DE10127987A1 - Balkenförmige Stahl-Beton-Verbundkonstruktion, insbesondere Verbundbrücke - Google Patents

Abstract

Eine balkenförmige Stahl-Beton-Verbundkonstruktion, insbesondere eine Verbundbrücke (1), besteht aus mindestens einem Längsträger (2) aus Stahl und einer Fahrbahnplatte (3) sowie im Auflagerbereich (A) gegebenenfalls Auflagerquerträger (11) aus Stahl- oder Spannbeton. Der mindestens eine Längsträger (2) ist als Hohlkasten mit einem Bodenblech (2a), zwei Seitenwänden (2b) und einem Deckblech (2c) ausgebildet. Die feldseitig an die Auflagerbereiche (A) anschließenden Bereiche (K) des Längsträgers (2) stellen Kämpfer aus Stahlbeton dar, welche die Bildung von von der Fahrbahnplatte (3) zu den Lagern (9) hin gerichteten Druckkräften ermöglichen. Zu diesem Zweck kann das Deckblech (2c) des Hohlkastens (2) in den Kämpferbereichen (K) gegen das Deckblech (9) hin schräg zum Bodenblech (2a) verlaufen. Der Stahlbeton übernimmt so als räumliche Druckstrebe den wesentlichen Teil der Schubkraft am Auflager, wodurch das Druckaufnahmevermögen des Betons bei gleichzeitiger Minimierung von Material und Arbeitsaufwand für die Stahlkonstruktion vorteilhaft genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine balkenförmige Stahl-Beton-Verbundkonstruktion, insbesondere eine Verbundbrücke, mit mindestens einem Längsträger aus Stahl und einer Fahrbahnplatte sowie gegebenenfalls Auflagerquerträgern aus Stahl- oder Spannbeton.

Beim Neubau, Ausbau und bei der Verbreiterung zweibahniger Bundesfernstraßen müssen zahlreiche kreuzende Straßen, Wege und Gewässer überführt werden. Zudem müssen oft bei älteren Brückenbauwerken im Rahmen von Sanierungs- und Instandsetzungsarbeiten die Überbauten durch neue ersetzt werden. Bei Spannweiten zwischen 20 und 40 m werden hierzu vorgespannte Plattenbalkenbrücken als Überbautragwerke bevorzugt. Zu ihrer Herstellung sind in der Regel Lehrgerüste erforderlich.

Daneben wird auch die Verbundbauweise mit Stahlträgern als Längstragglieder und einer Stahlbetonplatte als Fahrbahntafel und zugleich Quertragglied angewandt. Bei der Verbundbauweise werden die Baustoffe Stahl und Beton entsprechend ihren Eigenschaften gezielt eingesetzt; die kraftschlüssige Verbindung zwischen beiden Werkstoffen wird in der Regel durch besondere Verbundmittel, hauptsächlich auf die Stahlteile aufgeschweißte Kopfbolzendübel, herbeigeführt.

Wenn die Stahllängsträger so ausgebildet sind, dass sie im Bauzustand, also noch ohne Verbundwirkung, das Fahrbahngewicht tragen können, gewährt die Verbundbauweise auch den Vorteil, dass auf ein Lehrgerüst verzichtet werden kann. Die Fahrbahntafel wird in diesem Fall mittels eines Schalwagens oder mittels an den Stahlträgern befestigter Schalungen betoniert. Bei der Verbundbauweise werden im wesentlichen der Biegezug im Feldbereich, der Biegedruck im Stützenbereich und der Schub den Stahlträgern zugewiesen; diese sind daher in ihrer Dimensionierung den unterschiedlichen Beanspruchungen anzupassen.

Als Stahllängsträger werden gewalzte oder geschweißte I-Träger, bei Großbrücken auch Fachwerkträger, oder Hohlkästen eingesetzt. Werden Querträger über den Endauflagern oder gegebenenfalls an einer Mittelstütze angeordnet, dann schließen in der Regel die Stahlträger über Kopfplatten an den Seitenwänden der Querträger an; die Einleitung der Querkräfte erfolgt bei Querträgern aus Stahl durch Schraubverbindungen. Daneben sind auch schon Querträger aus Stahlbeton bekannt; bei diesen erfolgt die Einleitung der Querkräfte über Kopfbolzendübel, die - je nach Variante - entweder an den Kopfplatten oder an den Stahlträgerstegen angeschweißt sind.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten zu finden, um die bei der Verbundbauweise angestrebte Ausnutzung der Werkstoffe entsprechend ihren Festigkeiten noch zu steigern und so zu einer noch wirtschaftlicheren Bauweise zu kommen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, bei Verbundkonstruktionen, insbesondere Verbundbrücken, bei denen der bzw. die Längsträger als Stahlhohlkasten ausgebildet sind, den im Feldbereich nur die Fahrbahnplatte bildenden Stahlbeton schon vor dem Stützbereich, also bereits vor etwaigen Auflager- oder Stützenquerträgern, bis zu den Lagern herunterzuführen. Der Stahlbeton übernimmt dann dort als räumliche Druckstrebe den wesentlichen Teil der Schubkraft, über einer etwaigen Mittelstütze auch die Druckkraft des Untergurtes. Damit wird das Druckaufnahmevermögen des Betons vorteilhaft genutzt bei gleichzeitiger Minimierung von Material und Arbeitsaufwand für die Stahlkonstruktion.

Bei Durchlaufträgern besteht noch der Vorteil, einen Teil der Durchlaufwirkung schon im Bauzustand herzustellen, nämlich dadurch, dass der Teil der Bewehrung im Stützenbereich schon vorweg eingebaut und mit der Stahlkonstruktion verbunden wird.

Da auf diese Weise der Kraftschluss zwischen zwei beispielsweise über einer Mittelstütze zusammenstoßenden Stahlträgern über die erfindungsgemäße Kämpferausbildung erzielt wird, entfallen auf der Baustelle aufwendige Schweißarbeiten, weil für die Stahlträger keine kraftschlüssige Verbindung hergestellt zu werden braucht. Insbesondere bei Mehrfeldbrücken wird dadurch erreicht, dass die vorgefertigten Stahlhohlkästen ohne Stahlbautätigkeit auf der Baustelle nur auf den Lagern abgelegt zu werden brauchen und dass nach Abdichtung der Stoßfuge und den Schalungs- und Bewehrungsarbeiten direkt betoniert werden kann. Auf der Baustele ist somit nur noch das Gewerk "Stahlbeton" tätig; das Gewerk "Stahlbau" kann vollständig in der Werkstatt ausgeführt werden und wird dadurch zur reinen Materiallieferung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine zweifeldrige Verbundbrücke nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Verbundträger im Bereich eines Endauflagers,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Verbundträger über der Mittelstütze,

Fig. 5 die Draufsicht auf die Darstellung der Fig. 4 vor dem Betonieren und

Fig. 6 einen Querschnitt im Kämpferbereich sowie die

Fig. 7 bis 10 zwei weitere Ausführungsformen der Bewehrungsführung im Stützenbereich jeweils im Längs- und Querschnitt.

In den Fig. 1 und 2 ist die Erfindung an einer zweifeldrigen Verbundbrückenkonstruktion gezeigt. Der Längsschnitt gemäß Fig. 1 lässt einen Brückenüberbau 1 erkennen, der aus Stahllängsträgern 2 und einer Betonfahrbahnplatte 3 besteht. Der Überbau 1 erstreckt sich zwischen zwei Widerlagern 4 und einer Mittelstütze 5, die in an sich bekannter Weise ausgebildet sein können. In Fig. 1 ist im Brückenfeld zwischen Widerlager 4 und Mittelstütze 5 eine Hilfsstütze 6 angedeutet, die lediglich für den Bauzustand dient und weiter unten noch beschrieben werden wird.

Wie der Querschnitt durch die Brückenkonstruktion entlang der Linie II-II gemäß Fig. 2 zeigt, umfasst der Brückenüberbau 1 zwei Stahllängsträger 2, die jeweils als Hohlkasten aus einem Bodenblech 2a, zwei Seitenwänden 2b und einem Deckblech 2c bestehen. Die Betonfahrbahnplatte 3 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Stahlbeton-Fertigteilplatten, und zwar zwei äußeren Fertigteilplatten 3a und einer inneren Fertigteilplatte 3b sowie der Ortbetonergänzung 3c. Die Fertigteilplatten 3a und 3b dienen als Schalung für den Ortbeton und beteiligen sich im Endzustand an der Tragwirkung. Die Betonfahrbahnplatte 3 wird ergänzt durch einen Fahrbahnbelag 7 sowie Gehwegkappen 8.

Der Brückenüberbau 1 liegt an den Widerlagern 4 und an der Mittelstütze 5 auf zentralen Lagern 9 auf; die in Fig. 2 dargestellten Hilfslager 10 dienen nur dem Bauzustand.

Die den Kern der Erfindung ausmachende Kämpferausbildung der Betonkonstruktion kann anhand der Fig. 3 bis 5 erläutert werden. Die Fig. 3 und 4 zeigen Längsschnitte durch diese Kämpferausbildung, und zwar Fig. 3 im Bereich eines Endauflagers, z. B. am Widerlager 4, und Fig. 4 im Bereich der Mittelstütze 5.

Wie schon in Fig. 2 angedeutet ist und Fig. 3 erkennen lässt, umfasst der Brückenüberbau 1 im Bereich eines Endauflagers mit der Auflagerlinie A einen Querträger 11 aus Stahlbeton. Erfindungsgemäß ist ein Bereich K feldseits vor dem Querträger als Kämpferbereich ausgebildet. Dies ist im dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass das Deckblech 2c des Hohlkastens 2 schräg (2d) zum Auflagerbereich hin zum Bodenblech 2a heruntergezogen ist. Die Seitenwände 2b laufen gewissermaßen als Schalung für den Kämpferbereich K durch bis zum Querträger 11, das Bodenblech 2a läuft durch bis über das Lager 9. Damit erstreckt sich die Betonkonstruktion von der Ortbetonplatte 3 über diesen Kämpferbereich K bis zu dem Querträger 11.

Zugleich ist der Hohlkasten 2 an dem Knickpunkt 12 durch ein vertikales Stahlblech 2e als Schott ausgesteift, das über das Deckblech 2c hinaus in die Fahrbahnplatte 3 hineinreicht und dort beidseits mit Kopfbolzendübeln 13 besetzt ist. Zusätzlich sind in diesem Bereich der Druckkraftumlenkung zusätzliche Längsbewehrungsstäbe 14 angeordnet; die Schubkräfte werden durch vertikale Bügel 15 aufgenommen. Die übrige Bewehrung der Fahrbahnplatte und des Querträgers sowie die Spaltzugbewehrung sind nicht dargestellt. Schließlich sind die beiden Seitenwände 2b des Hohlkastens 2 in diesem Bereich durch Winkelstäbe 16 ausgesteift (Fig. 6); zur Erhöhung der Verbundwirkung sind Kopfbolzendübel 17 angeordnet.

Durch diese Kämpferausbildung im Bereich K, die nicht unbedingt die Schrägführung 2d des Deckblechs 2c voraussetzt, wird eine räumliche Wirkung des Tragsystems erzielt, wodurch in diesen Bereichen diagonal gerichtete Druckkräfte auftreten, deren horizontale Komponente durch zusätzliche Mittel zur Druckabstützung aufgenommen werden, beispielsweise vom Bodenblech 2a winkelförmig aufragende Widerlager 18. Diese können aus Winkelstücken aus Stahl bestehen, die auf das Bodenblech 2a aufgeschweißt sind.

Eine im Prinzip gleiche Ausbildung erfährt der Auflagerbereich über der Mittelstütze 5, der in Fig. 4 im Längsschnitt dargestellt ist. Hier sind zu beiden Seiten der Auflagerlinie L Kämpferbereiche K der vorbeschriebenen Art angeordnet. Die Ausbildung eines Querträgers ist über der Mittelstütze 5 nicht erforderlich, wenn auch nicht ausgeschlossen, so dass die Seitenwände 2b und das Bodenblech 2a der Hohlkästen 2 bis zur Auflagerlinie L durchlaufen können. Durch die erfindungsgemäße Kämpferausbildung werden alle Kräfte aus den Längsträgern 2 in die Kämpferbereiche übertragen, so dass die Längsträger 2 im eigentlichen Stützbereich spannungslos sind.

Dies schafft die Voraussetzung für eine Vereinfachung des Bauablaufs durch die Anordnung zusätzlicher Lagerkörper 10 zu beiden Seiten der zentralen Lager 9. Diese Situation zeigt Fig. 5, die den Montagestoß zweier Längsträger 2 über der Mittelstütze erkennen lässt. Bei dem in Fig. 5 rechts dargestellten Hohlkasten 2 läuft das Bodenblech 2a mit einem zentralen Teil 19 bis über das Lager 9 durch, während der in der Darstellung linke Hohlkasten 2' in diesem Bereich eine Ausklinkung 20 aufweist. Beide Träger 2 und 2' liegen im Bauzustand auf den beiden äußeren Lagerkörpern 10 auf, die nach Fertigstellung des Überbaus entfernt werden. Eine kraftschlüssige Verbindung ist zwischen den Hohlkastenträgern 2 und 2' nicht erforderlich; sie wird durch die Stahlbetonkonstruktion bewirkt. Lediglich die Stoßfuge zwischen den beiden Trägern 2 und 2' wird durch ein Fugenblech 21 abgedeckt.

Einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verbundträger im Auflagerbereich zeigt Fig. 6. Hier sind sowohl das über das Deckblech 2c hinausragende Schott 2e zu erkennen, als auch die Streben 16 und die auf die Seitenwände 2b aufgeschweißten Kopfbolzendübel 17. Des gleichen sind im Bereich der Fahrbahnplatte 3 die Kopfbolzendübel 13 zu erkennen, wie auch die durch das Schott 2e hindurchgeführten Längsbewehrungsstäbe 14 und die Bügel 15. Auch hier ist auf die Darstellung der Platten- und Spaltzugbewehrung verzichtet.

Anhand Fig. 6 kann auch eine Möglichkeit zur Herstellung der Brücke erläutert werden. Die Hohlkastenträger 2 sind seitlich am Übergang der Seitenwände 2b zum Deckblech 2c mit seitlichen Ansätzen 22, 23 versehen, auf welche die Fertigteilplatten 3a bzw. 3b aufgelegt werden können. Der Einsatz industriell vorgefertigter Großflächenplattenelemente und die fertigungs- und montagegerechte Durchbildung der Stahlkonstruktion, die dank der erfindungsgemäß ausgebildeten Kämpferbereiche keine Verbindung der Stahlträger im Stützenbereich erfordert, ermöglicht in Verbindung mit den zugleich Schalungs- und Tragfunktion erfüllenden Großflächenplattenelementen eine kurze Bauzeit (eine Zwischenunterstützung 6 je Feld kann hilfreich sein), eine Minimierung des Schalungsaufwandes und damit eine Minimierung lohnintensiver Tätigkeiten auf der Baustelle, d. h. niedrige Herstellungskosten. Die kurze Bauzeit bringt zugleich den Vorteil einer geringen Verkehrsbeeinträchtigung.

Anhand der Fig. 7 bis 10 können noch zwei Varianten einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erläutert werden. Dabei stellen die Fig. 7 und 9 jeweils schematische Längsschnitte einer Verbundkonstruktion über einer Mittelstütze und die Fig. 8 und 10 jeweils Querschnitte hierzu dar.

Vorteilhafterweise werden bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Verbundkonstruktion die Kämpferbereiche unmittelbar nach dem Verlegen der Hohlkastenträger aus Stahl bewehrt und bis etwa auf die Höhe der Oberkante des Deckbleches der Hohlkästen auch betoniert, bevor die Schalungs-, Bewehrungs- und Betonarbeiten in den Feldbereichen der Brücke beginnen. Dabei besteht die Möglichkeit, dort, wo eine Durchlaufwirkung erzielt werden soll, also oberhalb einer Mittelstütze, Zugglieder 24, insbesondere in Form von Bewehrungsstäben in Längsrichtung des Tragwerks oberhalb des vorweg betonierten Kämpferbereichs 25 zu verlegen und diese kraftschlüssig mit den vertikalen Schottblechen 2e zu verbinden. Diese Verbindung kann in der Weise erfolgen, dass die Zugglieder 24 in kammartige Ausnehmungen 26 in den Schottblechen 2e eingelegt und an ihren Enden mittels gängiger Verankerungsmittel 27, zum Beispiel Muttern, gegenüber den Endschotten 2e festgelegt werden. Die Zugglieder 24 sind zweckmäßig ein Teil der ohnehin erforderlichen Bewehrung des Tragwerks, die an dieser Stelle in der nachzubetonierenden Fahrbahnplatte liegt.

Die Längsbewehrungsstäbe 24, für die zweckmäßigerweise Gewindestäbe verwendet werden, decken die Zugkräfte des Stützmomentes ab, das sich aus den nachfolgenden Montagelasten, also aus den Schalungselementen, aus Bewehrung und Frischbeton der Brückenfahrbahnplatte infolge der sich einstellenden Durchlaufwirkung der Brückenträger aufbaut.

Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass bereits in einem frühzeitigen Bauzustand eine Durchlaufwirkung der Brückenhauptträger hergestellt wird, und zwar allein mit den Mitteln des Stahlbetonbaus ohne Inanspruchnahme stahlbaulicher Mittel. Die erfindungsgemäß aus der Trennung der Gewerke Stahlbetonbau und Stahlbau resultierenden Vorteile sind weiter oben schon beschrieben worden. Die durch diese Ausführung sich einstellende Durchlaufwirkung verteilt die für die Bemessung maßgeblichen Biegemomente in den Brückenhauptträgern gleichmäßiger über die Brückenlänge als bei Einfeldträgern und wirkt dadurch materialsparend. Außerdem kann gegebenenfalls auf die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Zwischenunterstützung verzichtet werden.

Während die Fig. 7 und 8 im Längs- und Querschnitt die Anordnung der Längsstäbe 24 oberhalb des Kämpferbetons 25 beschreiben, wobei diese Längsstäbe an den Enden durch Verankerungsmittel 27 allein gegenüber den Schottblechen 2e verankert sind, die hierzu gegebenenfalls durch Rippen oder dergleichen verstärkt werden können, zeigen die Fig. 9 und 10 ebenfalls im Längs- und Querschnitt eines Stützenbereichs die Anordnung von Längsstäben 24a innerhalb des Kämpferbetons 25a. Die Längsstäbe 24a sind hier durch Verankerungsmittel 27a gegenüber den Schottblechen 2e fixiert. Diese Ausführung hat den Vorteil der Einbettung der Längsstäbe 24a in den Kämpferbeton 25a und damit der Abstützung der über die Schottbleche 2e eingetragenen Zugkräfte gegen den Beton, hat allerdings den Nachteil einer geringfügigen Verringerung des Hebelarms der inneren Kräfte infolge der tieferen Lage der Längsstäbe 24a.

Die im Zusammenhang mit den Fig. 3 bis 6 beschriebenen sonstigen Einbauteile wie Kopfbolzen, Dübel, weitere Bewehrung, Winkelstäbe usw. sind in den Fig. 7 bis 10 der Übersichtlichkeit der Darstellung halber weggelassen worden.

Claims (14)

1. Balkenförmige Stahl-Beton-Verbundkonstruktion, insbesondere Verbundbrücke, mit mindestens einem Längsträger aus Stahl und einer Fahrbahnplatte sowie im Auflagerbereich gegebenenfalls Auflagerquerträgern aus Stahl- oder Spannbeton, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Längsträger (2) als Hohlkasten mit einem Bodenblech (2a), zwei Seitenwänden (2b) und einem Deckblech (2c) ausgebildet ist und dass die feldseitig an die Auflagerbereiche anschließenden Bereiche (K) des mindestens einen Längsträgers (2) als Kämpfer aus Stahlbeton ausgebildet sind, welche die Bildung von von der Fahrbahnplatte (3) zu den Lagern (9) hin gerichteten Druckkräften ermöglichen.

2. Verbundkonstruktion gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckblech (2c) des Hohlkastens (2) in den als Kämpfer ausgebildeten Bereichen (K) gegen das Auflager hin schräg zum Bodenblech (2a) verläuft und dort mit diesem verbunden ist.

3. Verbundkonstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (2b) des Hohlkastens (2) sich bis zum Auflagerbereich hin erstrecken.

4. Verbundkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Kämpferansatz ein den Hohlkasten (2) aussteifendes vertikal verlaufendes Blech (2e) angeordnet ist.

5. Verbundkonstruktion nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech (2e) nach oben über das Deckblech (2c) des Hohlkastens (2) in die Betonplatte (3) hinausragt.

6. Verbundkonstruktion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der in die Betonplatte (3) hineinragende Teil des Blechs (2e) beidseits mit den Verbund verstärkenden Mitteln, z. B. Kopfbolzendübeln (13), versehen ist.

7. Verbundkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (2b) des Hohlkastens (2) in den als Kämpfer ausgebildeten Bereichen (K) mit den Verbund verstärkenden Mitteln, z. B. Kopfbolzendübeln (17), versehen sind.

8. Verbundkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (2b) des Hohlkastens (2) in den als Kämpfer ausgebildeten Bereichen (K) durch Querstreben (16) ausgesteift sind.

9. Verbundkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Endauflagerbereich das Bodenblech (2a) des Hohlkastens (2) über das Auflager durchläuft und dort mit Mitteln zur Aufnahme der schräg gerichteten Druckkräfte aus dem Kämpferbereich (K) versehen ist.

10. Verbundkonstruktion nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Bodenblech (2a) winkelförmig aufragende Widerlager (18) angeordnet sind.

11. Verbundkonstruktion nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Stützenbereich in der Zugzone in Längsrichtung des Tragwerks verlaufende Bewehrungselemente (24, 24a) vorgesehen sind, die kraftschlüssig mit den vertikal verlaufenden Blechen (2e) verbunden sind.

12. Verbundkonstruktion nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrungselemente (24, 24a) einen Teil der zur Aufnahme der negativen Biegemomente bestimmten Bewehrungselemente darstellen.

13. Verbundkonstruktion nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrungselemente (24) in den Bereichen der vertikalen Bleche (2e) angeordnet sind, die über das Deckblech (2c) des Hohlkastens (2) hinausragen.

14. Verbundkonstruktion nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrungselemente (24a) in die Kämpferelemente (25a) aus Stahlbeton eingebettet sind.