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Schrägseilbrücke mit Litzenbündelseilen: Elbebrücke Schönebeck - Ausführungsplanung (Teil 2)

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Page 1: Schrägseilbrücke mit Litzenbündelseilen: Elbebrücke Schönebeck - Ausführungsplanung (Teil 2)

Fachthemen

DOI: 10.1002/stab.201310077

522 © Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Stahlbau 82 (2013), Heft 7

Die Schrägseilbrücke überspannt den Elbestrom mit einer freien Stützweite von 185 m. Das gut sichtbare Merkmal der Brücke ist der über 73 m hohe A-Pylon. Die Vorlandbereiche werden links-elbisch mit 16 und rechtselbisch mit 8 weiteren Feldern überquert. Für den insgesamt 1128 m langen Brückenzug wurden die unter-schiedlichsten Bauweisen vorteilhaft miteinander kombiniert und ausgeführt.Nachdem im Stahlbau Heft 3/2013 bereits schwerpunktmäßig über die Ausführung des Stahlbaus und der Litzenseile berichtet wurde, sollen in diesem Beitrag die Detailplanung und die statischen Besonderheiten mit ihrem Bezug zur Herstellung im Mittelpunkt stehen.

A cable stayed bridge with parallel strand cables: Elbe Bridge Schönebeck (Germany) – Detailed Design (part 2). The cable stayed bridge crosses the River Elbe with a main span of 185 m. The main feature of this bridge is the A-shaped, about 73 m high pylon. The foreshore areas are crossed by 16 additional spans on the left side and 8 additional spans on the right side of the river. For the bridge with its total length of 1128 m different methods of construction were used. The publication part 1 “Stahlbau Heft 3/2013” contains the con-struction of the bridge and the stay cables. This part 2 contains the detail design and static aspects in respect of construction.

1 Einleitung

Nach über 3-jähriger Bauzeit ist die Fertigstellung der neuen Elbebrücke Schönebeck im Sommer dieses Jahres

geplant. Die Herstellung der Brücke wurde durch viele Randbedingungen wie Umweltschutz, Hochwasser und die angestrebte kurze Bauzeit bestimmt. Darüber wurde be-reits in den vorangegangenen Aufsätzen [1] und [2] berich-tet. Dieser Beitrag soll nun interessante Aspekte der Aus-führungsplanung und die statischen Besonderheiten dieses anspruchsvollen Ingenieurbauwerkes behandeln.

2 Gesamtkonzept und Lagerung

Der Brückenzug wird aus den drei Teilbauwerken: Vor-landbrücke Süd mit einer Länge von 309 m, der insgesamt 489 m langen Strombrücke mit ihrem Schrägseilteil und der 330 m langen Vorlandbrücke Nord gebildet (Bild 2). Zwischen den Teilbauwerken werden jeweils Trennpfeiler vorgesehen.

Die Ausführung der Vorlandbrücken erfolgt mit Spann-weiten von bis zu 44 m in Spannbetonbauweise. Die Sei-ten- und Vorlandfelder der Strombrücke werden ebenfalls in Spannbeton ausgeführt. Das über 185 m spannende Stromfeld wird in Stahlverbund hergestellt und linkselbisch durch drei schwere Seitenfelder im Gleichgewicht gehalten.

Der über 73 m hohe Pylon stellt den natürlichen Fest-punkt der in einer Geraden trassierten Strombrücke dar.

Für die in Radien trassierten Vorlandbrücken Süd und Nord wird der Festpunkt jeweils auf die Wiederlager ge-legt. Die dem Festpunkt am nächsten liegenden Lagerach-sen werden mit allseits beweglichen Verformungslagern versehen. Dieses führt insbesondere in den Krümmungsbe-reichen der Vorlandbrücken zu einer möglichst zwängungs-

Schrägseilbrücke mit Litzenbündelseilen: Elbebrücke Schönebeck – Ausführungsplanung (Teil 2)Herrn Dr.-Ing. Hans-Peter Andrä zur Vollendung seines 65. Lebensjahres gewidmet

Christian AnistoroaieiUlrich HeymelRolf JungErik Sagner

Bild 1. Ansicht von OstenFig. 1. View from east

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Bild 2. Gesamtansicht und GrundrissFig. 2. Overview and view plan

Bild 3. Regelquerschnitt VorlandbrückenFig. 3. Standard cross-section of the foreshore bridge

Bild 4. Herstellung Überbau auf FachwerkträgernFig. 4. Erection superstructure by framework construction

armen Lagerung. Für die weiter vom Festpunkt entfernt liegenden Lagerachsen kommen Verformungsgleitlager zur Anwendung, von denen ein Teil als querfest ausgebildet wird. Am Ende des Stromfeldes werden in Achse 180 auf-grund der großen Verdrehungen Kalottengleitlager erfor-derlich.

Die Längen der drei Teilbauwerke wurden so gewählt, dass sich in den Trennpfeiler-Achsen 90 und 180 möglichst gleich große Dehnwege ergeben. Zum Ausgleich der Dila-tationen werden hier jeweils 7-schläuchige Übergangskon-struktionen eingebaut.

3 Vorlandbrücken3.1 Gründung

Aufgrund der starken Chlorid- und Sulfatkonzentrationen im tieferen Baugrund wurden im Entwurf bewehrte Bohr-pfahlgündungen ausgeschlossen.

Die Gründungslasten werden so auf Flachgründungen abgesetzt, wobei der Baugrund teilweise durch Rüttel-druckverdichtung verbessert wurde. Für die Bauzustände wurden Setzungen von bis zu 2 cm in der Überhöhung der Überbauten berücksichtigt. Der Ausgleich späterer Setzun-

gen ist bei dem gewählten Lagerungskonzept durch den Einbau von Futterplatten gut möglich.

3.2 Überbauten und Herstellung

Die bis zu 44 m großen Felder der Vorlandbrückenberei-che werden mit einem schlanken Mittelträgerquerschnitt mit nur 1,80 m Bauhöhe ausgeführt (Bild 3).

Um hier einen statisch optimalen Querschnitt mit kleiner Fläche und einem günstigen Verhältnis zwischen den Widerstandsmomenten oben/unten zu erhalten, wer-den die beidseitigen Kragarme mit einer Länge von jeweils 2,85 m möglichst schlank gestaltet. Die untere Stegbreite ist auf 4,50 m reduziert.

Die Herstellung der Überbauten wurde von der Bau-firma feldweise von den Widerlagern aus beginnend mit einem über 29 m frei spannenden Traggerüst, bestehend aus Fachwerkträgern, geplant (Bild 4). Die Fachwerkträger wurden dabei jeweils hinter der Koppelstelle des vorange-gangenen Bauabschnitts angespannt und am anderen Ende auf dem Fundament der folgenden Pfeilerachse abge-setzt. Durch die großen Anhängelasten an den bis zu 10 m langen Kragarmen des vorangegangenen Bauabschnitts

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wasserbetonsohle noch ca. 1 m ein. Das gewählte Konzept konnte durch die bisher nur relativ geringen gemessenen Setzungen bestätigt werden.

Durch die Neigung der Pylonschäfte erhält die 12 m lange und 31 m breite Fundamentplatte Querzugkräfte, die durch eine über die gesamte Breite geführte Bewehrung, auf-genommen werden müssen.

4.2 Konstruktion und Besonderheiten

Die Pylonkonstruktion ist entsprechend den statischen und funktionalen Anforderungen geplant:– steifer Vollquerschnitt unterhalb des Auflagerriegels zur

Einleitung der hohen Normalkräfte ins Fundament– Hohlprofil im Bereich der Pylonschäfte zur Sicherstel-

lung der Begehbarkeit (Bild 11)– Stahlbetonquerschnitt im Verschmelzungsbereich der

Schäfte mit dem Pylonkopf (Bild 10) – Stahl-Stahlbeton Verbundquerschnitt im Bereich der Seil-

einleitungen am Pylonkopf (Bild 9)

Durch diese Ausbildung des Pylonkopfes wurden die Ma-terialeigenschaften optimal eingesetzt. Zur direkten Last-einleitung der hohen Seilkräfte kommen Stahltraversen sowie die Stahlhülle des Pylonkerns zum Tragen. Der ka-stenförmige Stahlkern dient neben der Kopplung der hori-zontalen Seilkraftkomponenten der gegenüberliegenden

ergeben sich im Bauzustand bemessungsrelevante Stütz-momente. Diese werden dann später durch das Kriechen des Spannbetons in Richtung Eingusssystem wieder ab-gebaut (Bilder 5 + 6). Im Gegensatz zu den üblichen Bau-verfahren wie bodengestütztes Traggerüst oder Vorschub-rüstung entstehen hier durch die Anwendung der oben beschriebenen Gerüstart deutlich höhere Umlagerungs-schnittkräfte im Überbau.

Des Weiteren war für die Bauzustände auch die Mit-führung eines 100 Tonnen schweren Turmdrehkrans auf dem Überbau zu berücksichtigen. Die feldweise Herstel-lung der Vorlandbrücke Süd wurde auch für den Vorland-bereich der Strombrücke einschließlich der Seitenfelder bis zum Pylon hin fortgesetzt.

4 Pylon4.1 Gründung

Die Gründung des Pylons ist aufgrund der unter 3.1 be-schriebenen Baugrundproblematik als Flachgründung aus-geführt und bemessen. Zusätzlich wurden hier aber, um das Setzungsverhalten für die am Pylon konzentrieren Grün-dungslasten von bis zu 140 MN (GZG) günstig zu beein-flussen, 6 m lange, unter der Gründung liegende, unbe-wehrte Großbohrpfähle eingebracht (Bild 7). Diese sind gezielt unter den Pylonschäften konzentriert angeordnet und binden in die unter dem Fundament liegende Unter-

Bild 5. Momente aus Eigenlasten vor KriechumlagerungenFig. 5. Moments of permanent loads before creeping

Bild 6. Momente aus Kriechumlagerungen bis t∞Fig. 6. Moments of creeping to t∞

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60 mm auseinandergedrückt, so dass auch der Schnitt-kraftverlauf der Querbiegemomente günstig beeinflusst wurde.

Der Auflagerquerriegel wurde mit dem 3. Schuss auf einem konventionellen Traggerüst hergestellt.

5 Strombrücke5.1 Tragwerk und Schnittstellen

Die Strombrücke ist mit den anschließenden acht Vor-landfeldern monolithisch verbunden. Als Gegengewicht zum Stromfeld werden die letzten drei Seitenfelder zu massiven Querschnitten mit 2,0 m Bauhöhe verstärkt (Bild 13). Dieser Spannbetonquerschnitt wird 7,6 m über die Pylonachse hinaus geführt, um dann auf den leichten Verbundquerschnitt des Stromfeldes zu wechseln (Bild 14). Damit können die am Pylon konzentrierten großen Lager-kräfte noch vorteilhaft im Betonquerschnitt aufgenommen werden. Der Übergang zum Stahlverbundquerschnitt wird durch das Einbetonieren des ersten Stahlbauteils herge-stellt. Dieses ist zur Krafteinleitung im 2,3 m langen Über-lappungsbereich mit Kopfbolzendübeln versehenen. Für den Anschluss der Fahrbahnplatte wird die Bewehrung aus dem Massivteil einfach in der Verbundplatte fortge-führt.

Seilpaare auch der gleichmäßigen Einleitung der Normal-kräfte in die seitlichen Betonflanken. Diese dienen deswei-teren zur Stabilisierung des Stahlkastens insbesondere beim Seilausfall und wirken zur Abtragung der Biegemo-mente im Verbund mit.

Bedingt durch die einhüftige Schrägseillösung sowie aufgrund der geringeren Spannweiten im Vorlandbereich wurde der Pylon mit einer planmäßigen Schiefstellung von ca. 30 cm in Richtung des Vorlandes hergestellt, wel-che bis zum Ende der Bauzustände wieder ausgeglichen wird.

Zur Vermeidung von Mikrorissen und einer zu hohen Bewehrungskonzentration wurde der gesamte Pylon, bei Wanddicken von nur 50 cm, in Beton C 45/55 hergestellt.

4.3 Herstellung

Wie im Bild 8 dargestellt wurden die Pylonbeine und -schäfte in 2 × 11 Schüssen mit einer maximalen Länge von 4,50 m hergestellt. Die dazu erforderliche Kletter-schalung wog ca. 25 Tonnen pro Seite. Zur Vermeidung von zu großen Verformungen und Bewehrungskonzentra-tionen wurde nach Herstellung des 9. Abschnittes eine Horizontalspreitze (siehe Bild 12) vorgesehen. Durch Ein-satz von hydraulischen Pressen wurden beide Schäfte ca.

Bild 7. Gründung Pylon Längsschnitt und GrundrissFig. 7. Foundation of pylon section and plan

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Der Lastfall Seilvorspannung wurde dabei stets wie bei Schrägseilbrücken üblich mit dem gleichen Sicherheits-faktor wie die Eigengewichtslastfälle überlagert.

5.2 Verankerung der Seile

Für die Einleitung der bis zu 6,5 MN (GZG) großen Seil-lasten in die Überbauten wurden besondere Verankerungs-konstruktionen entwickelt.

Zur Verankerung der Seillasten in den Massivquer-schnitten der Seitenfelder wird an den Stegen ein mit Kopf-bolzen versehenes Schubblech angeordnet. Das sich aus dem exzentrischen Anschluss zum Steg ergebende Mo-ment wird über die außenliegende Konsole in eine Druck-kraft, welche im Kragarmbereich ebenfalls über ein Schub-blech eingeleitet werden kann, und eine Zugkraft zerlegt. Die Zugkraft wird dann über ein spezielles ringsum mit Kopfbolzen versehenes Ankerrohr – dem sogenannten Igel im unteren Stegbereich verankert (Bilder 13 und 17). Zwi-

Bild 8. Ansicht A-PylonFig. 8. Overview A-shaped pylon

Für die interne Vorspannung der Seitenfelder ist der Bauzustand vor Installation der Schrägseile maßgebend. Durch die Schrägseile werden die Seitenfelder im späteren Endzustand entlastet. Die Herstellung der Seitenfelder er-folgt so leicht unterhöht.

Der Verbundquerschnitt des Stromfeldes wird aus einem in seiner Form auf die Vorlandquerschnitte abge-stimmten torsionssteifen Hohlkasten und der nur 30 cm dicken Verbundplatte gebildet (Bild 15). Mit der torsions-steifen Ausführung wird neben einer hohen aeroelasti-schen Stabilität auch eine gute Querverteilung der Seillas-ten erreicht, welches besonders hinsichtlich des rechne-risch zu berücksichtigenden Ausfalls einzelner Seile günstig ist.

Das Stromfeld wurde für die Ausbaulasten, Kriechen und Schwinden und 20 % der Verkehrslasten mit bis zu 560 mm überhöht hergestellt, wobei der größte Anteil auf die nach Brückenschluss aufgebrachten Ausbaulasten mit 400 mm entfällt.

Für das Konzept der auf die Seile aufgebrachten Vor-spannkräfte waren neben der Herstellung der Sollgradiente noch weitere Aspekte zu beachten:

Es wurde eine ausgeglichene Beanspruchung der Über-bau- und Pylonquerschnitte angestrebt. Gleichzeitig muss-ten die Vorspannkräfte so abgestimmt sein, dass unter un-günstigen Beanspruchungen in den Seitenfelder-Achsen 140 bis 160 und am Trennpfeiler Achse 180 keine abhebenden Lagerkräfte entstehen.

Bild 9. Pylonkopf Längs- und QuerschnittFig. 9. Head of pylon section and plan

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5.3 Herstellung im Freivorbau

Die Montage des Stromfeldes erfolgte in insgesamt elf Schüssen mit Hilfe eines Mobildrehkranes vom Überbau aus. Der kurze Anfängerschuss wurde in die Schalung des letzten Spannbetonabschnittes gelegt und mit diesem mo-nolithisch verbunden. Die Länge der folgenden Freivor-bauschüsse 2 bis 10 betrug entsprechend dem Seilabstand 18,5 m, so dass sich jeweils am Ende jedes Schusses eine Seilverankerung befindet. Aufgrund der Begrenzung der Lasten und der engen Platzverhältnisse zwischen den Sei-len beim Einhub war es erforderlich, die Stahlschüsse längs jeweils in zwei Hälften zu teilen und getrennt einzuheben. Die beiden Schusshälften wurden dabei als Kragarme an den bereits fertiggestellten Vorgängerschuss montiert und

schen den Ankerrohren der gegenüberliegenden Seilveran-kerungen wurde eine kräftige Betonstahlbewehrung vorge-sehen. Neben der guten Einbaubarkeit ergibt sich so die zum Beton erforderliche gut kraftschlüssige Verbindung.

Die Verankerung der Seile im Verbundquerschnitt des Stromfeldes erfolgt über spezielle, als Fortsetzung der außen-liegenden Konsolen, im Hohlkasten liegende Fachwerk-querträger (Bild 15). Der Obergurt wird dabei durch die Verbundplatte gebildet. Als Untergurt wird im Hohlkasten ein U-förmiger Gurtstab angeordnet. Für den zum Aus-gleich unterschiedlicher Seilkräfte und insbesondere bei einem einseitigen Seilaustausch bzw. Seilausfall benötigten Fachwerkverband werden Stahlrohre als Diagonalstäbe verwendet. Des Weiteren ist auch bei einem Seilausfall mit sich umkehrenden Kräften zu rechnen.

Bild 10. Pylon Verschmelzungsbereich Schnitt und Quer-schnittFig. 10. Pylon connection area of shafts section and plan

Bild 11. Pylon Schäfte QuerschnittFig. 11. Pylon section of shafts

Bild 12. Montage Pylonkopf, Schäfte mit temporärer StützungFig. 12. Assembly of pylon heat, shafts with temporary stiffer

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verschlossert. Zur Stabilisierung und Verringerung der Pro-filverformung wurde die zuerst eingehobene Hälfte mit einem Längsverband an der innen offenen Kastenseite aus-gesteift, wodurch die zum Anbau der zweiten Kastenhälfte erforderliche Querschnittstreue sichergestellt war. Die Ver-schlosserung erfolgte dann in den Stegachsen sowie in der Achse des mittleren Längsverbandes über auf dem Deck-blech angeordnete Knaggen und GEWI-Zugstangen.

Für die Montagezustände der einzelnen Schüsse mussten auf dem Gesamtsystem ein 230 Tonnen schweres Kranfahrzeug sowie das dahinter stehendes 20 Tonnen schwere Transportfahrzeug berücksichtigt werden (Bild 18).

Das Spannen der Seile erfolgte in insgesamt drei Spann-stufen:

Nach dem Verschweißen eines Schusses wurden die Seile Litze für Litze eingezogen und danach in der 1. Spann-

Bild 13. Querschnitt Seitenfelder mit SeilverankerungenFig. 13. Cross-section of offshore spans with cable anchorages

Bild 14. Übergang Spannbeton-Verbund-ÜberbauFig. 14. Join of concrete and composite superstructure

Bild 15. Querschnitt Stromfeld mit SeilverankerungenFig. 15. Cross-section of main span with cable anchorages

stufe auf den reinen Stahlquerschnitt gespannt. Dabei konnten zur Begrenzung der eingefrorenen Druckspan-nungen im Deckblech nur geringe Seilkräfte aufgebracht

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ßig einzelne Seile mit Hilfe einer Gradientenpresse nach-gelassen wurden.

Abschließend sei noch auf zwei für Montageberech-nungen wichtige Punkte hingewiesen:– Berücksichtigung möglicher Streuungen des Beton-E-

Moduls– Beachtung der unterschiedlichen Dehnsteifigkeiten für

die Litzenbündel in Abhängigkeit von den Kräften und Durchhängen in den einzelnen Montage- und Spannzu-ständen.

6 Schlussbemerkung

Die Ausführung einer solch anspruchsvollen Brücke ist nur unter dem vollen Einsatz aller am Bau Beteiligten möglich. Die Verfasser dieses Aufsatzes möchten sich des-halb für die gute Zusammenarbeit und das allseitige Ver-ständnis für die Lösung technischer Probleme bedanken.

Das Bauwerk zeigt, dass eine aus der Funktion und dem Kraftfluss heraus geschaffene Ingenieurkonstruktion für ihre ästhetische Wirkung keiner künstlichen Ergänzun-gen mehr bedarf. Das Bauwerk fügt sich trotz seiner Größe gut in den umgebenden Landschaftsraum ein und stellt für die Region Schönebeck ein neues Wahrzeichen dar.

Am Bau Beteiligte:Bauherr:Bundesrepublik Deutschland

werden. Aufgrund des großen Seildurchhanges und des damit noch geringen effektiven E-Moduls der Seile wurde neben der Kraft auch nach der Höhenlage des Anbau-schusses gespannt. Durch die 1. Spannstufe wird im We-sentlichen das Biegemoment im Stahlquerschnitt aus der Herstellung der Fahrbahnplatte reduziert.

Nach dem Erhärten des Betons wird dann die 2. Spannstufe auf den voll wirksamen Verbundquerschnitt des Schusses aufgebracht, wobei die Vorspannung des ge-strafften Seiles nach Kraft erfolgen kann. Mit der 2. Spann-stufe werden desweiteren günstige Druckspannungen in der gerade hergestellten Betonfahrbahnplatte erzeugt und somit die Rissbildung im Bauzustand begrenzt.

Zur Herstellung der planmäßigen Gradiente werden im Freivorbau die jeweiligen Folgeschüsse mit genau be-rechneten und für die gemessenen Höhenlagen ggf. korri-gierten Anbauwinkeln angesetzt. Mit dem tangentialen An-schluss des letzten Schusses 11 wurde in Achse 180 die vorgesehene 30 cm tiefer liegende Überbaulage erreicht und provisorisch abgestützt. Nach der Betonage des letz-ten Fahrbahnplattenabschnittes konnte der Überbau dann auf seine planmäßige Höhenlage in der Achse 180 angeho-ben und die endgültigen Lager eingebaut werden.

Im Anschluss wurde die 3. Spannstufe und die Über-prüfung der Seilkräfte am geschlossenen Überbausystem vor Herstellung der Kappen ausgeführt, wobei noch im Stromfeld zur Einstellung des vorgesehenen Feldmomen-tes und der Erhöhung der Auflasten in Achse 180 planmä-

Bild 18. Montage Stahlbauschuss mit Kraneinsatz im Frei-vorbau (© ARGE Schönebeck)Fig. 18. Free cantilevering assembly of steel sections by crane (© ARGE Schönebeck)

Bild 17. Seilverankerung im Betonquerschnitt mit soge-nannten „Igeln“Fig. 17. Cable anchorage in the concrete section by special “Igel”-construction

Bild 16. Momentenverlauf Strombrücke im GZG Fig. 16. Moments of main bridge under sum of service loads

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Bauausführung:ARGE Elbebrücke Schönebeck aus Hermann Kirchner Hoch- und Ingenieurbau GmbH und Donges SteelTec GmbHPlanung Traggerüst:Saul Ingenieure GmbH, BraunschweigVorspannung und Schrägseile:DYWIDAG-Systems International GmbHPrüfingenieure:Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hanswille,Prof. Dr.-Ing. Michael MüllerBauüberwachung:Lavis Engineering GmbH und Obermaier Planen und Be-raten GmbH

Literatur

[1] Eilzer, W., Portius, M., Morawietz, M., Stockmann, R., Heymel, U.: Neubau der Elbebrücke Schönebeck – Entwurf, Ausschrei-bung und Vergabe. Stahlbau 79 (2010), Heft 2, S. 77–90.

[2] Anistoroaiei, C., Brand, W., Langer, S., Puls, J.: Schrägseilbrü-cke mit Litzenbündelseilen – Konstruktion und Ausführung (Teil 1). Stahlbau 82 (2013), Heft 3, S. 170–178.

Autoren dieses Beitrages:Dipl.-Ing. Christian Anistoroaiei,Dipl.-Ing. Ulrich Heymel,Dipl.-Ing. Rolf Jung,Dipl.-Ing. Erik Sagner,Leonhardt Andrä und Partner, Beratende Ingenieure VBI, AG,Am Schießhaus 1–3, 01067 Dresden

Auftragsverwaltung:Landesstraßenbaubehörde Sachsen-Anhalt,Regionalbereich Mitte, MagdeburgStudie Elbebrücke:Ingenieurbüro Gnade, MagdeburgVor- und Entwurfsplanung, Ausschreibung, Genehmigungs- und Ausführungsplanung: Ingenieurgemeinschaft Leonhardt, Andrä und Partner,Beratende Ingenieure VBI AG Dresden/Dr. Löber Ingenieurgesellschaft für Verkehrswesen mbH, HalleBaugrundgutachten:GBA Ingenieurgesellschaft mbH, Potsdam

Bild 19. Stromfeld im FreivorbauFig. 19. Main span under free cantilevering