A bevezetőben leírt esetekben figyelembe kell venni a híd és a vasúti pálya együttes viselkedését.

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, akkor a hézagnélküli vágány folytonosságát (általában) meg kell szakítani. 
Az MSZ EN 1991-2:2006 szabvány szerint a híd tartószerkezetének és az ágyazatátvezetéses vágány együttes hatásából (kombinált 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 sín, melynek szakítószilárdsága legalább 900 N/mm²,
• vízszintes körívsugár: R ≥ 1500 m,
• betonaljas vágány, ahol az aljtávolság: k ≤ 0,65 m,
• hatékony ágyazatvastagság: h ≥ 0,35 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 átvezetik;
• 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 kombinált működését figyelembe vették. Ez akkor lehetséges, ha fel­szer­ke­ze­ten­ként csak egy vagy egyetlen dilatációs szerkezet sem készül.
• 10 mm-t, ha a tartószerkezet és a vágány kombinált 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
• 2 mm-t, ha a pályasebesség V > 160 km/h.

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

A vizsgálatok célja

A BME Út és Vasútépítési Tanszék részéről kutatási jelleggel pályaméréseket végeztünk a 40. sz. vasútvonalon egyrészt Tolnanémedinél az 1039+71 szelvényben lévő, másrészt Pincehelynél az 1102+27 szelvényében lévő Kapos-híd próbaterhelése során. A kutatás célja a pálya-híd kölcsönhatás meghatározása a járműterhek hatására bekövetkező hosszirányú el­mozdulások és erők tekintetében. Vizsgálataink összehasonlító jellegűek. Tolnanémedinél a híd előtt és után síndilatációs készülékekkel megszakították a vágányt, Pincehelynél a hézagnélküli sínszálakat megszakítás nélkül vezették át a hídon. A felépítmény mindkét hídon ágyazat­átvezetéses.

A hidak bemutatása

A hidak felszerkezete kéttámaszú, rácsos, szélrács nélküli, ortotróp pályalemezes hegesztett acélszerkezet. A fix saru a kez­dőpont felőli, a mozgó saru a végpont felőli hídfőnél van mindkét hídnál. A tolnanémedi híd dilatáló hossza 41,70 m, a pincehelyi hídé 38,70 m.

A Tolnanémedinél lévő Kapos-híd

Az acélszerkezet hossza 42,20 m, a támaszköz 41,20 m. A saruk forgáspontja és a sínkoronaszint közötti függőleges távolság 1,82 m.
A vasúti felépítményt a hídon zúzottkő-ágyazatú, 60E2 rendszerű sínekkel, Skl-3 sínleerősítésekkel, 150 mm széles, négylyukú Geo alátétlemezekkel és DA jelű keresztaljakkal alakították ki. A zúzottkőágyazatot a híd mindkét végénél ágyazathatároló lemezekkel szakították meg. A vasúti pálya tervezési sebessége 160 km/h. A híd kezdőpont felőli végénél a földművön, a végpont felőli végnél a hídszerkezeten egy-egy B60 VM rendszerű ±100 mm nyitású síndilatációs készüléket építettek be.
A földművön fekvő pályaszakasz zúzottkő-ágyazatú, keresztaljas, 54-es sínrendszerű, amely 54/60 átmeneti mezővel csatlakozik a síndilatációs készülékekhez. A vasúti pálya vízszintes vonalvezetése a hídon és a csatlakozó szakaszokon egyenes. A híd az 1. ábrán, jellegrajza a 2. ábrán látható.

A pincehelyi Kapos-híd

Az acélszerkezet hossza 39,20 m, a támaszköz 38,20 m. A saruk forgáspontja és a sínkoronaszint közötti függőleges távolság 1,80 m.
A vasúti felépítmény a hídon zúzottkő-ágyazatú, 60E2 rendszerű sínekkel, „felhegesztett” Geo szorítólemezes sínleerősítéssel, 110 mm széles kétlyukú alátétlemezekkel és TSF-A keresztaljakkal kialakított. A zúzottkőágyazatot a híd mindkét végénél ágyazathatároló lemezekkel szakították meg. A hídfőkre szerelt ágyazat­határoló lemezek előtt, a földművön fekvő szakaszokon 5-5 keresztaljon szintén felhegesztett Geo szorítólemezes sínleerősítés van. A vasúti pálya tervezési sebessége jelenleg 120 km/h, m = 43 mm túlemeléssel kialakítva, azonban hosszú távon alkalmas 160 km/h sebességre m = 136 mm túlemelés mellett. A hézagnélküli sínszálakat megszakítás nélkül vezették át a hídon.
A hídhoz csatlakozó pályaszakasz 54/60-as sínrendszerű, Skl-14 sínleerősítéssel, L5 jelű keresztaljas, zúzottkő-ágyazatú, amely 54/60 átmeneti mezővel csatlakozik a hídon lévő felépítményhez. A vasúti pálya vízszintes körívsugara a hídon és a csatlakozó szakaszokon R = 1395 m. A híd a 3. ábrán, jellegrajza a 4. ábrán látható.

A vizsgálatok végrehajtása

A tolnanémedi hídon vizsgálataink során meghatároztuk
– a hídszerkezet ágyazathatároló lemezének hosszirányú mozgását a hídfőre szerelt ágyazathatároló lemezhez (fixponthoz) képest a jobb sínszál külső oldalánál, a híd mindkét végénél;
– a híd fix saru (kezdőpont) felőli végénél

• a hídon lévő jobb sínszál hosszirányú mozgását a hídfőre szerelt ágyazat­határoló lemezhez képest;
• a síndilatációs készülék sínszálainak egymáshoz viszonyított mozgását;

– a mozgó saru (végpont) felőli hídfőnél a híd ágyazathatároló lemezéhez képest

• a földművön lévő sínszál hosszirányú mozgását, valamint
• a síndilatációs készülék fősínjének a mozgását.

A pincehelyi hídon az alábbi hosszirányú mozgásokat határoztuk meg a híd mindkét végénél:
– a külső (túlemelt) sínszál mozgását a hídfőre szerelt ágyazathatároló lemezhez (fixponthoz) képest;
– a hídszerkezet ágyazathatároló lemezének mozgását a hídfőre szerelt ágyazathatároló lemezhez képest a külső sínszál külső oldalánál.
A műszerek elhelyezését a pincehelyi híd mozgó saru – végpont – felőli végénél az 5. ábra szemlélteti. A fix saru felőli végnél a műszereket hasonlóképpen helyeztük el.
A próbaterhelést Pincehelyen 2017. augusztus 29-én a 628-168 (M62) és a 459-021 (M61) pályaszámú mozdonyokkal végezték, Tolnanémedinél 2017. augusztus 30-án a 628-168 (M62) és a 459-022 (M61) pályaszámú mozdonyokkal hajtották végre. A mozdonyok összekapcsolva közlekedtek.

A mérési eredmények

Statikus terhelés

A tolnanémedi híd statikus terhelésekor a járművek a fix saru felől haladtak fel a hídra, majd tartózkodás után a mozgó saru irányába haladtak le. A mozgó saru felőli hídvégnél a híd ágyazathatároló lemezének és a sínnek a vízszintes hosszirányú elmozdulását a hídfőhöz rögzített ágyazathatároló lemezhez mint fixponthoz képest a 6. ábra mutatja. A híd ágyazathatároló lemeze a mozgó saru felőli hídfőnél 1,89 mm-t, a fix saru felőli hídfőnél 1,25 mm-t mozdult el hosszirányban. A sín hosszirányú elmozdulása a mozgó sarunál 2,03 mm, a fix sarunál 0,74 mm volt.

A pincehelyi híd statikus terhelésekor a mozdonyok Pincehely – a fix saru – felől haladtak fel a hídra, majd tartózkodás után szintén a fix saru irányába haladtak le. A 7. ábra a mozgó saru felőli hídvégnél feltünteti a híd ágyazathatároló lemezének és a sínnek a vízszintes hosszirányú elmozdulását a hídfőhöz rögzített ágyazathatároló lemezhez mint fixponthoz képest. A híd ágyazathatároló lemeze a mozgó saru felőli hídfőnél 0,92 mm-t, a fix saru felőli hídfőnél 0,54 mm-t mozdult el hosszirányban. A sín hosszirányú elmozdulása a mozgó sarunál 0,52 mm, a fix sarunál 0,58 mm volt. Pozitív elmozdulás esetén a sín és az ágyazathatároló a híd közepe felé mozdult.

Konstans sebességű áthaladás

A tolnanémedi hídon 40 km/h sebességű mozdonyáthaladás során mért elmozdulásokat a 8., 9. ábrák tüntetik fel. A mozgó saru felől a fix saru felé történő haladás – 1. táblázat szerinti 6. sz. futam – esetében a híd ágyazathatároló lemezének hosszirányú elmozdulása a mozgó saru­nál 1,65 mm, a fix sarunál 1,58 mm, a sín elmoz­dulása a mozgó sarunál 1,37 mm, a fix sarunál 0,90 mm volt.

Más konstans sebességgel történő mozdonyáthaladásoknál a mért el­moz­du­lás­diagramok hasonlóak, mint 40 km/h esetében. A tolnanémedi hídon mért eredményeket az 1. táblázat foglalja össze. V = 5 km/h sebességű – a mozgó saru felől a fix saru felé történő – mozdonyáthaladás során a mozgó sarunál a híd ágyazathatá­ro­ló lemeze 1,62 mm-t, a sín 1,30 mm-t, a fix sarunál az ágyazathatároló lemez 1,54 mm-t, a sín pedig 0,91 mm-t mozdult el hosszirányban. 80 km/h sebességnél a mozgó sarunál az ágyazathatároló 1,78 mm-t, a sín 1,60 mm-t, a fix sarunál az ágyazathatároló 1,60 mm-t, a sín pedig 1,13 mm-t mozdult el hosszirányban. 5 és 80 km/h között a sebesség gyakorlatilag nem befolyásolta az elmozdulások nagyságát.

A futamok iránya csupán kismértékben befolyásolja az ágyazathatároló lemez és a sín hosszirányú elmozdulását, az eltérés gyakorlati szempontból nem jelentős.

A pincehelyi hídon a mozgó saru felől a fix saru felé történő 40 km/h sebességű mozdonyáthaladás során mért elmozdulásokat a 10., 11. ábrák tüntetik fel. A híd ágyazathatároló lemezének hosszirányú elmozdulása a mozgó sarunál 1,50 mm, a fix sarunál 0,98 mm, a sín elmozdulása a mozgó sarunál 0,98 mm, a fix sarunál 0,23 mm volt. Az egyes futamoknál mért eredményeket a 2. táblázat foglalja össze.

A sín és az ágyazathatároló lemez elmozdulása szempontjából a 3. sz. futam volt a mértékadó, ahol a mozdonyok 5 km/h sebességgel haladtak a mozgó saru felől a fix saru irányába. A híd ágyazathatároló lemezének legnagyobb elmozdulása 1,66 mm volt, míg a síné 1,13 mm. A táblázat adatai alapján az is megállapítható, hogy amikor a mozdonyok a mozgó saru felől haladtak a hídra, kismértékben ugyan, de nagyobb elmozdulások alakultak ki, mint fordított irányú futamok esetén.

Fékezés a tolnanémedi hídon

A 12., 15. ábrák feltüntetik azokat az el­moz­dulásdiagramokat, amelyeket akkor mértünk, amikor a mozdonyok intenzív fékezéssel a hídon álltak meg. Ezek közül a 12., 13. ábrák azt mutatják, hogy a mozdonyok a fix saru felől haladtak fel a hídra, megálltak, majd a mozgó saru irányába haladtak le. A híd elmozdulása a fékezőerő irányába – tehát Dombóvár felé – következett be.

A mozdonyok 19 s relatív mérési időnél álltak meg, a mérési eredmények a következők:
– A híd ágyazathatároló lemezének elmozdulása a mozgó sarunál a megállás előtti pillanatban 3,34 mm, közvetlenül a megállás után 1,17 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,68 mm volt Dombóvár felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 3,34–1,17 = 2,17 mm volt. A mozgó saru irányába történő fékezés hatására a legnagyobb elmozdulás 3,34–1,68 = 1,66 mm-rel volt nagyobb, mint a statikus teher hatására bekövetkező elmozdulás.
– A híd ágyazathatároló lemezének elmozdulása a fix sarunál a megállás előtti pillanatban 2,34 mm, közvetlenül a megállás után 0,67 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,07 mm volt Dombóvár felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 2,34–0,67 = 1,67 mm volt. A fékezés hatására bekövetkező legnagyobb elmozdulás 2,34–1,07 = 1,27 mm-rel volt nagyobb, mint a statikus teher hatására bekövetkező elmozdulás.
– A sín elmozdulása a mozgó sarunál a megállás előtti pillanatban 3,64 mm, közvetlenül a megállás után 1,43 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,87 mm volt. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 3,64–1,43 = 2,21 mm volt. A fékezés hatására bekövetkező legnagyobb elmozdulás 3,64–1,87 = 1,77 mm-rel volt nagyobb, mint a statikus teher hatására bekövetkező elmozdulás.
– A sín elmozdulása a fix sarunál a meg­állás előtti pillanatban 2,66 mm, közvetlenül a megállás után 1,23 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,46 mm volt. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 2,66–1,23 = 1,43 mm volt. A fékezés hatására bekövetkező legnagyobb elmozdulás 2,66–1,46 = 1,20 mm-rel volt nagyobb, mint a statikus teher hatására bekövetkező elmozdulás.

A 14–15. ábrákon a mozdonyok a mozgó saru felől haladtak fel a hídra, megálltak, majd a fix saru irányába haladtak le. A mozdonyok 136 s relatív mérési időnél álltak meg, a mérési eredmények a következők:
– A híd ágyazathatároló lemezének elmozdulása a mozgó sarunál a megállás előtti pillanatban 0,43 mm, közvetlenül a megállás után 2,34 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,85 mm volt Dombóvár felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 2,34–0,43 = 1,91 mm volt. A fékezés hatására bekövetkező legnagyobb elmozdulás 2,34–1,85 = 0,49 mm-rel volt nagyobb, mint a statikus teher hatására bekövetkező elmozdulás.
– A híd ágyazathatároló lemezének elmozdulása a fix sarunál a megállás előtti pillanatban 0,19 mm, közvetlenül a megállás után 1,66 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,37 mm volt Dombóvár felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 1,66–0,19 = 1,47 mm volt. A fékezés hatására bekövetkező legnagyobb elmozdulás 1,66–1,37 = 0,29 mm-rel volt nagyobb, mint a statikus teher hatására bekövetkező elmozdulás.
– A sín elmozdulása a mozgó sarunál a megállás előtti pillanatban 0,01 mm, közvetlenül a megállás után 1,87 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,49 mm volt. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 1,87–0,01 = 1,86 mm volt. A fékezés hatására bekövetkező legnagyobb elmozdulás 1,87–1,49 = 0,38 mm-rel volt nagyobb, mint a statikus teher hatására bekövetkező elmozdulás.

– A sín elmozdulása a fix sarunál a megállás előtti pillanatban –0,55 mm, közvetlenül a megállás után 0,69 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 0,50 mm volt. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 0,69–(–0,55) = 1,24 mm volt. A fékezés hatására bekövetkező legnagyobb elmozdulás 0,69–0,50 = 0,19 mm-rel volt nagyobb, mint a statikus teher hatására bekövetkező elmozdulás.
A 12–15. ábrákból megfigyelhető, hogy a mozdonyok statikus terhének hatására a híd a mozgó saru – Dombóvár – felé mozdult el mintegy 1,1–1,8 mm-t. Amikor a fékezőerő a mozgó saru irányába hatott, akkor a fékezőerő hatására bekövetkező elmozdulásnövekmény jelentősen, mintegy 1,2–1,8 mm-rel növelte a statikus teher által előidézett hosszirányú elmozdulást (12., 13. ábra). Amikor a mozdonyok a fix saru – Budapest – felé fékeztek, akkor a hirtelen fékezőerő által létrehozott elmozdulásnövekmény csökkentette a statikus teher által keltett elmozdulást (14., 15. ábra). A megállás pillanatában kialakuló lengésből származó elmozdulás csak 0,2–0,5 mm-rel volt nagyobb, mint a statikus teherből származó elmozdulás.

Fékezés a pincehelyi hídon

A 16–19. ábrák feltüntetik azokat az el­mozdulásdiagramokat, amelyeket akkor mértünk, amikor a mozdonyok intenzív fékezéssel a hídon álltak meg. A 16., 17. ábrák azt mutatják, amikor a mozdonyok a fix saru felől haladtak fel a hídra, 65 s mérési időnél megálltak, majd menetirányváltással szintén a fix saru irányába haladtak le. A megállás pillanatát mutatja a 17. ábra. Itt a híd hosszirányú lengése 0,32–0,04 = 0,27 mm volt. A fékezés hatására a fix sarunál a híd ágyazathatároló lemeze 0,79 mm-t távolodott a hídfőhöz erősített ágyazathatároló lemeztől, a mozgó sarunál pedig 1,23 mm-t közeledett a hídfőhöz rögzített ágyazathatárolóhoz. A híd elmozdulása a fékezőerő irányába, tehát a mozgó saru, azaz Dombóvár felé következett be. A sín a mozgó sarunál 0,98 mm-t, a fix sarunál pedig 0,40 mm-t mozdult el a hídfőhöz erősített ágyazat­határolóhoz viszonyítva.

A 18., 19. ábrákon az látható, amikor a mozdonyok a mozgó saru felől haladtak fel a hídra, 20 s múlva megálltak, majd a fix saru irányába haladtak le. A megállás pillanatában a híd hosszirányú lengése 0,81–0,56 = 0,25 mm volt (19. ábra). A híd ágyazathatároló lemeze a fix sarunál 0,93 mm-t távolodott a hídfőhöz erősített ágyazathatároló lemeztől, a mozgó sarunál pedig 1,16 mm-t közeledett a hídfőhöz rögzített ágyazathatárolóhoz.

A sín a mozgó sarunál 0,90 mm-t, a fix sarunál pedig 0,15 mm-t mozdult el a hídfőhöz erősített ágyazathatárolóhoz viszonyítva. A híd és a sín elmozdulása a fékezőerő irányával ellentétesen – tehát Dombóvár felé – következett be. A 180-200 s mérési időnél a mozdonyok megmozdultak, majd fékezve újra megálltak.

Összefoglalás

A hidakon végzett vizsgálataink alapján az egyes futamtípusoknál kapott legnagyobb elmozdulásokat a 3. táblázat foglalja össze.
Eredményeinkből megállapítható, hogy a statikus terheléseknél és a fékezéseknél a tolnanémedi hídon – ahol síndilatációs készülékekkel meg van szakítva a vágány – markánsan nagyobb hosszirányú elmozdulások alakultak ki, mint a hézagnélküli felépítményű pincehelyi hídon (1., 2., 3. táblázat).
Konstans sebességű áthaladásoknál csak kismértékben adódtak nagyobb hosszirányú elmozdulások a tolnanémedi hídon, mint Pincehelynél. Meg kell jegyezni, hogy statikus terheléskor a mozdonyok ≈ 5 km/h sebességgel haladtak fel a hídra, majd enyhe fékezéssel megálltak.

A mozdonyok megállásakor a tol­na­né­me­di híd hosszirányú lengése 1,47… 2,34 mm-re adódott (12–15. ábra). A pincehelyi hídon mindössze 0,1…0,3 mm nagyságú hosszirányú lengések alakultak ki (16–19. ábra). Ebből arra lehet következtetni, hogy a hézagnélküli sínszálak nagymértékben továbbítják a fékezőerőt a hídfők mögötti földművön lévő pályaszakaszra. Ennek részletes modellezése jövőbeni kutatás tárgya lesz.
A bemutatottak alapján az MSZ EN 1991-2:2006 szabvány ágyazatátvezetéses hidak esetében elég nagy tartományon belül – 0–5 mm, illetve 0–30 mm között – ad meg hosszirányú mozgásokra vonatkozó határértékeket. Vizsgálatainkkal pontosítható ez a tartomány. Az eredmények a továbbiakban a pálya-híd kölcsönhatás modellezésénél használhatók fel.

Köszönetnyilvánítás

A fentiekben vizsgált hidak átépítése a „Hídrekonstrukciós program I. ütem” tárgyú projekt keretében történt. A fejlesztés az Innovációs és Technológiai Minisztérium megbízásból a NIF Nemzeti Infrastruktúra Fejlesztő Zrt. beruházásában, uniós és hazai forrás bevonásával valósult meg. Ezúton mondunk köszönetet Nagy Tamásnak, a NIF Nemzeti Infrastruktúra Fejlesztő Zrt. projektvezetőjének és Gyalog Andrásnak, az A-HÍD Építő Zrt. építésvezetőjének, akik lehetővé tették számunkra a mérések végrehajtását.