Размещено на http://allbest.ru

2

2

Применение скоростной струнной системы пассажирского транспорта в Екатеринбургской городской агломерации

ВВЕДЕНИЕ

Развитие коммуникаций всегда имело основополагающее значение в общественном прогрессе, обеспечивая связь между народами, способствуя усилению торговых и деловых отношений. Дороги это неотъемлемое условие личного и общественного блага, это показатель уровня цивилизованности. Современные автомобильные и железные дороги уже не вполне удовлетворяют потребностям общества. Высокая стоимость, низкие скорости, относительно высокий процент аварий, простои в пробках, сильный ущерб экологии - все эти неблагоприятные явления существующей мировой транспортной сети подталкивают государства к поиску новых видов транспортных коммуникаций.

Вышеперечисленные недостатки должны быть исключены в новом виде транспорта. При этом он должен базироваться на хорошо отработанных технологиях и материалах. На роль такого транспорта может претендовать Струнный Транспорт Юницкого (далее в тексте СТЮ).

Идея струнного транспорта появилась 30 лет назад. Ее автором является Анатолий Эдуардович Юницкий, академик РАЕН. За прошедшее время была хорошо проработана теоретическая база струнного транспорта, запатентовано множество конструкторских решений, относящихся к СТЮ, проведены испытания отдельных элементов конструкции и подвижного состава, разработано множество рабочих чертежей, а так же была опробована технология на 150-ти метровом участке трассы, в городе Озеры, Московская область.

СТЮ представляет собой размещенную на опорах, предварительно напряженную (растянутую) канатно-балочную конструкцию, по которой движутся транспортные модули. Такая структура может обеспечивать стократные запасы прочности и высокие показатели жесткости (выше, чем у мостов, путепроводов и железных дорог). При этом стоимость такой путевой структуры в разы ниже, чем у существующих видов транспорта, в виду низкой материалоемкости и почти полного отсутствия земляных работ. СТЮ не требует больших отчуждений территории, и не нарушает естественный рельеф местности. Энергозатраты транспортных модулей передвигающихся по струнным путевым структурам ниже, чем у автомобилей или поездов, благодаря низкому аэродинамическому сопротивлению, а скорости этих модулей выше и могут достигать 500 км/час. При этом стоимость строительства и эксплуатации СТЮ некритична к рельефу местности и климатическим условиям, поэтому такой транспорт может быть основой для развития малоосвоенных территорий.

Целью дипломного проекта является изучение основ струнного транспорта, а также закрепление знаний и навыков на проекте высокоскоростной магистрали Первоуральск-Екатеринбург.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Общие географические сведения

Екатеринбургская агломерация находится в центральной части Евразии, в 1667 км к востоку от Москвы. Географические координаты: 56є50ґ северной широты, 60є35ґ восточной долготы, 270 м над уровнем моря. Агломерация расположена на восточном склоне Уральских гор. По ее территории протекают две крупных реки: Исеть и Чусовая. Так же в границах агломерации присутствуют крупные водоемы: Исетское водохранилище, озеро Таватуй, озеро Шарташ, озеро Здохня, озеро Балтым, Белоярское водохранилище, Волчинское водохранилище и другие. Стоит отметить, что географическое положение Екатеринбургской городской агломерации крайне выгодно и с течением истории благоприятно повлияло на ее развитие. Выгодное положение обусловлено низкой высотой уральских гор, что послужило важным условием для строительства через Екатеринбург основных транспортных магистралей из центральной России в Сибирь. В результате Екатеринбург и прилегающие районы сформировались как стратегически важный центр, который обеспечивает связь между Европейской и Азиатской частями страны. В данной работе проектируется скоростная связь между крупнейшими населенными пунктами агломерации - городами Екатеринбург и Первоуральск. Первоуральск располагается западнее Екатеринбурга на 46 км. Примечательно, что между городами проходит условная граница разделяющая Европу и Азию

1.2 Природно-климатические условия

Екатеринбургская агломерация находится в зоне умеренно-континентального климата с характерной резкой изменчивостью погодных условий, хорошо выраженными сезонами года. Уральские горы, несмотря на их незначительную высоту, преграждают путь массам воздуха, поступающим с запада. В результате Средний Урал оказывается открытым для вторжения холодного арктического воздуха и сильно выхоложенного континентального воздуха Западно-Сибирской равнины, в то же время с юга сюда беспрепятственно проникают теплые воздушные массы Прикаспия и пустынь Средней Азии. Поэтому для Екатеринбурга и характерны резкие колебания температур.

Средняя температура января -12,6?Размещено на http://allbest.ru

2

2

С. Абсолютный минимум -46,7?С;

средняя температура июля +19?Размещено на http://allbest.ru

2

2

С. Абсолютный максимум 38,8?С;

среднегодовая температура +3?Размещено на http://allbest.ru

2

2

С;

среднегодовая скорость ветра - 2,9 м/с;

Размещено на http://allbest.ru

2

2

среднегодовая влажность воздуха - 71%;

Размещено на http://allbest.ru

2

2

среднегодовое количество осадков - 537 мм.

Размещено на http://allbest.ru

2

2

1.3 Население региона

Екатеринбургская городская агломерация является 4-ой по величине агломерацией в России после Московской, Санкт-Петербургской и Самаро-Тольяттинской. Состав Екатеринбургской городской агломерации представлен в таблице 1.

Таблица 1

Муниципальное образование	Площадь, кмІ	Население, чел
1	2	3
МО город Екатеринбург	1 142,89	1 383 448
Березовский ГО	1 152,47	68 678
ГО Заречный	299,27	29 749
Асбестовский ГО	745,02	72 832
ГО Рефтинский	24,44	16 490
Малышевский ГО	36,50	9 556
Белоярский ГО	1 323,29	34 580
ГО Верхнее Дуброво	33,90	4 793
МО поселок Уральский	10,01	2 445
Арамильский ГО	21,82	14 227
Сысертский ГО	2 107,12	63 487
Полевской ГО	1 550,58	71 182
ГО Дегтярск	174,77	15 521
ГО Ревда	1 118,77	63 428
ГО Первоуральск	2 053,75	148 873
Новоуральский ГО	110,00	88 307
ГО Верхняя пышма	1 044,93	72 823
ГО Среднеуральск	83,98	20 445
Всего	13 033,51	2 180 864

1.4 Транспортное обслуживание междугородних перевозок

Транспортное сообщение между Первоуральском и Екатеринбургом осуществляется по автомобильной дороге федерального значения Р-242 (Пермь - Екатеринбург) и по железной дороге.

Автомобильная дорога является основной транспортной связью Екатеринбурга и Первоуральска. Ежедневно по ней курсируют 10 автобусных маршрутов, на которых можно доехать от Первоуральска до Екатеринбурга и обратно. 4 из них отправляются с автостанции Первоуральск, остальные являются проходящими, и помимо автостанции делают остановки на остановочных пунктах города. Подробная информация о маршрутах представлена в таблице 2.

Таблица 2

№ маршрута	Кол-во рейсов в 1 сторону в день	Среднее кол-во пассажиров за 1 рейс	Кол-во перевезенных пассажиров в день (в 1 сторону)
1	2	3	4
	Пригородные маршруты
150	28	18	504
150-к	20	18	360
	Маршруты других перевозчиков
155	20	17	340
180	13	11	143
	Проходящие междугородние маршруты
1060	6	25	150
1046	14	17	238
942	1	18	18
1049	1	6	6
1091	1	6	6
587	1	14	14
Всего:	105	17	1779

Все вышеперечисленные маршруты, за исключением 180, следуют до северного автовокзала в Екатеринбурге, по улицам Репина и Челюскинцев. В пути совершаются остановки у ТЦ «Мега», института связи и дворца молодежи. 180-ый маршрут следует до южного автовокзала. Стоимость проезда составляет в среднем 70 рублей.

Ежедневно в направлении Екатеринбурга следует порядка 80 единиц личного автотранспорта, перевозящих пассажиров в режиме такси. Это как легковые автомобили, так и микроавтобусы. Учитывая, что за день каждый автомобиль совершает в среднем 3 рейса, ежедневный пассажиропоток составляет около 1200 пассажиров. Помимо этого, владельцы личного автотранспорта ищут попутчиков через СМИ и интернет. Этот стихийный поток трудно даже предположить, но по личным наблюдениям автора данной работы, он не превышает выше обозначенных пассажиропотоков на автомобилях, работающих в режиме такси.

Менее охотно пассажиры пользуются железнодорожным транспортом, несмотря на более дешевый проезд, чем на автобусе. Это обусловлено большими интервалами движения поездов, и меньшей комфортностью поездки. Ежедневный поток на пригородных электричках составляет в среднем 650 пассажиров.

Таким образом, ежедневный пассажиропоток на вышеперечисленных видах транспорта составляет не более 4800 пассажиров. Примерно такое же количество людей совершает ежедневные поездки на личных автомобилях. Итоговый показатель колеблется в районе 9000 человек, ежедневно совершающих поездки в Екатеринбург и обратно.

1.5 Существующая интенсивность движения

Проектом предусмотрены исследования интенсивности движения на участке от площади Победы в г. Первоуральск, до улицы Токарей в г. Екатеринбург. На этом участке транспортный поток Первоуральск-Екатеринбург оказывает наибольшее влияние на загрузку улично-дорожной сети. Расчет интенсивности движения проводился в час-пик для каждого направления. Так на пути следования из Первоуральска в Екатеринбург час пик приходится на период между 07:30 и 09:00 утра, а на обратном направлении - на период между 17:30 и 19:00. Результаты обследования сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Дата	Время	Участок		Число автомобилей по группам
			Л	Гр. до 2т	Гр. до 6т	Гр. свыше 6т	Авт. до 50 пасс.	Авт. свыше 50 пасс.
1	2	3	4	5	6	7	8	9
21.05.12	7:30 -7:45	1	214	6	1	0	28	1
	7:55 - 8:10	2	220	7	1	0	27	1
	8:15 - 8:30	3	327	6	2	7	30	2
22.05.12	7:30 - 7:45	4	319	6	5	6	27	2
	8:00 - 8:15	5	308	5	3	5	6	5
	8:20 - 8:35	6	298	7	9	11	2	5
21.05.12	17:55 - 18:10	7	236	5	8	11	0	4
	18:15 - 18:30	8	308	8	14	43	0	4
	18:40 - 18:55	9	309	7	18	42	0	5
22.05.12	17:40 - 17:55	10	320	9	21	42	0	4
	18:00 - 18:15	11	344	9	19	38	0	5
	18:25 - 18:40	12	317	5	7	6	7	4

Для оценки уровня загрузки, произведен расчет существующей интенсивности движения в час-пик по формуле 1 и пропускной способности, для каждого из участков выбранного маршрута по формуле 2.

Nmax _час = 4*Nmax _15мин = 4*Уki*Ni _нат (1)

где, ki - коэффициент приведения i-ого вида транспорта к легковому автомобилю;

Ni _нат - интенсивность движения i-ого вида транспорта в натуральных единицах;

Nм = N*г*б (2)

где, N - пропускная способность одной полосы движения;

г - коэффициент многополосности, принимаемый в зависимости от числа полос движения в одном направлении (n):

n=1, г=1,0 n=2, г=1,9 n=3, г=2,7 n=4, г=3,5;

б - коэффициент, учитывающий снижение пропускной способности за счет светофорного регулирования (принимается в проекте в зависимости от класса магистрали). Пропускная способность одной полосы движения рассчитывается по формуле (3):

(3)

где, V - скорость движения потока, принимается в зависимости от класса магистрали;

tр - время реакции водителя от начала торможения переднего автомобиля до начала торможения заднего автомобиля, 1 с (с учетом времени срабатывания тормозной системы);

g - ускорение свободного падения, 9,8 м/сІ;

fk - коэффициент сопротивления качению, 0,02 для асфальтобетонного покрытия; ц - коэффициент сцепления, 0,2 при V<60 км/час и 0,3 при V>60 км/час;

- - отношение сцепного веса автомобиля к полному, 0,6; i - продольный уклон, принимается со знаком (+) при движении в подъем и со знаком (-) при спуске;

l0 - расстояние безопасности между остановившимися транспортными средствами, 2 м; la - длина автомобиля, 5 м.

Ниже приведен расчет уровня загрузки для участка 1, проходящего по улице пр. Ильича от ул. Ватутина до ул. Чкалова.

Пр. Ильича - магистральная улица общегородского значения регулируемого движения. Скорость потока для данной категории улиц - 45 км/час или 12,5 м/с. Продольный уклон улицы 0,006, и принимается со знаком (-). Коэффициент, учитывающий влияние светофорного регулирования, для данной категории улиц принимается равным 0,8.

Пропускная способность одной полосы движения равна:

Пропускная способность двухполосной проезжей части равна: Nм = 1078*1,9*0,8 = 1639 ед/час.

Существующая интенсивность движения в час-пик в приведенных единицах равна:

Nmax час = 4*(214*1+6*1,5+1*2+0*3+28*1,5+1*2+1*0,5) = 1076 пр. ед/час.

Уровень загрузки проезжей части равен:

Аналогичный расчет произведен для каждого участка выбранного маршрута. Результаты расчетов сведены в таблицу 4, картограмма интенсивности движения с указанием пропускной способности и уровней загрузки представлена на рис. 1.

Таблица 4

Участок	Интенсив- ность в час-пик	Категория улицы (дороги)	Кол-во полос	Пропускная способность 1 полосы	Пропускная способность проезжей части	Уровень загрузки
1	2	3	4	5	6	7
1	1076	МУОГЗРД	2	1078	1639	0,66
2	1100	МУОГЗРД	2	1092	1660	0,66
3	1640	МУОГЗРД	3	1092	2359	0,70
4	1602	МУОГЗРД	2	1071	1628	0,98
5	1422	МУОГЗРД	2	1071	1628	0,87
6	1490	МУОГЗРД	2	1085	2062	0,72
7	1202	МДСД	2	1120	2129	0,56
8	1940	МДСД	2	1037	2159	0,90
9	1966	МДСД	2	1168	2220	0,89
10	2038	МДСД	2	1168	2220	0,92
11	2078	МДСД	2	1115	2118	0,98
12	1500	МУОГЗНД	2	1050	1995	0,75



Рис.1. Картограмма интенсивности движения в час-пик по маршруту движения Первоуральск - Екатеринбург

1.6 Основные выводы

Существующий пассажиропоток очень значителен для Первоуральска, так как составляет 6% от всего населения города. В перспективе он будет увеличиваться, так как оба города имеют положительную динамику роста. Кроме того, на западных окраинах Екатеринбурга появляются крупные фокусы тяготения, такие как ТЦ «Мега», которые пользуются большой популярностью у жителей Первоуральска.

Транспортное обслуживание Первоуральска по междугородним перевозкам полностью обеспечивает существующие пассажиропотоки, однако, все варианты транспортного сообщения имеют свои недостатки. Вопервых, стоимость проезда. На автомобильном и автобусном транспорте они составляют ежедневно около 200 рублей на человека, на железнодорожном - 140 рублей, ежемесячно - 4400 и 3080 рублей соответственно. Второй недостаток - это время поездки. В среднем оно составляет 50 минут, без учета затрат времени на городском транспорте. В час-пик время поездки может достигать полутора часов, а в случае ремонтных работ или аварий на автомобильной дороге - 2-ух и более часов. Если же учитывать затраты времени на городской транспорт, то время поездки от дома до цели составляет в среднем 1 час 40 минут. Наконец, людям, совершающим ежедневные поездки по трудовым и учебным целям, в среднем приходится делать по 2 пересадки при поездке в одну сторону. Первая пересадка осуществляется с городского на междугородний транспорт, вторая уже с междугороднего на городской.

Главной проблемой владельцев личного автотранспорта, совершающих ежедневные поездки между городами, является высокий уровень загрузки улично-дорожной сети. По результатам обследования, уровень загрузки превышает допустимый (Z>0,8) на 75% от общей протяженности пути, а положительная динамика роста пассажиропотока только усугубит ситуацию.

Учитывая вышеперечисленные недостатки и внушительные пассажиропотоки, можно сделать вывод о недостаточной эффективности транспортного обслуживания и необходимости проектирования новой транспортной коммуникации, в корне исключающей эти недостатки. Такой транспорт должен сочетать преимущества электричек, время поездки на которых не зависит от загруженности улично-дорожной сети, и автобусов, малые интервалы движения которых, позволяют гибко планировать пассажирам свои перемещения. Кроме того это должен быть комфортный транспорт, с малой стоимостью проезда. Такими свойствами обладают высокоскоростные железные дороги, поезда на магнитном подвесе и струнный транспорт. Однако для дальнейшего проектирования целесообразно выбрать третий вариант, так как струнный транспорт намного дешевле в строительстве и эксплуатации, чем высокоскоростные железные дороги и поезда на магнитном подвесе, а значит, будет ниже и стоимость проезда. Кроме того струнный транспорт не требует отчуждения больших территорий и обладает низким уровнем шума (в случае применения подвижного состава с электродвигателем), что благоприятно для городских участков трассы. Недостатком струнного транспорта является отсутствие нормативноправовой базы, поэтому разработка проекта ведется с учетом рекомендаций и наработок автора этого вида транспорта.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРУННОГО ТРАНСПОРТА

2.1 Путевая структура

Известны два способа создания пролетного строения между опорами: с помощью жесткой балки или с помощью гибкой нити натянутой до высоких усилий. Поскольку абсолютно жестких систем не бывает, то в результате компромисса между требованиями по снижению материалоемкости пролетных строений и требованиями по получению максимально высокого значения жесткости путевой структуры под воздействием расчетной подвижной нагрузки, во всем мире была принята расчетная относительная жесткость пролетов мостов, путепроводов и эстакад, равная 1/400 - 1/800.

Относительный прогиб балочного пролетного строения пропорционален квадрату его длины и обратно пропорционален высоте в третьей степени, модулю упругости материала и коэффициенту, учитывающему форму поперечного сечения балки. Поэтому при проектировании балочного пролетного строения стремятся уменьшить пролет, увеличить высоту балки и использовать материалы с высоким модулем упругости. Все эти меры ведут к удорожанию путевой структуры. С другой стороны, при струнном пролетном строении относительный прогиб такого пролета обратно пропорционален силе натяжения струны. Естественно от силы натяжения зависит и площадь поперченного сечения струны, но в сравнении с балочным пролетным строением, при обеспечении одинаковой жесткости, материалоемкость струнного пролетного строения примерно в 10 раз меньше. Поэтому транспортные системы второго уровня целесообразнее создавать на основе струнных пролетных строений без сплошного ездового полотна. Именно такая схема лежит в основе струнного транспорта Юницкого.

Путевая структура СТЮ состоит из рельс-струн, опор и инфраструктуры (станции, вокзалы, депо и т.д.). Рельс-струна представляет собой набор предварительно напряженной проволоки, размещенной внутри стального рельса. Опоры СТЮ подразделяются на два типа: анкерные и поддерживающие. Анкерные опоры являются наиболее материалоемким и дорогим элементом струнного транспорта, так как призваны нести продольную нагрузку в сотни тонн от натянутых струн. Располагаются на расстоянии до 10 километров друг от друга. Поддерживающие опоры устанавливаются через 20-1000 метров и несут вертикальную нагрузку от веса рельс-струны и транспортных модулей.

В зависимости от длины пролета путевая структура СТЮ разделяется на 2 характерных типа: обычной конструкции (пролет до 50м) и с поддерживающей канатной конструкцией (пролет более 50м). Линейная схема трассы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Линейная схема трассы СТЮ

1 - рельс-струна; 2 - поддерживающая опора; 3, 4, 5, 6 - анкерные опоры, соответственно: промежуточная; пилон; концевая; со стрелочным переводом; 7 - поддерживающий канат;

8 - промежуточная станция; 9 - участок трассы, выполненный из обычных рельсов; 10 - кольцевой вокзал; 11 - рельсовый автомобиль.

Рельс-струна

Основным элементом путевой структуры струнного транспорта является рельс-струна (рис. 2), сочетающая в себе положительные свойства обоих вариантов пролетных строений. Эта конструкция представляет собой пустотелый металлический рельс, внутри которого уложен набор проволоки, подверженный предварительному натяжению. Струна внутри рельса закреплена металлическими фиксаторами, а остальное свободное пространство заполнено модифицированным бетоном. Сверху, к рельсструне приварена головка рельса, по которой происходит качение колеса транспортного средства. На головке рельса так же устроены боковые щеки, за которые может быть заведено противосходное устройство транспортного модуля и контактный провод для передачи электроэнергии транспортным средствам с электрическим двигателем (рис. 3).

Рис.2. Конструкция рельс-струны: 1 - головка рельса; 2 - боковые щеки; 3 - проволока; 4 - корпус; 5 - крепление струны к корпусу рельса; 6 - заполнитель.

Рис. 3. Схема размещения противосходного и токосъемного устройств юнибуса: 1 - токосъемное устройство; 2 - поддерживающая опора; 3 - колесо юнибуса; 4 - рельс-струна; 5 - противосходное устройство.

Струна, размещенная внутри рельса, защищена от агрессивного воздействия внешней среды, а так же от непосредственного контакта с колесом транспортного модуля, что обеспечивает ее долговечность. В тоже время она в полной мере выполняет свои функции обеспечения достаточной прочности и жесткости путевой структуры. Корпус и головка рельса так же могут быть предварительно натянуты, обеспечивая дополнительную прочность и жесткость. В отличие от железнодорожных путей, в струнных системах не требуется устройство температурных швов. Несмотря на возникающие температурные напряжения в рельс-струне, ее искривление будет незначительным. Расчеты показывают, что искривление пути в плоскости провиса составляет приблизительно 1/10000 от длины пролета при перепаде температур от -50єС до +50єС. Для струнных транспортных систем оптимальной жесткостью является показатель 1/1000. Так при длине пролета 50м провис струны в середине пролета составит всего 5см. Такой провис легко размещается внутри рельса, это так называемый монтажный провис, положение которого внутри рельса закрепляется фиксаторами. Рельс с монтажным провисом, будет иметь очень ровную поверхность в статичном состоянии без учета движущегося транспортного средства. Для обеспечения еще более высокой ровности, рельс на каждом пролете может быть выполнен со строительным подъемом (выгибом вверх) равным динамической деформации пролета при проезде автомобиля. В сочетании с монтажным провисом, поверхность головки рельса будет очень ровной при проезде автомобиля (рис. 4).

Рис. 4.Схема устройства монтажного провиса и строительного подъема рельс-струны.

Высокая ровность, отсутствие температурных швов и низкое сопротивление качению стального колеса по стальному рельсу дают высокие показатели комфортности и энергоэффективности транспортных модулей, движущихся по струнному транспорту.

Помимо высокой ровности пути рельс-струна должна обеспечивать достаточную прочность. Прочность, в данном случае зависит от компоновки струны. Для того чтобы ее определить, необходимо в первую очередь выполнить анализ пассажиропотоков и потребности в проектируемом транспорте. Далее на основе этого анализа выбирается тип подвижного состава. Исходя из массы выбранных транспортных модулей и оптимального для проекта показателя относительной жесткости, определяется усилие натяжения струны. Наконец, выбирается компоновка струны: выбор типа проволоки и ее количества.

Например, спроектирована трасса с максимальным пролетом 35 м, выбран подвижной состав - юнибус Ю-362, вместимостью 30 человек включая 12 мест для сидения и полной массой 5000кг. Относительная жесткость пролета принята 1/800. При такой жесткости максимальный провис струны в середине пролета составит 35/800 = 0,04375 м = = 4,375 см, этот провис умещается в корпусе рельса. Исходя из заданной жесткости и массы юнибуса по формуле (4) рассчитывается необходимое усилие натяжения струны:

(4)

В данном случае Р = 2500 кг (полная масса 5000 кг равномерно распределяется на 2 рельс-струны), k = 1/800.

Для компоновки струны может быть использована высокопрочная проволока В-II диаметром 5 мм. Расчетное сопротивление такой проволоки равно 10750 кг/смІ а предельное - 17600 кг/смІ. Помимо усилия натяжения, струна испытывает температурные и ветровые напряжения, напряжения от обледенения рельса и от подвижного состава, движущегося в середине пролета. Эти напряжения составляют порядка 2100 кг/смІ, таким образом, от расчетной нагрузки остается величина 10750 - 2100 = 8650 кг/смІ, именно под такую нагрузку нужно рассчитать количество жил в струне при усилии натяжения 500000 кг. Площадь сечения струны будет равна: 500000 / 8650 = = 57,8 смІ. Проволока диаметром 5мм имеет площадь сечения, равную

0,19625 смІ, а значит в струне необходимо как минимум 57,8 / 0,19625 = 295 жил из такой проволоки. Таким образом, струна может быть собрана из проволоки, уложенной в 18 рядов по 17 жил в каждом, итого 306 жил, габариты этой струны будут равны 8,5 см на 9 см.

Стоит отметить, что существуют технологии, относящиеся к «ноу-хау» разработчика. Эти технологии позволяют при соблюдении необходимой жесткости струны, снизить силу ее натяжения в несколько раз.

Чем выше скорость, под которую проектируется струнная трасса, тем выше требования к жесткости путевой структуры и ее прочности (она должна обеспечивать большие усилия натяжения струны). Соответственно повышается материалоемкость рельс-струн и ее габариты. Для высокоскоростных трасс возможно применение рельс-струны, выполненной в виде фермы (рис. 5), в верхнем и нижнем поясе которой проходит предварительно напряженная струна. Такая конструкция более материалоемка, но позволяет достигать высоких показателей жесткости пути, при незначительном увеличении натяжения струн. Корпус, выполненный в виде фермы, обуславливает большую изгибную жесткость, нежели простой рельс.



Рис. 5. Рельс-струна выполненная в виде фермы

Еще один вариант рельс-струны, предназначен для устройства горизонтальных кривых. Это обычный или несколько уширенный рельс (ширина головки рельса при этом не изменяется), который имеет некоторую кривизну, соответствующую радиусу поворота трассы. Струна в таком рельсе проходит по хорде между соседними поддерживающими опорами, не вызывая боковых нагрузок на корпус рельса. Такие конструкции применяются на высокоскоростных трассах с большими радиусами поворота (рис. 6).

Рис. 6. Схема устройства горизонтальной кривой.

Например, при скорости движения 300 км/час радиус поворота трассы составляет 6950 м (такая величина обусловлена комфортным для пассажира боковым ускорением, равным 0,1g или 1 м/сІ). При расстоянии между промежуточными опорами в 50 м, боковое отклонение дуги, радиусом 9400 м от прямой линии, соединяющей эти две опоры, будет равно 4,5 см. Такая незначительная величина может быть размещена внутри рельса.

При меньших скоростях, для того, чтобы поместить струну внутри изогнутого рельса, можно либо увеличивать ширину рельса, либо уменьшать расстояние между опорами. При малых скоростях, например в городских условиях, где нецелесообразно, а зачастую и невозможно вписать кривую большого радиуса в рамки сложившейся уличнодорожной сети, поворот трассы проходит по специальной поворотной анкерной опоре. В таком случае, в пределах этой опоры размещаются обычные рельсы. Чтобы минимизировать величину и стоимость таких опор, следует уменьшить радиус поворота трассы, следовательно, ограничить скорость движения на этом участке. Поэтому целесообразно на таких участках трассы размещать остановочные пункты, которые можно вписать в конструкцию анкерной опоры.

Опоры

Опоры подразделяются на анкерные и поддерживающие. Анкерные опоры несут горизонтальную нагрузку от натяжения рельс-струны. Поддерживающие опоры, воспринимают вертикальную нагрузку от веса рельс-струны и транспортных модулей. Разработано несколько типовых вариантов анкерных и поддерживающих опор, которые могут быть применены на струнных трассах, кроме того, по требованию заказчика могут быть спроектированы индивидуальные конструкции.

Опоры СТЮ могут быть выполнены из железобетона (сборного или монолитного), стальных сварных конструкций или высокопрочных алюминиевых сплавов (рис. 7). Фундаменты опор, в зависимости от грунтов на трассе, могут быть свайными (забивные, винтовые, буронабивные или буроинъекционные сваи), либо плитными (монолитными или сборными). Опоры и рельс-струна образуют рамную конструкцию, поэтому несущая способность опор увеличена.

Минимальная высота опор СТЮ, обусловленная безопасным прохождением под путевой структурой транспортных средств, составляет 5 м. На определенных участках трассы, при необходимости, путевая структура может пройти без опор, на уровне земли, либо ниже поверхности земли - в выемках или тоннелях. Максимальная высота опор ограничена лишь экономической целесообразностью. Оптимальной является высота 5-6 м.

Предельный продольный уклон трасс СТЮ составляет 150‰. Этот показатель обусловлен сцеплением стального колеса с влажной поверхностью рельса, в случае, когда все колеса приводные. Продольный уклон трассы контролируется не величиной насыпи или глубиной выемки, а высотой опор, установка которых дешевле, чем устройство насыпей и выемок, поэтому трассы СТЮ некритичны к рельефу местности и могут быть более прямолинейными.

А Б

В Г

Рис. 7. Опоры СТЮ:

А - железобетонная анкерная опора; Б - анкерная опора из стальных сварных конструкций; В - железобетонная поддерживающая опора; Г - поддерживающая опора из стальных сварных конструкций.

Анкерные опоры

Анкерные опоры, в зависимости от рельефа местности и требований к трассе, будут установлены с шагом 500-3000 м и более. Максимальный шаг опор составляет 10 км - по максимальной длине стальных проволок для формирования струны, выпускаемых в настоящее время отечественной промышленностью.

Анкерные опоры, должны быть рассчитаны на восприятие горизонтальной нагрузки, как от силы натяжения струны, так и от температурный и ветровых усилий, от усилий, возникающих при движении транспортных модулей. Причем в процессе эксплуатации, такие нагрузки, испытывают только концевые опоры, промежуточные же (технологические) таких усилий испытывать не будут, так как усилия струн с одной и другой стороны опоры уравновешивают друг друга. Технологические опоры могут испытывать усилия только в процессе монтажа, когда промежуточная опора является концевой, так как трасса дальше еще не построена, либо в аварийных ситуациях, в случае полного обрыва струн с одной стороны от опоры.

Таким образом, и концевые и промежуточные опоры должны выдерживать возможные нагрузки, но при этом концевые опоры, испытывают эти нагрузки постоянно, и поэтому должны быть выполнены с большим запасом прочности.

Анкерные опоры изготавливаются по проекту ООО «СТЮ» в соответствии с требованиями технологической документации. Технические характеристики анкерной опоры для высокоскоростного СТЮ, с шириной колеи 2,5 м, в исполнении, показанном на рис. 8, приведены в таблице 5.



Рис. 8. Анкерная опора для одного пути струнной трассы, колеей 2,5м: 1 - грунт; 2 - фундамент анкерной опоры; 3 - тело анкерной опоры.

Таблица 5 Технические характеристики анкерной опоры для одного пути струнной трассы, колеей 2,5м

№ п/п	Технические характеристики анкерной опоры	Кол-во
1	Геометрические размеры тела анкерной опоры:
	- высота площадки анкерной опоры от уровня земли, м	4
	- ширина площадки анкерной опоры, м	6
	- длина площадки анкерной опоры, м	17,2
	- высота площадки анкерной опоры, м	0,5
	- размер сечения раскоса фермы, м	0,5
	- количество опорных раскосов, шт	10
2	Максимальное усилие, приходящееся на анкерную опору от одной рельс-струны, тс	300
3	Количество рельс-струн на анкерной опоре, шт	2
4	Габаритные размеры фундамента анкерной опоры:
№ п/п	Технические характеристики анкерной опоры	Кол-во
	- глубина, м	2
	- ширина, м	6
	- длина, м	21
5	Расход железобетона:
	- на тело опоры, мі	80
	- на фундамент, мі	90
6	Земляные работы, мі	200

Подобные железобетонные анкерные опоры применяются:

при расчетной температуре наружного воздуха до минус 60єС;

в условиях газовой среды с неагрессивной степенью воздействия;

при сейсмичности площадки строительства до 9 баллов включительно.

Фактическая прочность бетона железобетонных анкерных опор должна соответствовать требуемой, назначаемой по ГОСТ 18105-86 в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие и от показателя однородности прочности бетона. Коэффициент вариации прочности бетона анкерных опор должен быть не более 9%, а морозостойкость не ниже Мрз 100. Анкерные опоры изготавливаются из бетона нормальной степени плотности согласно СНиП II-28-73. Водонепроницаемость бетона W4. В качестве арматуры применяется проволока класса Вр-II - ГОСТ 7348-81 и Врп-I - ТУ 14170-119-80. Отклонения размеров анкерных опор не должны превышать 20 мм. Непрямолинейность профиля боковых граней, измеряемая на длине 2 м, не должна превышать 10 мм. На поверхности анкерных опор не допускаются:

раковины диаметром более 10 мм и глубиной 5 мм;

местные наплывы бетона высотой более 5 мм и впадины глубиной более 3 мм;

сколы бетона ребер глубиной более 10 мм и общей длиной более 50 мм на участке ребра длиной 1 м;

трещины в бетоне, за исключением местных поверхностных усадочных.

Крепление струн на анкерных опорах осуществляется с помощью анкерных зажимов. Специально для струнного транспорта были разработаны 5 вариантов анкерных зажимов. Это понадобилось в связи с тем, что существующие анкерные зажимы предназначены для крепления витых канатов, а в СТЮ используется не витой пучок проволоки малых диаметров. Один из таких анкерных зажимов представлен на рис. 9.



Рис. 9. Анкерный зажим А14132-12301000 без принудительного самозаклинивания (продольный разрез).

Поддерживающие опоры

В отличие от анкерных опор, поддерживающие воспринимают намного меньшую нагрузку, поэтому они значительно дешевле. Максимальное расстояние между поддерживающими опорами может составлять несколько километров, однако при таких больших пролетах, появляются значительные колебания рельс-струн, а провис может достигать нескольких метров. Естественно при таких показателях невозможно скоростное движение транспорта, а комфортность понижается. Поэтому, при необходимости создания больших пролетов, требуется устройство поддерживающих конструкций (устройство вант, поддерживающих канатов и т.д.) и увеличение силы натяжения струны. Стоимость строительства при этом выше, чем при размещении поддерживающих опор с шагом не более 50 м. При этом не рекомендуется размещать опоры с шагом менее 20 м, выигрыш в силе натяжения струны и ее материалоемкости в таком случае не превышает расходы на дополнительные опоры. Наиболее оптимальными считаются расстояния 30-40 м между опорами.

Поддерживающие опоры могут, при необходимости, использоваться в качестве: осветительных мачт, опор рекламных и информационных щитов, для прокладки линий связи или других инженерных коммуникаций.

Железобетонные поддерживающие опоры подразделяются на четыре типа (рис. 10):

Т-образные;

П-образные;

У-образные;

Индивидуального проектирования.

Опоры из сварных стальных конструкций не имеют такого строгого разделения, они все выполнены в виде вертикальной плоской фермы.

Рис. 10. Поддерживающие опоры.

Слева направо: Т-образная; У-образная; П-образная; Индивидуального проекта.

Ниже на рис. 11 и 12 показаны поддерживающие железобетонные опоры, разработанные компанией ООО «СТЮ».

Подобные поддерживающие опоры изготавливаются в соответствии с требованиями технологической документации, устанавливающей требования к качеству и точности изготовления опор.

Фактическая прочность бетона назначается по ГОСТ 18105-86. Коэффициент вариации прочности бетона в партии опор должны быть не более 9%. Морозостойкость бетона не ниже Мрз 100, водонепроницаемость W4. В качестве арматуры используется проволока Вр-II - ГОСТ 7348-81 и Врп-I - ТУ 14-170-119-80.

Отклонения размеров поддерживающих опор от номинальных не должны превышать 20 мм по длине опоры и 3 мм по размерам поперечного сечения. Непрямолинейность профиля боковых граней, измеряемая на участке 2 м, не должна превышать 10 мм, а для поддерживающих опор большой высоты (более 10 м) - 5 мм.



Рис. 11. Поддерживающая железобетонная опора двухпутной трассы СТЮ колеей 1,5 м на плитном фундаменте: 1 - рельс-струна; 2 - опора; 3 - фундамент; 4 - земля; 5 - выемка грунта.

Рис. 12. Поддерживающая железобетонная опора однопутной трассы СТЮ колеей 1,5 м на свайном фундаменте: 1 - рельс-струна; 2 - опора; 3 - свая; 4 - фонарь освещения; 5 - заполнитель компенсатора высоты; 6 - земля.

Компанией ООО «СТЮ» так же разработаны опорные узлы, предназначенные для крепления предварительно напряженных конструкций рельс-струны на промежуточных опорах. Опорные узлы должны воспринимать изгибающий момент и перерезывающую силу, возникающие как от собственного веса конструкции и расчетной ветровой нагрузки, так и от статических и динамических нагрузок, возникающих при движении транспортных модулей. Один из таких вариантов представлен на рис. 13 и 14.

При выполнении поддерживающих опор гибкими (т.е. с малой изгибной жесткостью) в направлении вдоль путевой структуры и жесткими в поперечном направлении (рис 11), в 10-15 раз снижается горизонтальная нагрузка, возникающая при торможении транспортных модулей. В таком случае эта тормозная нагрузка распределяется через рельс-струну на десятки опор. При выполнении опор жесткими (как в традиционных мостах) вся нагрузка воспринимается одной опорой и соответственно одним опорным узлом. Первое решение позволяет значительно снизить материалоемкость и стоимость промежуточных опор.

Рис. 13. Внешний вид опорного узла (вид изнутри пути СТЮ).

Рис. 14. Вид сбоку и разрез опорного узла поддерживающей опоры:

1 - ложемент; 2 - укрепляющая верх корпуса арматура; 3 - боковые накладки; 4 - головка рельс-струны с приваренным к ней корпусом; 5 - косынка; 6 - усиливающая нижняя накладка на корпусе рельс-струны; 7 - струна; 8 - бетонный заполнитель; 9 - поддерживающая опора.

Инфраструктура

Инфраструктура трасс СТЮ включает в себя саму путевую структуру, станции, вокзалы, погрузочные и разгрузочные терминалы, сервисные депо, диспетчерские, устройства электроснабжения, сети связи, системы сигнализации, информационные комплексы и другие сооружения и устройства.

Вокзалы и станции СТЮ классифицируются:

по площади помещений и расчетной вместимости на внеклассовые (более 1000 мІ, более 100 пасс.); I класса (до 1000 мІ, 50-100 пасс.); II класса (до 500 мІ, 20-50 пасс.); III класса (до 200 мІ, до 20 пасс.);

по расположению относительно путевой структуры - на продольные, торцевые и П-образные (рис. 15);

по количеству уровней - на одно-, двух- или многоуровневые; по организации движения - на линейные, челночные и разворотные (рис. 16);

по расположению относительно уровня земли на наземные и надземные.

Рис. 15. Расположение станций и вокзалов относительно путей СТЮ:

А - здание вокзала (станции); Б - перроны; 1 - продольное расположение; 2 - торцевое; 3 - торцево-боковое; 4 - П-образное.

Экономически целесообразно размещать станции СТЮ на анкерных опорах, в таком случае опора будет основным несущим элементом здания станции. Для крупных станций и вокзалов, возможно, потребуется установка дополнительных несущих конструкций, способных выдержать вес больших перронов, пассажиров ожидающих прибытия транспортных модулей и стационарного оборудования станций. Кроме того для надземных станций необходимо устройство лестничных маршей, пандусов или эскалаторов, а для наземных - устройство лифтов, доставляющих пассажиров из здания вокзала прямо к дверям транспортного модуля в момент его подхода (рис 17).

Вариант наземного вокзала удобен для пассажиров (особенно для маломобильных групп населения), а так же дешевле при строительстве, так как здание вокзала не нужно поднимать на высоту прохождения пути. Однако, такой вариант требует дополнительных затрат на эксплуатацию, а так же крайне чувствителен к авариям лифтового оборудования, так как в случае его поломки, пункт полностью перестает функционировать.

Рис. 17. Промежуточные станции СТЮ: сверху - наземная; снизу - надземная по анкерной опоре.

Для конечных станций могут быть применены либо кольцевые вокзалы, либо линейные, с устройством плоскопараллельного стрелочного перевода и разворотной платформы (рис. 18). Непосредственно на станциях СТЮ используются не рельс-струны, а обычные железнодорожные рельсы. Поэтому становится возможным организация как плоскопараллельного стрелочного перевода (наиболее эффективен для станций СТЮ) так и обычного стрелочного перевода.

Рис.18. Организация движения на конечных станциях: сверху - кольцевая; снизу - с плоскопараллельным стрелочным переводом и разворотной платформой.

Для эффективной работы СТЮ и обеспечения гарантированного ресурса службы транспортных модулей необходимо их своевременное обслуживание. Все работы по техническому обслуживанию и ремонту автомобилей проводятся в сервисных депо. Сервисное депо, в зависимости от вида станции и наличия свободных площадей может располагаться как в объединенном с вокзалом здании, так и в отдельно стоящем; на уровне путевой структуры или на уровне земли. При планировании продления трассы СТЮ необходимо размещать депо в стороне от направления предполагаемого пути, а так же возможность расширения площади для обслуживания транспортных модулей.

В сервисных депо должны выполняться следующие виды работ: мойка и уборка юнибусов, заправка ГСМ, контроль и диагностика оборудования и агрегатов, регулировка узлов и их смазка, сварка, окраска, слесарно-механические и электротехнические работы. На рис. 19 показана схема производственного процесса полнообъемного технического обслуживания.

Рис. 19. Схема технического обслуживания в сервисном депо: черной линией показаны основные направления, красной - возможные.

Для проведения комплексного обслуживание, в депо необходимо наличие следующего оборудования:

слесарный верстак; заточный станок; сверлильный станок; ручной пресс; сварочный аппарат; окрасочная камера; кран-балка; ванна для мойки деталей; стеллаж для инструмента; домкрат; контейнер для отходов;

2.2 Подвижной состав

На струнных трассах, в качестве подвижного состава могут применяться как существующие транспортные средства с установленными специальными двухребордными колесами, либо специально разработанные транспортные модули - юнибусы. В настоящее время разработано большое количество вариантов юнибусов, часть из них предназначена для пассажирских перевозок, а часть - для грузовых. Кроме этого, юнибусы различаются по вместимости (грузоподъемности), скорости движения, ширине колеи и т.д.

Движение юнибуса по путевой структуре осуществляется с помощью колес с двумя ребордами. Колеса оснащены противосходным устройством и токосъемным механизмом, через который производится запитка привода электрической энергией. Приводной агрегат юнибуса может быть выполнен в виде двигателя вращения (роторного электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, дизельного двигателя и др.), мотор-колеса (электрического или иного), линейного электродвигателя или газовой турбины.

Форма юнибусов так же разнообразна, так для высокоскоростных юнибусов применяется «каплевидная» форма, позволяющая снизить аэродинамическое сопротивление, а для городских - более прямоугольная, позволяющая удобно разместиться стоящим пассажирам (рис. 20).

Рис. 20. Юнибусы: слева - городской, справа - высокоскоростной

Корпус юнибусов состоит из сварного каркаса, служебной двери, запасной двери остекления и металлического покрытия, а так же термо- и шумоизоляции. Нижняя рама сварного корпуса состоит из продольных и поперечных балок, на которые крепится облицовка, а так же силовая установка, ходовая система и прочее электрооборудование. Юнибусы также оснащены системами вентиляции, кондиционирования и отопления, а при необходимости и системы автоматического управления. Для безопасности пассажиров, юнибусы оборудованы системами пожаротушения, состоящими из датчиков температуры, генераторов огнетушащего аэрозоля, и углекислых огнетушителей. В случае аварийной остановки, для безопасного спуска пассажиров на землю юнибусы оснащаются веревочными лестницами, тросовыми эвакуаторами или спасательными рукавами.

3. ПРОЕКТ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ СТРУННОЙ СИСТЕМЫ ПАССАЖИРСКОГО ТРАНСПОРТА МЕЖДУ ГОРОДАМИ ПЕРВОУРАЛЬСК И ЕКАТЕРИНБУРГ

3.1 Ситуационный план

Ситуационный план выполнен на спутниковой съемке, взятой с интернет ресурса «Яндекс карты» (www.maps.yandex.ru). Для городских участков использована съемка масштаба 1:5000, для междугороднего - масштаба 1:20000. На плане трассы были выделены автомобильные и железные дороги, остановки общественного транспорта, железнодорожные станции, населенные пункты и перспективные жилые кварталы, 2-ая линия метрополитена г. Екатеринбург, а так же крупные фокусы тяготения, как существующие, так и перспективные.

В городе Первоуральск отсутствует внеуличный пассажирский транспорт, а высокая загрузка улично-дорожной сети по пути следования в сторону г. Екатеринбург, осложняет сообщение с железнодорожным вокзалом и автовокзалом. Для наибольшей эффективности струнной транспортной системы, она должна проходить в черте города, так чтобы пассажиры могли добраться до ближайшего остановочного пункта пешком, либо на автобусе минуя участок Московского шоссе от улицы Вайнера до улицы Сакко и Ванцетти, так как на этом участке уровень загруженности проезжей части в час-пик превышает нормативный.

Учитывая маршрутную сеть городского автобусного пассажирского транспорта и крупные фокусы тяготения, было определено расположение остановочных пунктов. Первый остановочный пункт размещен на площади Победы, так как здесь сходится наибольшее количество городских автобусных маршрутов и из любой точки города можно доехать до площади без пересадок. Следующий остановочный пункт расположен на пересечении улицы Вайнера с Московским шоссе, расположение обусловлено с непосредственной близостью к городскому рынку и 2-ой проходной Первоуральского Новотрубного Завода. Третий остановочный пункт находится вблизи автовокзала и центральной проходной Первоуральского Новотрубного Завода. Четвертый - в районе поселка Талица, рядом с одноименной автобусной остановкой. Размещение 4-ого остановочного пункта связано с существенным пассажиропотоком жителей поселков Талица и Магнитка, следующих в Екатеринбург.

Учитывая невозможность размещения здания депо на территории площади Победы, струнная трасса продолжена по аллее вдоль ул. Ватутина до набережной Нижнее-Шайтанского водохранилища. На выезде из депо предусмотрен конечный остановочный пункт, так как в радиусе пешеходной доступности, находится необслуженная вышеперечисленными остановками жилая застройка.

В г. Екатеринбург, учитывалась перспективная застройка района ВИЗправобережный, которая включает жилые кварталы, ледовый дворец спорта, западный автовокзал, а так же конечную станцию перспективной линии метрополитена, которая пойдет через площадь 1905 года в сторону жилого района ЖБИ. Вторая для Екатеринбурга линия метрополитена начнется со строительства участка от перекрестка улиц Викулова-Крауля до площади 1905 года. Участок, протяженностью 4,5 километра будет включать в себя 4 станции (Металлургическая, Татищевская, Уральских коммунаров и Площадь 1905 года). Запуск участка планируется до 2018 года в связи с проведением на Екатеринбургском центральном стадионе матчей чемпионата мира по футболу. В последующие годы, линия метрополитена будет продлена на запад до проектируемого западного автовокзала...