее время важнейшей задачей ОАО РЖД является повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, что достигается путем интенсификации перевозочного процесса. Негативным фактором интенсификации
процесса перевозок является повышение вибродинамического воздействия подвижного состава на элементы железнодорожного пути, основание, а также окружающие здания и сооружения. Вибродинамическое воздействие отрицательно
влияет на человеческий организм и устойчивость зданий. В настоящее время, регламентируемая СНиП 2.07.01-89 защитная зона железной дороги составляет
100м. В аналитическом материале 1 отмечено, что проблема защиты зданий от
вибраций достаточно сложна и в основном исследуется на численных моделях,
которые не всегда отражают реальные свойства грунтовых сред и строительных
конструкций.
В настоящей работе приводится механизм воздействия поезда на железнодорожный путь и основание и определяется величина максимального сжимающего напряжения в основании удаленного здания с учетом кумулятивного эффекта,
то есть наложения сейсмических волн от движущегося поезда.
В исследованиях 2 предполагается, что механизм действия движущегося
нагруженного колеса на систему рельс- шпала- балласт- земляное полотно представляет собой процесс распространения волны деформаций, которая в основании
преобразуется в сейсмические волны (продольную, поперечную и поверхностную).
Величина сжимающих напряжений, возникающих в основании железнодорожного пути, на расстоянии от пути, при движении четырех наиболее близко
расположенных нагруженных колес по рельсу равна
.
0 ,5
4
σ сж
r
2
Ф бK
Eб
тб
mυ
2
πR
hб
bк
4 mg
Ф 3K
E3
T3
h3
R
r
2
2
2
0 .5
bm
R
Ф 0K
TO
r
E0
ν
0 .3 h П
3
2
(1)
1 ν
Буквенные обозначения в формуле (1) отображают физико-технические,
геометрические параметры элементов железнодорожного пути и основания, а
также динамические параметры подвижного состава.
При движении одного колеса по рельсу волны деформаций излучаются от
каждой шпалы, преодолевая балласт и земляное полотно они преобразуются в
сейсмические волны в основании пути. В случае если здание находиться на достаточном удалении от рельсового пути, то продольные волны (обладают наибольшей скоростью и амплитудой), возникшие от нескольких шпал, одновременно будут подходить к объекту и напряжения от них должны суммироваться – кумулятивный эффект (рис.1).
Рис. 1. Схема к определению числа «излучающих» шпал, формирующих
продольные волны в основании, одновременно действующие на охраняемый объект (2). 1- железнодорожный путь.
Разработка механизма взаимодействия волн и его математическое описание
позволили установить формулу определения числа шпал, излучающих волны деформаций, которые в основании преобразуется в продольные волны и одновременно воздействует на охраняемое здание (сооружение):
N
2
r 0 υυ
2
l υρ
ρ
υ
2
(2)
,
где l- расстояние между осями шпал; ro - минимальное расстояние от железнодорожного пути до здания; υ - скорость движения поезда; υp - скорость продольной
волны в основании.
Суммарная вели-
чина сжимающего напряжения от воздействия четырех близко расположенных
колес с учетом интерференции продольных волн равна
i 1
σ сж r
N σ сж r
.
(3)
Здания или сооружения, находящиеся на расстоянии от железнодорожного
пути при движении поезда будут подвергаться периодическим нагрузкам с максимальным напряжением на фронте продольной волны, определяемым по формуле (3) и частотой (при скорости движения поезда 10-20 м/с), равной 0,5-1 Гц.
Численный анализ (2) указывает, что с увеличением скорости продольных
волн в основании, между железнодорожным путем и зданием число взаимодействующих шпал уменьшается и в скальных породах составляет не более 3. С увеличением скорости движения поезда величина N увеличивается. Причем N в глинах и суглинках растет гораздо быстрее, чем в скальных горных породах. То есть,
кумулятивный эффект наложения сейсмических волн или суммирование сжимающих напряжений в глинистых и суглинистых грунтах существенно выше, чем в
скальных горных массивах.
На рис.2 приведены результаты численных расчетов.
Рис.2. Зависимость величины суммарного сжимающего напряжения с расстоянием от железнодорожного пути для глинистых (1) и скальных (2) массивов.
Анализ рис.2 показывает, что суммарная величина сжимающих напряжений
в глинах, суглинках превышает таковую в скальных горных породах. Это связано
с интенсивным наложением волн (кумулятивный эффект) в суглинистых породах
за счет низкой скорости их распространения. Величина максимальных суммарных сжимающих напряжений от воздействия подвижного состава сравнима с
прочностными характеристиками зданий, сооружений, приведенными в 3 . При
слабом разрушении деревянных зданий - кирпичных зданий - зданий с металлическим каркасом пределы их прочности соответственно составляют: 0,8*104 –
1,25*104 – 2,0*104Па. Эти прочностные параметры примерно соответствуют максимальным значениям сжимающих напряжений при движении грузового поезда
со скоростью 20 м/с (72 км/час). Следует отметить, что в городских условиях скорость движения грузовых поездов не превышает 20 км/час, что обеспечивает сохранность окружающих путь объектов.
Численный анализ теоретических формул позволяет определить степень
влияния физико-технических и геометрических параметров элементов железнодорожного пути и основания, а также динамических параметров движущегося поезда на окружающие здания. Формулы могут служить для выбора мероприятий,
способов, а также материалов с определенными геометрическими параметрами и
физико-техническими свойствами с целью снижения вибродинамического (сей-
смического) воздействия подвижного состава на окружающие железнодорожный
путь здания и сооружения.
Библиографический список.
1. Волков А.В. Экология жилища. Вибрация и городская застройка.- Интернет.Яндекс.- www.know-house.ru/avtor/vibr.htmi.-2012.-4c.
2. Тюпин В.Н. Определение напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути при движении нагруженного колеса с использованием закона сохранения энергии.// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование.- Иркутск:ИрГУПС.-2005.-№ 4(8).-С.57-64.
3. Гражданская оборона на железнодорожном транспорте.//Авт. И.И. Юрпольский, Т.Т. Ильин, Н.Н. Янченков и др.: Учебник для ВУЗов ж.д. трансп.- М.:
Транспорт.- 1987.-272с.