Одна из важнейших экономических задач, стоящих перед железнодорожным транспортом, – развитие высокотехнологичных промышленных производств. В области реконструкции и эксплуатации инженерных сооружений решение состоит в создании конструктивно новых мостов, имеющих большую надежность и позволяющих снизить затраты на их содержание при соблюдении требуемого скоростного режима. Этой теме посвящена статья заведующего лабораторией «Искусственные сооружения» ВНИИЖТ кандидата технических наук А.А. Дорошкевича и ведущего научного сотрудника того же института кандидата технических наук В.Г. Орлова.

Задача повышения надежности мостов всегда была среди приоритетных как для эксплуатационников, так и для проектных и научно-исследовательских институтов. Проблема выносливости этих сооружений из металла обострилась в конце 1960-х. Это оказалось связано с широким внедрением сварки в мостостроении. Через 10–15 лет эксплуатации в сварных конструкциях, рассчитанных не менее чем на семь десятилетий, появлялись трещины.

Каждый железнодорожник знает, что раннее обнаружение трещин – для эксплуатации условие неприемлемое: вероятна опасность хрупкого разрушения из-за первоначальной трещины, особенно зимой, при резком понижении температуры.

Выносливость элементов моста зависит от нескольких факторов. Смоделировать их в лабораторных условиях весьма трудно, так как нужны крупномасштабные образцы, повторяющие сварные или болтовые соединения элементов. Характер нагружения моделей должен соответствовать реальному и производиться с несколькими частотами одновременно. Особенно важно выявить наличие нескольких частот при динамическом нагружении, что может существенно менять предел выносливости металла.

Наиболее верным методом изучения выносливости металлических мостов стали натурные динамические испытания конструкций под проходящим поездом. Все прочие способы исследований не могли дать ответ – выдержит мост или не выдержит. Вот почему в 1974 году на экспериментальном кольце ВНИИЖТ в Щербинке построили эстакаду – единственный тогда в Европе стенд, – где можно было проводить статические и динамические испытания мостов.

Цели испытаний: уточнение запроектированного ресурса новых пролетных строений и их отдельных элементов или определение остаточного ресурса снятых с эксплуатации конструкций; определение особенностей динамической работы мостовых элементов и разработка стратегии продления срока их службы; повышение безопасности движения по мостам.

Экспериментальная эстакада стала одним из важнейших исследовательских инструментов. Она сделала реальными ускоренные динамические испытания пролетных строений длиной до 66 метров, элементов проезжей и опорных частей новых или снятых с эксплуатации строений. Высокая интенсивность движения испытательного поезда и большое количество вагонов в нем (до 115) позволяла ускорять выявление дефектов в десять и более раз.

При необходимости на эстакаде монтировали специальные страховочные устройства, обеспечивающие безопасность поезда при угрозе разрушения испытываемой конструкции. Это давало возможность наблюдать за ростом трещин в металле, за развитием других повреждений до наступления полного отказа.

Благодаря испытаниям сварных балочных пролетных строений на опытной эстакаде был предложен принципиально новый способ соединения вертикальных ребер жесткости – вместо приторцовки к поясам балок через «сухарики» сварка по контуру торцов без выкружек (это позволило повысить выносливость стенок балок в области выкружек; прежде в зонах прикрепления ребер возникали сквозные трещины).

Следует упомянуть и об испытании сварных балок со сплошной стенкой, привезенных на эстакаду с Восточно-Сибирской железной дороги из-за того, что через девять месяцев после начала эксплуатации в них появилось много трещин.

Под балки подвели страховочную железобетонную платформу, которая не мешала их работе под нагрузкой, но не позволила бы им обрушиться в случае мгновенного роста одной из трещин. Для охлаждения до минус 67 градусов одну из балок обкладывали сухим льдом и закрывали тепляками. Сверху над балками укладывались рельсы с предельно допустимым волнообразным износом. Из-за этого при движении поезда сила вибрации возросла почти десятикратно, как на эксплуатируемых мостах. В таком режиме испытания продолжались несколько часов. Быстрого удлинения трещин не произошло. Балка из современной низколегированной стали выдержала повышенную динамическую нагрузку при низкой «сибирской» температуре и наличии трещин. Эксперимент показал: для балок такого типа хрупкого разрушения можно не опасаться.

До 1990-х в Щербинке было испытано немало конструкций. Кроме лаборатории Искусственных сооружений ВНИИЖТа в исследованиях участвовали НИИ мостов, ЦНИИС, МИИТ, Институт электросварки им. Е.О. Патона (Украина)… Получен огромный объем экспериментального материала.

В процессе исследований было обращено внимание на то, что мостовое полотно достаточно сильно влияет на работу сооружения в целом.

Как известно, применяется два вида мостового полотна – безбалластное и с ездой на балласте. Совершенно очевидно, что балласт увеличивает долю постоянной нагрузки на пролетное строение. Поэтому ранее старались делать мосты с легким безбалластным полотном на деревянных поперечинах. Считалось, что упругость поперечин способствует демпфированию воздействий от паровозов. Потом вместо деревянных поперечин стали применять железобетонные плиты. Однако практика показала: пролетные строения с ездой на балласте удобнее, чем мосты с безбалластным полотном, поскольку путь на мосту и подходах становится более однородным, упрощается укладка бесстыкового пути и снижается интенсивность накопления расстройств. Кроме того, езда по балласту в наших условиях при смешанном грузопассажирском движении значительно уменьшает динамическое воздействие подвижного состава на путь на мосту и подходах, позволяя увеличить скорости и уменьшить уровень вибраций и шума. Подчеркивая, что перечисленные преимущества мостового полотна с ездой на балласте относятся к условиям эксплуатации в России, напомним, что в Европе используются высокоскоростные линии как с безбалластной конструкцией верхнего строения пути, так и с ездой по балласту, в том числе и на мостах, и безбалластное мостовое полотно для обеспечения высокой скорости – не преграда.

Введение механизированных комплексов для содержания пути показало, что мосты с безбалластным мостовым полотном служат барьерными препятствиями при очистке балласта. Очистка не производится на подходах к сооружению в пределах около 30–50 метров. Именно там накапливаются расстройства и возникают максимальные просадки пути – так называемые предмостовые ямы. Типовые проекты пролетных строений с ездой на балласте не позволяли использовать механизированную очистку балласта из-за недостаточной ширины балластного корыта.

Используя накопленный опыт, специалисты из ВНИИЖТ вместе со специалистами Центра ИССО и проектировщиками из институтов «Гипротранспуть», «Гипростроймост» и «Трансмост» предложили новые балочные пролетные строения с ездой на балласте. Сначала – из балок со сплошной стенкой для перекрытия наиболее массовых пролетов от 18 до 33,6 метра. Пролетные строения из балок со сплошной стенкой с ездой на балласте теперь широко используются на мостах сети. Затем была закончена разработка серии решетчатых пролетных строений с ездой на балласте, которые применяются для перекрытия пролетов от 33,6 до 110 метров. Головной образец этой серии планируется изготовить и установить на одном из мостов в нынешнем году.

В названных проектах применены металлические балластные корыта проезжей части. Их основа в обоих случаях представляет собой металлическую одноярусную ортотропную плиту. Главной проблемой при ее разработке оказалась недостаточная выносливость сварных соединений продольных ребер с поперечными балками. Испытания опытного металлического коробчатого пролетного строения с балластным корытом из двухслойной коррозионностойкой стали, установленного на эстакаде экспериментального кольца, помогли ее решить.

В ходе исследований менялась конструкция отдельных узлов ортотропной плиты, делались дополнительные вырезы, ослабляющие узлы, в местах пересечения элементов, и, наоборот, узлы усиливались. Благодаря этому были установлены характер распределения нагруженности узлов и пределы выносливости сварных соединений в зависимости от конструкции пересечения элементов. На этой основе разработано надежное сопряжение продольных ребер с поперечными балками в одноярусной ортотропной плите.

По существу – это больше, чем удачная конструкция отдельного узла. Проезжая часть железнодорожного моста – один из важнейших элементов, он во многом определяет идеологию всей конструкции пролетного строения в целом.

На эстакаде исследованы особенности работы различных типов мостового полотна: плит БМП со стержневым армированием и с предварительно напряженной арматурой; опытной партии плит с внешним листовым армированием; плит для эксплуатации в особо суровых климатических условиях (они доведены до стадии серийного производства Мостостроем-10 в Тынде); из шпал, уложенных по ортотропной плите без балласта. Кроме того, исследованы 14 типов прокладного слоя между плитами и балками и 7 способов прикрепления плит БМП, проведены испытания четырех типов резинометаллических опорных частей и двух типов подвижных и неподвижных однокатковых.

В конце прошлого года ОАО «РЖД» принято решение восстановить движение по эстакаде и возобновить испытания всех необходимых элементов мостового хозяйства. Предполагается исследовать следующие конструкции: решетчатое пролетное строение с ортотропной плитой балластного корыта расчетным пролетом 44 м; открытое (без верхних связей) пролетное строение расчетным пролетом 23 или 33 м; сталебетонное пролетное строение, снятое с восточного участка БАМ, – для отработки технологии усиления и более надежного включения железобетонного корыта в совместную работу; такое же пролетное строение – для отработки замены железобетонного корыта на металлическое; клепаное металлическое пролетное строение под нагрузку Н7 – Н8 с мостовым полотном из плит БМП – для определения остаточного ресурса.

При испытаниях на переустроенной эстакаде должны быть детально изучены такие проблемы, как определение допустимого уровня неровностей в рельсах на мосту для различных типов полотна, взаимосвязь с предельным уровнем вибраций при скоростном и высокоскоростном движении пассажирских поездов; апробация технологии нанесения на металлические конструкции пролетного строения новых гидроизолирующих материалов и их испытания в эксплуатационных условиях; испытание опорных частей нового типа; экспериментальная оценка надежности охранных приспособлений (в том числе конструкции челноков) из контруголков в случае схода подвижного состава.

Этот короткий рассказ «из жизни испытателей-мостовиков» характеризует смену эпох в железнодорожном мостостроении. Пройденный за 25 лет путь не был гладким. Порой темп развития казался излишне замедленным. И все же перспективные идеи пробивают себе дорогу. Новые задачи не позволяют останавливаться на достигнутом. Впереди много исследований, интересной и полезной работы.