Hängebrücke für schwere Verkehrslasten. Bei grossen Brückenspannweiten mit ge ringen Verkehrslasten sind Hängebrücken in wirtschaftlicher und ästhetischer Beziehung allen andern Brückenarten gegenüber im Vorteil. Sobald die Spannweiten die Grösse von etwa 300 m überschreiten, zeigt. sich die echte Hängebrücke, bei der die Kabel in der Bodenscheibe verankert sind, den unechten Hängebrücken, bei denen die Kabelzüge durch den Versteifungsträger hindurch ge leitet und durch diesen ausgeglichen werden, überlegen.
Bei den echten Hängebrücken können durch Wahl eines geringen Eigengewichtes der Versteifungsträger die Biegungsmomente herabgemindert werden. Damit steigen aber die Durchbiegungen der Versteifungsträger rasch an.
Eine Grenze für die Herabminderung der Biegungsmomente ist, abgesehen von den Biegungsmomenten selbst, durch die Stabi lität des gesamten Tragwerkes gegeben. Bei schachbrettartiger Belastung der Mittel öffnung bleiben die Kabel spannungslos, und es ergeben sich in der Längsrichtung und in der Querrichtung unsymmetrische Form änderungen, denen nur die Biegesteifigkeit der Versteifungsträger Widerstand leistet. Ist diese Biegesteifigkeit zu gering, dann kann dies bei eintretenden Schwingungen zu einer Überschreitung der Stabilitätsgrenze und da mit zu einer Zerstörung der Brücke führen.
Bei den Hängebrücken mit Eisenbahn verkehr müssen die Versteifungsträger grosse Steifigkeit besitzen, da die zulässigen Durch biegungen sehr klein sind. Dazu kommen noch die Schwierigkeiten bei der Aufhängung der Versteifungsträger mittels der lotrechten Hängestangen. Liegt der Neigungswinkel des Kabels am Pylon in der Nähe des Reibungs wertes der Kabelschelle, so besteht bei dyna mischen Einwirkungen die Gefahr, dass die Kabelschellen gleiten.
Mit Hilfe von Hängebrücken können bei entsprechender Ausbildung grosse Spann weiten für schwere Verkehrslasten über brückt werden, wenn gemäss der Erfindung zur Verminderung der Biegungsmomente und der Durchbiegungen der Versteifungsträger diese nur im Bereich der beiden mittleren Viertel der Hauptöffnung mittels lotrechter Hänger an den Haupttragkabeln aufgehängt sind, während das Gewicht der Versteifungs träger in den beiden äussern Vierteln durch schräggestellte und unter Spannung stehende Kabel aufgenommen wird.
Damit fallen von vornherein die Schwie rigkeiten hinsichtlich des Gleitens der Kabel schellen fort. Die grössten Biegungsmomente ergeben sich bei annähernd halbseitiger Belastung, die man wieder in eine symme trische, durchgehende Belastung und in eine unsymmetrische Last zerlegen kann. Dem symmetrischen Lastanteil entsprechen ver hältnismässig kleine Biegungsmomente, weil diese durchgehende Last fast ausschliesslich durch die Kabel getragen wird.
Der un symmetrische Lastanteil erzeugt keinen Ka- belzug, und es muss infolgedessen bei einer normalen Hängebrücke diese Last von dem Versteifungsträger auf der halben Spann weite als Balken durchgetragen werden. Die Verminderung dieser Momente infolge der Durchbiegung ist wegen der geringen zu lässigen Durchbiegung und der dadurch hohen Eigenwerte nicht von wesentlicher Bedeutung.
In der Zeichnung sind einige Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes dar gestellt.
Fig. 1 zeigt das System einer Hängebrücke mit Belastungs- und Momentenlinien.
Fig. 2 stellt die Lagerung des Hauptkabels und eines Nebenkabels auf dem Pylon in grösserem Massstab dar.
Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungs beispiel einer Hängebrücke mit einer beson deren Ausbildung des Versteifungsträgers.
Fig. 4 und 5 zeigen ähnliche Konstruk tionen von Hängebrücken wie Fig. 3, jedoch mit Abwandlungen in der Ausbildung der Seitenöffnungen.
Fig. 6 stellt eine Hängebrücke mit einem unter der Fahrbahn angeordneten Bogen dar, und Fig. 7 zeigt eine Hängebrücke mit einem durchlaufenden, auf besonderen Kragarmen gelagerten Versteifungsträger und mit einer besonderen Art der Rückverankerung der Schrägkabel in den Fundamentblöcken.
In den Zeichnungen sind durchwegs für die einzelnen, im wesentlichen gleichblei benden Teile der Hängebrücke folgende Be zugszeichen verwendet 1 ist jeweils das Hauptkabel bzw. der in den Bodenscheiben verankerte Kabelzug.
2 sind die lotrechten Hängestangen, mit denen der Versteifungsträger 4 nur im Bereich der mittleren Viertel an das Hauptkabel 1 angehängt ist.
3 sind die Pylonen und 5 sind die Schrägkabel.
In Fig. 1 ist der Verlauf der Biegungs- momente unter Zugrundelegung unsymme trischer Belastung bei einer Hängebrücke dar gestellt. Um eine günstige Wirkung der Schrägseile 5 auf die Biegungsmomente und die Durchbiegungen bei unsymmetrischer Verkehrslast zu erreichen, sind den Schräg seilen die gesamten, in ihrem Bereich vor handenen Eigengewichtslasten zugewiesen, und sie dürfen in diesem Bereich nicht mit lotrechten Hängern kombiniert werden.
Des weitem ist es notwendig, die Verankerungs- stellen der Schrägseile 5 in den Seitenöffnun gen möglichst starr zu gestalten, damit die Biegungsmomente und die Durchbiegungen des Versteifungsträgers in der Hauptöffnung möglichst gering werden. Dies kann entweder durch direkte Verankerung im Fels oder durch Zwischenpfeiler in den Seitenöffnungen 4' (Fig. 1) oder durch ein grosses Trägheits moment des Versteifungsträgers in den Sei tenöffnungen erfolgen.
In Fig. 2 ist die Lagerung eines schrägen Nebenkabels 5 mittels eines zweifachen Pen dels 6 auf einem Pylon dargestellt. Nach Auf bringen der gesamten Eigengewichtslasten können diese Pendel oder Rollenlager mög- licherweise wieder dadurch ausgeschaltet werden, dass die Schübe der Schrägkabel mit Hilfe eines sich über die Haupt- und Neben öffnungen erstreckenden durchgehenden Ver steifungsträgers gegeneinander ausgeglichen werden.
Von wesentlicher Bedeutung für die Wir kung der Schrägseile 5 ist die Grösse ihrer Vorspannung durch die Lasten aus Eigen gewicht. Diese Vorspannung kann sowohl künstlich mit Hilfe hydraulischer Pressen als auch durch den Montagevorgang erzeugt werden. Infolge ihres Eigengewichtes haben die Schrägseile einen Durchhang, der sich bei einer zusätzlichen Verkehrsbelastung ver mindert. Damit ergibt sich eine erhöhte Seil dehnung, der ein ideeller Seilmodul entspricht.
Fig. 3 zeigt eine Hängebrücke, bei der nur der Versteifungsträger 7' der Mittelöffnung aus Stahl hergestellt ist, und bei der an den Pylonen 3 der Abstand des Zug- und Druck gurtes dadurch vergrössert ist, dass die Ge lenke 8 des Versteifungsträgers, mit denen letzterer gegen die Pylonen 3 abgestützt. ist, gegenüber der Fahrbahn tief angesetzt sind. Mit. Rücksicht. auf die Temperaturänderungen ist der mittlere Teil 7' des Versteifungsträgers 7 auf der Strecke a durch die lotrechten Hänger ? an dem Hauptkabel 1 angehängt und durch Gelenke 9 von den seitlichen Teilen abgetrennt. Die Last der seitlichen Teile des Versteifungsträgers wird durch die schrägen Kabel 5 getragen.
Demgemäss ergibt sich als Reaktion ein grosser Horizontalschub des Versteifungsträgers gegen die Pylonen 3.
Es ist zweckmässig, diesen Schub nicht den Pylonen zuzuweisen, sondern ihn durch geeignete Konstruktionen nach den Veranke- rungsblöcken weiterzuleiten und dort auszu gleichen. Das kann zum Beispiel gemäss Fig. 4 durch flach gespannte Gewölbe 10 erfolgen, deren Schub annähernd von gleicher Grösse ist. Der Ausgleich kann auch wie beim Aus führungsbeispiel nach Fig. 5 durch schräge Stahlbetonbalken 11 vorgenommen werden, die auf dem Boden aufruhen. Die Stahlbeton balken 11 müssen wegen ihrer elastischen und plastischen Formänderungen durch hydrau lische Pressen 12 vorgespannt werden.
Eine Ausführungsform einer Hängebrücke, die sehr geringe Durchbiegungen aufweist, ist in Fig. 6 dargestellt. Hier ist unter der Fahr bahn ein sehr flacher Bogen 13 mit einem Pfeilverhältnis (Verhältnis von Spannweite zur Pfeilhöhe) von etwa 15 bis 20 angeordnet.
Bei sehr weit gespannten Brücken ist der Bogen infolge seines grossen Krümmungs- radius vielfach nicht in der Lage sein Eigen gewicht zu tragen. Infolgedessen wird durch den Montagevorgang erzwungen, dass das gesamte oder annähernd das gesamte Eigen gewicht des als Versteifungsträger wirkenden Bogens von den Kabeln getragen wird. Der Bogen hat also nur die Aufgabe, die Biegungs- momente aus Verkehr und einen Teil der Verkehrslast zu übernehmen, während der restliche, im allgemeinen etwas grössere Teil der Verkehrslast von den Kabeln übernom men wird. Damit gehen die Kabeldehnungen und damit auch die Durchbiegungen aus Verkehr auf über die Hälfte zurück.
Da diese starke Verringerung der Durchbiegungen nicht voll benötigt wird, kann gegenüber der an früherer Stelle behandelten Ausführungs formen der Kabelquerschnitt reduziert wer den.
Durch die. Verkehrslasten werden in den Gewölben wesentlich grössere Druckspannun gen als Zugspannungen ausgelöst. Um einen Ausgleich dieser Spannungen herbeizuführen, empfiehlt es sich, das Gewölbe in den Sommer monaten zu schliessen. Als Folge davon er geben sich für die Temperaturwirkung höhere Zug- als Druckspannungen.
Bei gleicher Steifigkeit von Bogen und Kabel wird die Durchbiegung infolge einer beliebigen Temperaturänderung gleich Null, weil Bogen und Kabel Bewegungen von um gekehrten Vorzeichen durchführen wollen. Bei einer sachgemässen Form des Bogens und der Querschnittsverteilung treten fast keine Momente, sondern nur Dehnungsspannungen auf. Die zur Verfügung stehenden Spannun gen von Bogen und Kabel werden dadurch vermindert; dafür hat das System den grossen Vorteil, überhaupt keine, fast keine oder nur sehr geringe Durchbiegungen infolge Tempe raturänderungen zu besitzen.
Die von den Stahlbogen auf die Pylonen ausgeübten Schübe können wieder entsprechend den Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 5 ausgeglichen werden.
Eine weitere Verminderung der Biegungs- momente und der Durchbiegungen des Ver steifungsträgers der Hängebrücke, bei der die Versteifungsträger der Mittelöffnung Schübe auf die Pylonen ausüben, lässt sich bei einseitiger Verkehrslast noch dadurch erreichen, dass man nach Aufbringung aller Eigengewichtslasten die in den Pylonen ange ordneten Pendel der Schrägseile durch eine nachträgliche Verkeilung oder Verschraubung für die Wirkung der Verkehrslasten ausschal tet.
Damit widersetzen sich nun auch die Hauptkabel einer Durchbiegung des Ver steifungsträgers bei unsymmetrischer Bela stung, und die Biegungsmomente und die Durchbiegungen des Versteifungsträgers ge hen stark zurück. Die Kräfte der Hauptkabel in der Mittelöffnung werden dadurch nicht berührt, und die Kräfte des Hauptkabels der Seitenöffnungen werden in der einen grösser und in der andern kleiner.
Durch diese nachträglich starre Verbin dung der Nebenkabel mit den Pylonen er geben sich für diese Pylonen zusätzliche Biegungsmomente, wenn die Lager der ein zelnen Kabel verschieden hoch liegen. Jedoch sind diese im Verhältnis zur Herabminderung der Biegungsmomente im Versteifungsträger gering und können sich ganz beseitigen lassen, wenn alle Kabel in der gleichen Höhenlage angeordnet werden.
Ausserdem können im allgemeinen die Stahlspannungen der Pylonen aus Stabili tätsgründen nicht voll ausgenützt werden, so dass die Spannungen aus diesen zusätz lichen Biegungsmomenten meistens ohne Verstärkung aufgenommen werden können.
Die nachträgliche Ausschaltung der Pen del oder Rollenlager der Schrägseile zwecks Verminderung der Biegungsmomente und der Durchbiegungen der Hauptöffnung bei einer unsymmetrischen Belastung lässt sich bei Hängebrücken mit durchlaufenden Ver steifungsträgern nicht ohne weiteres durch führen, weil die Schübe der Schrägkabel, die in den durchlaufenden Versteifungsträger eingeleitet werden, für jedes einzelne Schräg kabel im Gleichgewicht sein müssen, so dass eine Koppelung der Schrägkabel mit dem Hauptkabel durch Ausschaltung der er wähnten Pendel nicht möglich ist.
Aber auch bei diesen durchlaufenden Ver steifungsträgern kann der Vorteil einer noch weitergehenden Herabminderung der Bie- gungsmomente und der Durchbiegungen des Versteifungsträgers infolge Verkehr erreicht werden, wenn entsprechend der Ausführungs form nach Fig. 7 von den Pylonen 3 aus mit tels der Schrägkabel 5 Kragarme 14 vorge baut sind, und auf diesen Kragarmen der durchlaufende Versteifungsträger 4 zum Bei spiel in den Punkten 15 und 16 elastisch auf liegt,
während er in der Feldmitte auf der Strecke e mittels der Hänger 2 elastisch an den Hauptkabeln. aufgehängt ist. Es entsteht damit ein durchlaufender Träger, der an den beiderseitigen Enden auf den Verankerungsblöcken 17 und an den Pylonen 3 starr und an den Punkten 15 und 16, sowie an den lotrechten Hängern 2 ela stisch gelagert ist.
Die Schrägkabel 5 werden während der Montage bis nach dem Aufbringen sämtlicher Eigengewichtslasten in den Pylonen 3 mit tels Pendeln oder Rollenlagern längsver- schieblich gelagert. Alsdann werden zur Ver minderung der Biegungsmomente und der Durchbiegungen bei unsymmetrischer Be lastung der Hauptöffnung diese Pendel aus geschaltet und damit werden die Schrägkabel mit dem Hauptkabel gekoppelt.
Das ist bei dieser Konstruktion ohne weiteres möglich, weil der Schub der Schrägkabel nicht in den Versteifungsträger, sondern mit Hilfe der Kragarme 14 in die Pylonenpfeiler 18 einge leitet wird. Diese Schübe können zur Ent lastung der Pylonen-Fundamente durch die vorgespannten, in der Böschung liegenden Balken 11' nach den Verankerungsblöcken weitergeleitet werden.
Der Versteifungsträger kann aber auch auf die Mittelöffnung allein beschränkt wer den, und der Schub der Kragarme kann von den Pylonen aus durch flache Gewölbe nach den Verankerungsblöcken 17 weitergeleitet und dort ausgeglichen werden.
Wie schon erwähnt, wird die Dehnungs- steifigkeit der Schrägkabel bei Verkehrslast durch die dabei eintretende Verringerung des Durchhanges erheblich herabgemindert. Diese Herabminderung ist um so grösser, je grösser die Spannweite der Kabel und je geringer ihre Vorspannung durch Eigengewicht ist. In den Seitenöffnungen kann diese Vermin derung des Durchhanges in sehr einfacher Weise durch eine Rückverankerung der Schrägkabel 5 in den Fundamentblöcken 17 erreicht werden.
Diese konstruktive Mass nahme ist in der Seitenöffnung der Fig. 7 dargestellt. Sie erfolgt durch ein lotrechtes Seil 19, das auch in der Normalen zu den Schrägkabeln angeordnet werden könnte. Damit werden die Durchbiegungen und die Momente des Versteifungsträgers weiter her abgemindert.
Grundlegend für den Bau der einzelnen Hängebrückensysteme ist, dass die Montage der Brücke ohne Gerüste durch vorläufiges Anhängen sämtlicher Lasten an das Haupt kabel erfolgt. Mit dem Fortschreiten der Montage werden dann die Lasten der Ver steifungsträger in den äussern Vierteln der Hauptöffnung im Bereich der Schrägkabel auf diese umgelagert, wobei die Schrägkabel entweder künstlich durch hydraulische Pres sen oder durch eine überhöhte Montage der Kragträger so in Vorspannung gesetzt wer den, dass sie in dem ihnen zufallenden Bereich die gesamten Eigengewichtslasten der Brücke tragen.
Wie schon erwähnt, wurden schon bei den zuerst gebauten Hängebrücken Schräg kabel benutzt. Diese Systeme wurden aber wieder fallen gelassen, weil man keine hin reichend günstigen Wirkungen dieser Schräg kabel erzielen konnte. Man hat jedenfalls nicht. erkannt, dass bei einer zweckmässigen Anordnung von schrägen Kabeln Hänge brücken für Eisenbahnen mit grossen Spann weiten und hoher Steifigkeit und Stabilität hergestellt werden können, und dass die Bau kosten gerade bei grossen Spannweiten gerin ger werden als bei Fachwerkbrücken. Es lassen sich für Eisenbahn-Hängebrücken nach den obigen Systemen ohne weiteres Spannweiten von 1000 bis 2000 m erreichen.
Des weiteren muss die Anzahl der Schräg kabel an jedem Pylon auf 2 bis 3 beschränkt werden, weil andernfalls die Berechnung dieser hochgradig statisch unbestimmten Tragwerke, insbesondere bei Berücksichti gung der Verformungen nicht mehr mit hin reichender Genauigkeit durchzuführen ist.
Die obigen Hängebrückensysteine sind insbesondere für schwere Eisenbahnbrücken geeignet, die man bei grossen Spannweiten zweckmässig mit Strassenbrücken kombiniert, weil die durch die zusätzlichen Fahrbahnen erwachsenden Mehrkosten verhältnismässig gering sind. Bei sehr grossen Spannweiten sind die obigen Systeme der Hängebrücken aber auch für Strassenbrücken den üblichen Hängebrückensysteme überlegen, weil sie eine viel grössere Stabilität besitzen, vor allem bei Berücksichtigung der Windkräfte, deren Übertragung nach den Fundamenten bei grossen Spannweiten wesentliche Schwierig keiten bereitet.