NO319800B1 - Brokonstruksjon omfattende en seriell kombinasjon av en skråstagbro og en hengebro - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører broer for spennvidder over ca 1000 m, og den vil være et alternativ til konvensjonelle hengebroer.

Fram til i dag har hengebroer vært enerådende for spennvidder over 1000 m, og det har på verdensbasis blitt bygget en rekke slike broer med spennvidder i området 1000-2000 m. En typisk hengebro består av en sentral brobjelke opphengt i to parallelle bærekabler med vertikale hengestenger mellom brobjelke og bærekabler. Bærekablene er understøttet av et tårn i hver ende av brospennet, og ført videre til en forankring i fjell eller et betongfundament. Et tårn er normalt utformet med H- eller A-form, med ett tårnbein på hver side av den sentrale brobjelken og med tverrbjelker mellom tårnbeina både under og over brobjelken.

For brospenn over 1000 m vil vindlast bli en dominerende belastning, og det er av-gjørende å benytte et konstruksjonskonsept som gjør brobjelken i stand til å mot-stå vindkrefter samt å gjøre den aerodynamisk stabil for de største opptredende vindhastigheter. Dette kan bli avgjørende for materialmengde og kostnader.

For lange brospenn blir konstruksjonens egenvekt en mer og mer dominerende belastning i forhold til nyttelast (trafikk) samtidig med at vindklimaet også vil være avgjørende for konstruksjonens dynamiske oppførsel og aerodynamiske utforming. Med økende spennvidder vil tradisjonelle hengebrokonstruksjoner etter hvert få en egenvekt og masse som vil umuliggjøre en økonomisk realisering av pro-sjektene. Til orientering er lastfordelingen mellom brobjelke, bærekabler og trafikk-last for en vegbro med 2 kjørefelt ca. 60/20/20% for et 1000 m spenn og ca. 55/35/10% foret 2000 m spenn. Den totale egentasten som skal bæres har samtidig økt fra ca. 12 tonn pr. m brobjelke til ca. 16 tonn pr. m brobjelke.

Både nasjonalt og internasjonalt er det identifisert et behov for mange krysninger i ovennevnte spennviddeområde. Mange av disse er ikke realisert pga. for høye kostnader. Det er derfor av stor samfunnsøkonomisk nytte å få redusert kostnadene for slike brokonstruksjoner. Dette vil i praksis innebære å få redusert egenvekt og materialbruk samtidig med at den aerodynamiske stabiliteten beholdes. Det er også et generelt krav om at konstruksjonen må kunne bygges med sikre metoder i en forutsigbar og rasjonell byggeprosess som ivaretar samfunnets krav til helse, miljø og sikkerhet (HMS).

En rekke bruer ble bygget på 1800-tallet med en kombinasjon av skråstag og hengestenger. Den mest kjente er Brooklyn Bridge fra 1883 med hovedspenn på 486 m. Skråstag og hengestenger er her benyttet overlappende over hele spennet, hvilket gir et svært overbestemt statisk system. Systemet kombinerer et stivt (skråstag) og et mykt (hengebru) bæresystem på en ikke optimal måte.

NO 107352 angir bæring med en kombinasjon av skråstag og hengebrokabel, men ikke som sentrisk bærende elementer i kombinasjon med splittede kjøre-baner.

Det er også bygget noen såkalte hybridbruer der det er benyttet skråstagbroløs-ning nærmest tårn og hengebro i den midtre delen av spennet. Eksempler på dette er gangbruene Sidi Me Cid (164 m) i Algerie og Nagisa Bridge (110 m) i Japan.

Skråstag alene sammen med splittede kjørebaner og sentrisk monotårn er benyttet for Stonecutters bro i Hong Kong med spennvidde 1018 m, men skråstagene er her festet på yttersiden av kjørebanene. For lengre spenn vil denne konstruksjons-typen bli svært kostbar og med økende stabilitetsproblemer i byggetiden.

Foreliggende oppfinnelse løser problemene med vindstabilitet ved å benytte delte kjørebaner med bred luftspalte mellom, samt at bæring som fritt-frambyggbro (FFB) og skråstagbro nærmest tårnene bidrar til en stivere brobjelke. Avstanden mellom brobjelkene bestemmer broens stivhet i tverretningen. Denne avstanden kan varieres med en mindre vesentlig endring av materialbruk for den foreliggende oppfinnelse. En slik variasjon er i prinsippet ikke mulig for en tradisjonell henge-brokonstruksjon. Videre vil de splittede brobjelkene i kombinasjon med sentrisk tårn og bærekabel med skråstilte stag og hengestenger danne et trekantformet bæresystem som i seg selv øker stabiliteten for vridning (torsjon) av brobanen. Økt torsjonsstivhet bedrer bruas aerodynamiske egenskaper.

Med hensyn til krav til sikkerhet i byggetiden vil en konstruksjon med fri frembygg-ing fra en side (FFB-bro og skråstagbro) ha økende stabilitetsproblemer i byggetiden tilnærmet proporsjonalt med kvadratet av fri utkrager, mens hengebrokon-struksjonen gir en langt mer stabil konstruksjon basert på at bærekablene monteres først ved spinning på stedet. Bærekablene spenner fra tårn til tårn og bidrar til stabiliteten mens de øvrige elementer (hengestenger og brobjelke) monteres meget raskt i små elementer. (Kfr. f.eks. også alle de lange luftspennene for høy-spentlinjer i Norge.)

En fritt-frambyggbrokonstruksjon er det billigste alternativet for den delen av broen som befinner seg nærmest tåmene, men denne konstruksjonsmåten alene gir svært begrenset brospenn (maks ca. 400 m spenn bestemt av kostnadene). Skrå-stagbrokonstruksjonen er noe dyrere for kortere spenn, men kan anvendes for betydelig lengre brospenn (maks ca. 1000 m) bestemt av kostnaden. Hengebrokon-struksjonen gir generelt en relativt dyr meterpris for kortere brospenn, men den kan anvendes for de lengste brospennene. Det lengste spennet som er bygget til nå er 1991 m (Akashi - Kaikyo) fra 1998. Hengebrokostnaden er også sterkt økende med økende spennvidde, bl.a. pga. økende vindstabilitetsproblemer.

Foreliggende oppfinnelse reduserer byggekostnadene betydelig ved å benytte en seriell kombinasjon av fritt-frambyggbro, skråstagbro og hengebro. Dette gir en betydelig besparelse i materialforbruk i forhold til en ren hengebro.

Formålene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved hjelp av de trekk som er angitt i den karakteriserende delen av krav 1. Ytterligere fordelaktige trekk ved foreliggende oppfinnelse er angitt i de uselvstendige kravene.

I det følgende gis et ikke-begrensende eksempel på foreliggende oppfinnelse under henvisning til vedføyde tegninger, der

Fig. 1 viser sideriss av en bro ifølge foreliggende oppfinnelse,

Fig. 2 viser et tverrsnitt av en bro ifølge foreliggende oppfinnelse, der tverrsnittet er tatt gjennom hengebrodelen av broen, Fig. 3 viser et tverrsnitt av en bro ifølge foreliggende oppfinnelse, der tverrsnittet er tatt gjennom skråstagbrodelen av broen, Fig. 4 viser et tverrsnitt av en bro ifølge foreliggende oppfinnelse, der tverrsnittet er tatt gjennom fritt-frembyggbrodelen av broen, og

Fig. 5 og 6 viser broen i perspektiv, med ulike kabelforankringer.

Fig. 1 viser en bro ifølge foreliggende oppfinnelse, omfattende to monotårn 1, en hovedkabel 2, fritt-frembyggbrodeler 3, skråstagbrodeler 4 og en hengebrodel 5. Fritt-frembyggbrodelene 3 kan krage ut fra for eksempel 50 m til maksimalt ca 200 m, skråstagbrodelene 4 vil "overta" etter fritt-frembyggbrodelene 3 og kan der-etter krage ut til inntil ca. 500 m, mens hengebrodelen 5 vil spenne over det rester-ende gapet inntil ca. 2000 m vist i dette eksemplet. For en bro med et totalt spenn på ca. 1300 m vil de respektive lengdene utgjøre for eksempel ca. 100 m, 250 m og 600 m (dvs. 2 x 100 m + 2 x 250 m + 600 m = 1300 m). Tilsvarende tall for en bro med et spenn på 2700 m vil for eksempel kunne være ca. 100 m, 450 m og 1600 m (dvs. 2 x 100 m + 2 x 450 m + 1600 m = 2700 m). Fritt-frembyggbrodelene 3 danner stive elementer som så går over i de noe mykere skråstagbrodelene 4, mens hengebrodelen 5 danner den mykeste brodelen mellom skråstagbrodelene 4. Denne kombinasjonen av en fritt-frambyggbro, en skråstagbro og til sist en hengebro, der hengebrodelen gjøres kortere, bidrar til at hovedkabelens dimen-sjon kan reduseres, noe som i stor grad bidrar tii reduserte kostnader. Fig. 2 viser et tverrsnitt av broen ifølge foreliggende oppfinnelse, der tverrsnittet er tatt gjennom hengebrodelen av broen. To brobjelker 6 forløper i varierende avstand og er forbundet med hverandre ved hjelp av tverrbjelker 7 på innsiden av brobjelkene 6. Hengestenger 9, festet til hovedkabelen 2, strekker seg ned til hver sin ende av tverrbjelkene 7 på innsiden av brobjelkene 6. Ettersom hengestengene 9 (og skråstagene 8) er anordnet på innsiden av brobjelkene 6, vil en "brolift" (inspeksjonskjøretøy med en lang, bøyelig arm), lett komme til under brobjelkene 7 og enkelt kunne føres i brobjelkenes 6 lengderetning uten at hengestenger 9 (eller skråstag 8) kommer i veien slik at armen til stadighet må trekkes opp og inn, før den igjen må føres ut i posisjon under brobjelken 6. Fig. 3 viser et tverrsnitt av en bro ifølge foreliggende oppfinnelse, der tverrsnittet er tatt gjennom skråstagbrodelen 4 av broen. Brobjelkene 6 er forbundet med tverrbjelker 7. Avstanden mellom brobjelkene er økt fra figur 2. Skråstagene 8 løper fra tverrbjelkene 7 til monotårnene 1. Fig. 4 viser et tverrsnitt av en bro ifølge foreliggende oppfinnelse, der tverrsnittet er tatt gjennom fritt-frembrobyggbrodelen 3 av broen ved tårn. Brobjelkene 6 befinner seg lengre fra hverandre fordi veibanene skal forløpe på hver side av monotårnene 1, (idet avstanden mellom brobjelkene 6 ca. tilsvarer monotårnenes 1 ytre di-mensjoner ved den høyden brobjelkene 6 er forbundet til monotårnet.) Brobjelkene er forbundet til monotårnet med en kraftig tverrbjelke 7. Ifølge oppfinnelsen kan brobjelkene 6 bøyes innover på en eller begge sider av monotårnene 1, slik at tverrbjelkenes 7 lengde kan holdes nede. i tillegg vil en slik utforming kunne gi et estetisk fordelaktig inntrykk.

I stedet for monotåm kan det også benyttes alternative tårnkonstruksjoner, så som A-tårn, H-tårn, X-tårn eller V-tårn. Det forstås at andre eventuelle tårnkonstruksjoner også kan brukes.

Byggearbeidet kan gjennomføres på følgende måte:

Tårn, utformet som hul kasse med varierende bredde og veggtykkelser,

bygges med glide- eller klatreform. Tradisjonelle tids- og kostnadskrevende tverrbjelker unngås. All material- og persontransport kan gå innvendig og beskyttet for vær og vind. Utvendig tårnkran er ikke nødvendig. (Dette er meget viktig da tårnhøyden blir i området ca. 200 m for bro med spennvidde 1000 m og ca. 300 m for bro med spennvidde 2000 m.)

FFB-delene av brobjelken kan startes når tårnet er bygget til dette nivået,

og for en stor del fullføres samtidig med at tårnet bygges videre.

Skråstagdelen av brobjelken kan bygges samtidig med at bærekabelen for

hengebrodelen monteres ved spinning i luften.

Det er betydelig mer rasjonelt å montere kun en sentrisk bærekabel enn de

to tradisjonelle plassert en på hver side.

Brubanen (stålkasser) i hengebrodelen prefabrikkeres og monteres i større

elementer.

Foreliggende oppfinnelse gir derfor kortere byggetid samt mindre værømfintlig bygging enn en konvensjonell hengebro, noe som medfører muligheter for ytterligere økonomisk besparelse. Forankring av skråstag og hengestenger på innsiden av brobjelkene forenkler tilkomst med "brolift" for inspeksjon og vedlikehold av bro-kassene. Den sentriske hengekabelen blir også såvidt stor at den gir en sikker plattform for inspeksjon av kabler og hengestenger.

Ifølge foreliggende oppfinnelse vil en seriell kombinasjon av en fritt-frambyggbro, skråstagbro og hengebro bidra til en konstruksjon som gir stivhetsmessig fordelaktige overganger mellom de ulike broelementene for bæring av vertikale laster. Samtidig benyttes hver brotype i det spennområdet der de hver for seg er kost-nadsoptimale. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer altså en synergi mellom for-skjellige brokonstruksjonstyper som gir et godt konstmksjonsmessig resultat, betydelig kortere byggetid, betydelig lavere pris samt enklere vedlikehold.

Claims (5)

1. Bro omfattende tårn, brobjelke, hovedkabel samt hengestenger og skråstilte stag, der broen omfatter en seriell kombinasjon av en skråstagbro (4) og en hengebro (5) samt minst én sentrisk hovedkabel (2), der hengebrodelen (5) befinner seg mellom skråstagbrodelene (4), karakterisert ved at brobanen (6) omfatter to eller flere separate brobjelker med konstant eller varierende avstand mellom seg, der brobjelkene videre er forbundet med tverrbjelker (7) eller annen avstivning, idet skråstag (8) og hengestenger (9) er festet til tverrbjelkene (7) eller brobjelkene (6), slik at hengestengene, hoved kabelen og tverrbjelkene eller annen avstivning danner et trekantformet bæresystem i et vertikalplan på tvers av broen.

2. Bro ifølge krav 1, karakterisert ved at den også omfatter en fritt-frambyggbrodel (3), der fritt-frambyggbrodelene (3) er anordnet nærmest tårnene (1) før skråstagbrodelene (4).

3. Bro ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at tårnene danner sentriske monotårn (1) eller andre tårnkonstruksjoner, der de to eller flere brobjelkene (6) forløper på ut-siden eller gjennom av de sentriske monotårnene (1) eller andre tårnkonstruksjoner.

4. Bro ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den minst ene sentriske hoved kabelen (2) forløper over, gjennom eller på siden av de sentriske monotårnene (1) eller de andre tårnkonstruksjonene, idet hengebrodelen (5) bæres av den minst ene sentriske hovedkabelen (2).

5. Bro ifølge krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved at skråstag (8) og hengestenger (9) fortrinnsvis er festet på innsiden av brobjelkene (6).