Az acélhidak felszerkezete és a csatlakozó pályaszakasz között az alábbi hatások eredményeznek relatív hosszirányú elmozdulást:

• hőmérséklet-változás hatására bekövetkező dilatáció;
• járművek függőleges terhéből kialakuló támaszponti szögelfordulás;
• járművek gyorsító és fékező hatása.

Vizsgálataink során a második és a harmadik hatásból származó mozgásokkal fog­lalkoztunk, egyenes pályába beépített hidak esetén. Mértük a sínszál és a pályalemez hídfőhöz viszonyított abszolút elmozdulását, valamint a sínvályúcsatorna pályalemezhez viszonyított relatív elmozdulását.
Ebben a publikációban összefoglaljuk a hídon álló járművek statikus hatásából ébredő sín- és pályalemezmozgásokat.

Vasúti hidak és vágányok viselkedése

Ha a hézagnélküli vágány korlátozza a híd felszerkezetének szabad mozgását, akkor a híd felszerkezetének alakváltozásai – pél­dául hőmérséklet-változás, függőleges terhelés, gyorsítás-fékezés stb. – következtében a sínekben és a híd fix támaszain hosszirányú erők keletkeznek.
Ha a sínek a vágány alátámasztásában – például egy híd felszerkezete és a hídfő között – jelentkező folytonossági hiányok felett megszakítás nélkül vannak átvezetve, akkor a híd tartószerkezete és a vágány együttesen viselik a vontatási és a fékezőerőkből származó hosszirányú hatásokat. A hosszirányú hatások egy részét a sínek közvetítik a hídfő mögötti háttöltésre, a másik részét pedig a támaszok továbbítják az alapozáson keresztül az altalajra.
A tartószerkezet és a vágány ilyen jellegű együttes hatásait a híd felszerkezetében, a fix támaszokban és a sínekben keletkező igénybevételek ellenőrzése során figyelembe kell venni.
A hídszerkezet és a vágány együttes viselkedését a hídszerkezet részéről az alábbi tényezők befolyásolják:
– A híd tartószerkezetének kialakítása:

• kéttámaszú hídszerkezet, folytatólagos többtámaszú hídszerkezet vagy kéttámaszú tartók sorozatából álló híd;
• a támaszközök száma és az egyes támaszközök hossza;
• az egymástól független felszerkezetek száma és ezek hossza;
• a fix támaszok helye és a dilatációs hossz (LT).

– A híd tartószerkezetének jellemzői:

• a felszerkezet függőleges irányú mozgásokkal szembeni merevsége;
• a felszerkezet semleges tengelye és a pályalemez felső síkja közötti függőleges távolság;
• a pályalemez felső síkja és a sínek semleges tengelye közötti függőleges távolság;
• a felszerkezet semleges tengelye és a támasz elfordulási tengelye (sarucsap) közötti függőleges távolság;
• a felszerkezet támaszponti szögforgása miatt a felszerkezet végének hosszirányú eltolódása;
• a tartószerkezet hosszirányú merevsége, mely a vágánytengely-irányú hatásokkal szemben mobilizálható merevségek összegeként határozható meg a támaszok, az alépítmény és az alapozások merevségeinek figyelembevételével.

A vágány és a hídszerkezet együttes viselkedését nagymértékben meghatározza a vasúti felépítmény kialakítása, amely lehet:

• ágyazatátvezetéses;
• hídfás, kompozit műanyag aljas vagy ezekkel egyenértékű (ritkán betonaljas) pontszerű sín alátámasztású vagy
• folytatólagos rugalmas sín alátámasztású, kiöntött sínágyazású (pl. Edilon, Sika stb.).

A hézagnélküli vágány sínszálainak át­vezetése a hídon történhet egyrészt a hézagnélküli sínszálak megszakítás nélküli átvezetésével, vagy a sínszálak megszakításával és síndilatációs készülékek beépítésével. Ha sínszálanként maximum egy síndilatációs készüléket építenek be, akkor számolni kell a híd és a vágány együttes viselkedésével. A járművek függőleges terhéből, valamint a hőmérséklet-­változásból többleterő keletkezik a híd felszerkezetében, a fix saruban és a sínben. Együttes viselkedés esetén a vontatási és fékezőerő egy hányadát a sínszálak továbbítják a földművön fekvő vágányszakaszra, ezért a gyorsító- és fékezőerőt a híd fix saruja és a háttöltés mögötti földmű együttesen veszik fel. Ha a híd mindkét végéhez építenek síndilatációs készüléket, akkor nem kell számolni a vágány és a híd együttes viselkedésével, ugyanakkor ebben az esetben a hídon haladó vonatrész gyorsító- és fékezőerejét teljes egészében a fix saru veszi fel.
Hídfás (kompozit aljas) felépítmény ese­tén a hídfák híd hossztartóihoz történő merev rögzítésével és szorítóhatású sínleerősítések alkalmazásával a vágány és a híd felépítménye a hosszirányú erők tekintetében szorosan együtt dolgozik. A hosszirányú erőkből ebben az esetben a felszerkezetre és a fix támaszokra jelentős többleterő adódik. Hídfás felépítmény esetén egy másik lehetséges műszaki megoldás, hogy a hídfák a híd hossztartóira beépített központosító lécen hosszirányban el tudnak mozdulni, és a hézagnélküli sínszál megszakítás nélkül van átvezetve a hídon, a híd a hézagnélküli vágánytól függetlenül tud dilatálni. A gyorsító- és fékezőerők egy részét, ami a terhelt hídfa és a hossztartó közötti tapadó súrlódás révén a hossztartókra adódik át, a híd fix saruja veszi fel. Az erő többi része a hídhoz csatlakozó földművön fekvő pályaszakaszokra adódik át a hézagnélküli sínszálakon keresztül.
A híd felszerkezetének és a vágánynak egymásra gyakorolt hatását nagymértékben befolyásolja:

• a vágány tengelyirányú merevsége és
• a vágány vagy a sínek hosszirányú eltolódással szembeni ellenállása, amely lehet:

          o a hosszirányú ágyazati ellenállás, amely az ágyazat alsó síkjához viszonyítva a vágány eltolódásával szembeni ellenállás;
          o vagy a sínek hosszirányú eltolódásával szembeni ellenállás a sínleerősítő szerkezeteken.

Fajlagos értéke a vágány hosszegységre jutó erő, amely a sín és a megtámasztó szerkezet vagy háttöltés közötti relatív eltolódás mértékétől függően az eltolódással szemben fellép.
Ha a hézagnélküli sínszálat megszakítás nélkül vezetik át a hídon, általános szabályként elmondható, hogy minél me­revebben van rögzítve a vágány a híd fel­szer­ke­ze­téhez, annál nagyobb reakcióerők keletkeznek a híd felszerkezetében, fix sarujában, valamint a sínszálban.
A vasúti hidak és a rajtuk átvezetett vágányok együttes viselkedésének meghatározásához az alábbi hatásokat kell figyelembe venni:

• hőmérsékleti hatások a tartószerkezetből és a vágányból álló összetett rendszeren,
• a függőleges terhek,
• a vontatási és fékezőerők,
• ha számottevő mértékű, akkor az egyéb hatásokból, mint zsugorodásból, kúszásból, egyenlőtlen hőmérséklet-változásból eredő végkeresztmetszet-eltolódás és -elfordulás.

Tervezési kritériumok

A MÁV Zrt. D.12/H. Utasítása alapján a zúzottkő ágyazatú és hídfás kialakítású hidakon a hézagnélküli felépítmény megszakítás nélkül átvezethető, ha a dilatáló – több nyílás esetén együtt dilatáló – hossz nem nagyobb 40 m-nél. Ha a dilatáló hossz a 40 m-t meghaladja, a hézagnélküli vágány folytonosságát (általában) meg kell szakítani.
Az EN 1991-2:2006 szabvány szerint a híd tartószerkezetének és az ágyazatátvezetéses vágány együttes viselkedéséből, a hídon és a csatlakozó hídfőn lévő sínekben fellépő többletfeszültség nem haladhatja meg az alábbi tervezési értékeket:

• nyomásra: 72 N/mm²,
• húzásra: 92 N/mm².

A fenti kritériumok azokra az esetekre vonatkoznak, amelyek kielégítik az alábbi feltételeket:

• UIC 60 r. vagy ezzel egyenértékű (60E1, 60E2 r.) sín, melynek szakítószilárdsága legalább 900 N/mm²,
• vízszintes ívsugár: R ≥ 1500 m,
• betonaljas vágány, ahol az aljtávolság: k ≤ 0,65 m,
• hatékony ágyazatvastagság: h ≥ 0,30 m.

Az ágyazatátvezetéses vágánynál a híd felszerkezetének vége és a csatlakozó hídfő között a vontatási és fékezőerőből kialakuló relatív hosszirányú eltolódás (δB) nem haladhatja meg a következő értékeket:

• 5 mm-t síndilatációs készülék nélküli, vagy csak a híd egyik végén elhelyezett síndilatációs szerkezettel készülő hézagnélküli vágány esetén;
• 30 mm-t a felszerkezet mindkét végén síndilatációs szerkezettel kialakított vá­gány esetén akkor, ha az ágyazatot a fel­szer­kezet mindkét vége felett folyamatosan átvezették;
• 30 mm-t meghaladó mértékű eltolódás csak abban az esetben engedhető meg, ha az ágyazatban dilatációs hézagot alakítanak ki, és a híd végein síndilatációs szerkezeteket helyeznek el.

Ágyazatátvezetéses vágányoknál a fel­szer­kezet felső síkjának a függőleges forgalmi terhekből származó hosszirányú eltolódása (δH) a felszerkezet végén a felszerkezet alakváltozása következtében nem haladhatja meg a következő értékeket:

• 8 mm-t, ha a tartószerkezet és a vágány együttes működését figyelembe vet­ték. Ez akkor lehetséges, ha fel­szer­ke­ze­tenként csak egy vagy egyetlen síndilatációs szerkezet sem készül.
• 10 mm-t, ha a tartószerkezet és a vágány együttes működését nem vették figyelembe.

Az esetleges hatások következtében a felszerkezet felső síkjának (δB) relatív függőleges eltolódása a csatlakozó szerkezethez – hídfőhöz vagy másik fel­szerkezet­hez – képest nem haladhatja meg a következő értékeket:

• 3 mm-t, ha a pályasebesség V ≤ 160 km/h, és a
• 2 mm-t, ha a pályasebesség V > 160 km/h.

Az EN 1991-2:2006 szabvány ugyanakkor meghatározza, hogy ágyazat nélküli vágányoknál külön kell előírni az egyes határértékeket.

A Zagyva-híd és a csatlakozó pályaszakasz bemutatása

A híd felszerkezete kéttámaszú, 63,60 m támaszközű acél rácsostartó (1. ábra). Az acélszerkezet hossza 64,57 m. A két rácsos főtartót kereszttartók kötik össze, melyek a két vágány alatt összesen négy hossztartót támasztanak meg. A főtartók, a kereszttartók és a hossztartók szegecselt kialakításúak.
A híd fix saruja a Szolnok felőli, mozgó saruja a Szajol felőli hídfőnél van, a hídszerkezet dilatáló hossza 64,09 m. A saruk forgáspontja és a sínkoronaszint közötti függőleges távolság 1,90 m. A hídszerkezet kétvágányú és alsópályás, a sínrendszer 60E2, a sínleerősítés Edilon Corkelast VA60 rendszerű kiöntött, folytatólagos, rugalmas ágyazású. Az Edilon leerősítésre szolgáló acél sínvályúcsatornák – melyeket a hossztartók támasztanak alá – csavarozott kapcsolattal vannak az ortotróp pályalemezhez erősítve. A vasúti pálya tervezési sebessége 120 km/h.
A hídhoz csatlakozó pályaszakasz zúzottkő ágyazatú, keresztaljas, a sínrendszer szintén 60E2. A híd és a földművön fekvő pályaszakaszok csatlakoztatásánál, a Szajol felőli oldalon ±2 × 100 mm nyitású iker VM rendszerű, a Szolnok felőli oldalon ±100 mm nyitású VM rendszerű síndilatációs készüléket építettek be, ezért a híd és a csatlakozó szakaszok egymástól függetlenül tudnak dilatálni (2. ábra).
 

A híd és sínmozgások meghatározása

A szolnoki Zagyva-hídon elvégzett vizsgálataink keretében megmértük a jobb vágány jobb sínszálán az áthaladó járművek függőleges terhének hatására kialakuló alábbi mennyiségeket:

• a sínszál hosszirányú mozgását a híd­főhöz képest a hídvégnél (3. ábra);
• a pályalemez hosszirányú mozgását a híd­főhöz képest a hídvégnél (3. ábra);
• a sínszál hosszirányú mozgását a pá­lya­lemezhez képest, az Edilon sín­vá­lyú­csa­tornának a híd végéhez legközelebbi megszakításánál (4. ábra);
• az Edilon sínvályúcsatorna hosszirányú mozgását a pályalemezhez képest, a csatornának a híd végéhez legközelebbi megszakításánál (4. ábra).

 Az elmozdulásokat az alábbi terhelési állapotokban mértük meg:

• a híd statikus terhelésekor;
• különböző konstans sebességű járművek áthaladásakor, valamint
• mozdonyok fékezése és gyorsítása közben.

A méréseket 2015. október 3-án, a híd próbaterhelésével egyidejűleg hajtottuk végre, ebből kifolyólag a vizsgálataink során alkalmazott járműteherállások megegyeztek a próbaterheléskor alkalmazottakkal.
A próbaterheléshez használt járművek:

• A MÁV Zrt. 630-000 (korábban V63) sorozatú, 6 tengelyes villamos mozdonya, amelynek önsúlya 1160 kN, legnagyobb névleges tengelyterhelése 200 kN. A jármű ütközői közti hossz 19 540 mm, a szélső tengelyei közötti távolság 14 640 mm.
• A MÁV Zrt. 628-000 (korábban M62) sorozatú, hagyományos, 6 tengelyes dízel-elektromos mozdonya. Önsúlya 1164 kN, legnagyobb tengelyterhe­lése 194 kN. Az ütközők közötti hossz 17 550 mm, a szélső tengelyei közötti távolság 12 800 mm.

Az elmozdulásmérésekhez Hottinger-Baldwin Messtechnik (HBM) gyártmányú, WA–20MM-T rendszerű, 20 mm méréshatárú, tapintócsúcsos induktív út­adókat használtunk. Az adatgyűjtő és mérőerősítő HBM Spider 8 és HBM Quan­tum MX840 rendszerű 8 csatornás mérőelektronika volt. A mérő- és kiértékelő szoftver a Catman AP/Easy. A mintavételi frekvencia a dinamikus futamoknál 600 Hz, a statikus méréseknél 10–25 Hz volt.
A hídvégnél a sín és a pályalemez hosszirányú elmozdulását mérő műszerek elhelyezését a 3. ábra, az Edilon sín­vá­lyú­csatorna megszakításánál az el­moz­du­lás­mérők elhelyezését a 4. ábra, a két mérési keresztmetszet egymáshoz viszonyított elhelyezkedését az 5. ábra szemlélteti.

Két vágány egyidejű statikus terhelése

A híd statikus terhelésének egyik teher­állása során mindkét vágányra három mozdony (M62 + V63 + M62) állt szimmetrikusan (6. ábra).
Az útadókat a teljes terhelés mellett nulláztuk, és mértük a mozdonyok hídról való lehaladása során a jobb vágány jobb sínszál és a pályalemez hídfőhöz képest kialakuló hosszirányú elmozdulásait a fix sarunál és a görgő sarunál egyaránt.
A tehermentesítéskor a fix sarunál kialakuló mozgásokat a 7. ábra, a görgő sarunál kialakulókat a 8. ábra szemlélteti. A mozdonyok először a jobb vágányról (1100 s relatív időnél), majd ezután a bal vágányról (1400 s relatív időnél) haladtak le a hídról Szolnok állomás felé, tehát a fix saru irányába.
Méréseink eredménye az volt, hogy a járművek függőleges terhelésének hatására a jobb vágány jobb sínszála a teljes terhelés mellett a fix sarunál 1,12 mm-t, a mozgó sarunál 0,88 mm-t mozdult hosszirányban a hídfőhöz képest, a hídfőktől távolodó irányba. A teljes terhelés mellett a pályalemez hosszirányú elmozdulása a hídfőhöz képest a fix sarunál 1,60 mm, a mozgó sarunál 1,69 mm volt. Megállapítható, hogy a sín és a pályalemez hosszirányú elmozdulása a fix sarunál és a mozgó sarunál nagyságrendileg hasonló. A sín hosszirányú elmozdulása a sínvályúcsatornához képest a fix sarunál (1,60 mm – 1,12 mm) 0,48 mm, a mozgó sarunál (1,69 mm – 0,88 mm) 0,81 mm volt, ennyi az Edilon kiöntőanyag rugalmas hosszirányú nyúlása. A 7. ábrán látható az Edilon sínvályúcsatornának a pályalemezhez viszonyított relatív elmozdulása. A sínvályúcsatorna a terhelés hatására gyakorlatilag mozdulatlan volt.

1100 s relatív időnél (7. és 8. ábra) az M62 + V63 + M62 kombinációból álló három mozdony lehaladt a jobb vágányról, de a bal vágányon még rajta maradt a másik három ugyanilyen kombinációjú mozdony. Ekkor a jobb vágány jobb sínszála a fix sarunál 0,51 mm-t, a mozgó sarunál 0,38 mm-t, a pályalemez a fix sarunál 0,74 mm-t, a mozgó sarunál 0,97 mm-t mozdult el. 1400 s relatív időnél a bal vágányról is lehaladtak a mozdonyok. Ekkor a jobb vágány jobb sínszála a fix sarunál további 0,61 mm-t (1,12 mm – 0,51 mm), a mozgó sarunál további 0,50 mm-t (0,88 mm – 0,38 mm) mozdult el. A pályalemez a fix sarunál további 0,86 mm-t (1,60 mm – 0,74 mm), a mozgó sarunál további 0,72 mm-t (1,69 mm – 0,97 mm) mozdult el.

A jobb vágány statikus terhelése

A híd statikus terhelésének egy másik teherállása során a jobb vágányra három mozdony (M62 + V63 + M62) állt fel, szimmetrikusan. A bal vágány ekkor forgalom alatt állt, így a menetrend szerint áthaladó vonatok között a bal vágány terheletlen volt. A teherelrendezés megegyezik a 6. ábrán bemutatottal.
A jobb vágány jobb sínszálán, alatta a pályalemezen és a fix sarunál kialakuló mozgásokat a 9. ábra, a görgő sarunál kialakuló mozgásokat a 10. ábra szemlélteti.

 A mozdonyok hídra történő felhaladásakor a sín hosszirányú elmozdulásának pillanatnyi csúcsa – a mérés elején – a fix sarunál 0,91 mm, a mozgó sarunál 0,55 mm volt, majd a statikus terheléskor ezek a fix sarunál 0,60 mm-re, a mozgó sarunál pedig 0,50 mm-re álltak be. A pályalemez elmozdulásának pillanatnyi csúcsa a fix sarunál 1,17 mm, a mozgó sarunál 0,94 mm, majd a statikus terhelés alatt ezek a fix sarunál 0,83 mm-re, a mozgó sarunál 0,86 mm-re álltak be.
A mérés közben a bal vágányon közlekedtek a vonatok, ezek elhaladásának hatására kialakuló többletelmozdulásokat tüntetik fel a 9–10. ábrán az 1000–2700 s relatív idő közötti elmozduláscsúcsok. A bal vágányon az 1000–1100 s relatív időnél elhaladó tehervonat hatására a jobb vágány jobb sínszálának a hídfőhöz viszonyított hosszirányú elmozdulása a fix sarunál 0,81 mm-re, a mozgó sarunál 0,71 mm-re növekedett, a pályalemez elmozdulása a fix sarunál 1,27 mm-re, a mozgó sarunál 1,23 mm-re növekedett. A bal vágányon áthaladó tehervonat hatására, a híd felszerkezetének lehajlásából a jobb vágány alatti pályalemez hídfőhöz viszonyított hosszirányú elmozdulása mintegy 0,4 mm-rel növekedett meg.
Az 1800–1900 s relatív időnél látható rövid idejű elmozduláscsúcsot egy gépmenet váltotta ki. A 9–10. ábrából az is megállapítható, hogy egy-egy tehervonat vagy gépmenet áthaladása után a sínszálak és a pályalemez nem ugyanabba a hosszirányú pozícióba álltak vissza, mint ahol a vonat elhaladása előtt voltak. A fix sarunál döntően nőttek, a mozgó sarunál pedig csökkentek az elmozdulások. Ez a hídszerkezet belső tehetetlenségével és belső súrlódásával is magyarázható.

Összefoglalás

A híd statikus terhelése közben kapott eredményeinket a táblázatban foglaltuk össze. Az első két terhelési eset összehasonlításából látható, hogy amikor mindkét vágány terhelt, az a sín tekintetében mintegy másfél-kétszer nagyobb, a pályalemez esetében pedig megközelítőleg kétszer na­gyobb hosszirányú elmozdulást eredményez ahhoz képest, mint ha csak a jobb vágány lenne terhelt.

A harmadik esetben kapott elmozdulások nagyságrendileg az első és a második között vannak. A harmadik eset statikusan megegyezik a másodikkal, csak ekkor a bal vágányon áthaladt egy tehervonat, amelynek feltételezhetően nem minden kocsija volt rakott.