Betongbro

Betongbro

Bakgrund

Nästan 590 000 vägbroar sträcker sig över vattenvägar, torrängar, andra vägar och järnvägar i USA. De mest dramatiska broarna använder komplexa system som bågar, kablar eller triangelfyllda fackverk för att föra vägbanan mellan majestätiska pelare eller torn. Men den relativt enkla och billiga betongbalkbryggan är den viktigaste delen av vägbroarna.

En balkbro, som också kallas balkbro, består av en horisontell platta som bärs upp i varje ände. Eftersom hela plattans vikt (och eventuella föremål på plattan) överförs vertikalt till stödpelarna kan pelarna vara mindre massiva än stöd för båg- eller hängbroar, som överför en del av vikten horisontellt.

En enkel balkbro används i allmänhet för att överbrygga en sträcka på 76,2 m (250 ft) eller mindre. Längre sträckor kan överbryggas genom att koppla ihop en serie enkla balkbroar till en så kallad kontinuerlig spännvidd. Världens längsta bro, Lake Pontchartrain Causeway i Louisiana, är faktiskt ett par parallella, tvåfiliga broar med kontinuerlig spännvidd som är nästan 38,4 km långa. Den första av de två broarna färdigställdes 1956 och består av mer än 2 000 enskilda spann. Systerbron (som nu bär den norrgående trafiken) färdigställdes 13 år senare; även om den är 228 fot längre än den första bron innehåller den endast 1 500 spann.

En bro har tre huvudelement. För det första överför underbyggnaden (fundamentet) broens belastade vikt till marken; den består av komponenter som pelare (även kallade pirar) och överbyggnader. Ett abutment är förbindelsen mellan broänden och marken; det ger stöd åt broens änddelar. För det andra är broens överbyggnad den horisontella plattformen som sträcker sig över utrymmet mellan pelarna. Slutligen är broens däck den trafikbärande yta som läggs till överbyggnaden.

Historia

Den förhistoriska människan började bygga broar genom att imitera naturen. Eftersom han fann det användbart att gå på ett träd som fallit över en bäck började han placera trädstammar eller stenplattor där han ville korsa vattendrag. När han ville överbrygga en bredare bäck kom han på hur man staplade stenar i vattnet och lade balkar av trä eller sten mellan dessa pelare och stranden.

Den första bro som dokumenterats beskrevs av Herodotos 484 f.Kr. Den bestod av timmer som stöttes av stenkolonner och hade byggts över Eufratfloden cirka 300 år tidigare.

Romarna är mest kända för sina bågbroar av sten och betong, men byggde också broar med balkar. Faktum är att den tidigaste kända romerska bron, som byggdes över floden Tiber 620 f.Kr., kallades Pons Sublicius eftersom den var gjord av träbalkar (sublicae). I den romerska tekniken för brobyggande användes bland annat sargdammar när man byggde pelare. De gjorde detta genom att driva in ett cirkulärt arrangemang av träpålar i marken runt den avsedda pelarplatsen. Efter att ha fodrat träringen med lera för att göra den vattentät pumpade de ut vattnet ur inhägnaden. Detta gjorde det möjligt för dem att gjuta betongen för kolonnbasen.

Brobyggandet började övergå från konst till vetenskap 1717 när den franske ingenjören Hubert Gautier skrev en avhandling om brobyggande. År 1847 skrev en amerikan vid namn Squire Whipple A Work on Bridge Building, som innehöll de första analytiska metoderna för att beräkna spänningar och belastningar i en bro. ”Consulting bridge engineering” etablerades som en specialitet inom civilingenjörsyrket på 1880-talet.

Fortsatta framsteg inom byggandet av balkbroar skulle i första hand komma från förbättringar av byggnadsmaterial.

Construction Materialsand Their Development

De flesta vägbalkbroar på motorvägar är byggda av betong och stål. Romarna använde betong av kalk och pozzalana (ett rött, vulkaniskt pulver) i sina broar. Detta material härdade snabbt, även under vatten, och det var starkt och vattentätt. Under medeltiden i Europa använde man i stället kalkbruk, men det var vattenlösligt. Dagens populära Portlandcement, en särskild blandning av kalksten och lera, uppfanns 1824 av en engelsk murare vid namn Joseph Aspdin, men det användes inte i stor utsträckning som grundläggningsmaterial förrän i början av 1900-talet.

Betong har god hållfasthet för att motstå kompression (tryckkraft), men är inte lika stark vid spänning (dragkraft). Det gjordes flera försök i Europa och USA under 1800-talet att förstärka betong genom att bädda in spänningsbeständigt järn i den. En bättre version utvecklades i Frankrike på 1880-talet av Francois Hennebique, som använde armeringsstänger av stål. Den första betydande användningen av armerad betong i en bro i USA var Alvord Lake Bridge i San Franciscos Golden Gate Park; den färdigställdes 1889 och används fortfarande idag och byggdes med armeringsstänger av tvinnat stål som konstruerats av konstruktören Ernest L. Ransome.

Nästa betydande framsteg inom betongkonstruktionen var utvecklingen av förspänning. En betongbalk förspänns genom att man drar i stålstänger som löper genom balken och sedan förankrar stängernas ändar i balkens ändar. Detta utövar en tryckkraft på betongen, vilket uppväger de dragkrafter som utövas på balken när en last läggs på den. (En vikt som trycks ner på en horisontell balk tenderar att böja balken nedåt i mitten, vilket skapar tryckkrafter längs balkens ovansida och dragkrafter längs balkens undersida.)

Presning kan appliceras på en betongbalk som prefabriceras i en fabrik, förs till byggarbetsplatsen och lyfts på plats med hjälp av en kran, eller så kan den appliceras på platsgjuten betong som hälls på balkens slutliga plats. Spänningen kan appliceras på ståltrådarna eller stålstängerna innan betongen gjuts (förspänning), eller så kan betongen gjutas runt rör som innehåller ospänt stål till vilket spänningen appliceras efter att betongen har härdat (efterspänning).

Design

Varje bro måste designas individuellt innan den byggs. Konstruktören måste ta hänsyn till ett antal faktorer, bland annat den lokala topografin, vattenströmmar, möjligheter till isbildning i floderna, vindmönster, jordbävningsrisker, markförhållanden, beräknad trafikvolym, estetik och kostnadsbegränsningar.

Den måste dessutom utformas så att bron är strukturellt hållbar. Detta innebär att man måste analysera de krafter som kommer att verka på varje komponent i den färdiga bron. Tre typer av belastningar bidrar till dessa krafter. Med död belastning avses själva broens vikt. Med levande belastning avses vikten av den trafik som bron kommer att bära. Miljöbelastning avser andra yttre krafter, t.ex. vind, eventuella jordbävningar och eventuella trafikkollisioner med brostödet. Analysen utförs för de statiska (stationära) krafterna från den döda lasten och de dynamiska (rörliga) krafterna från de levande och miljörelaterade lasterna.

Sedan slutet av 1960-talet har värdet av redundans i konstruktionen varit allmänt accepterat. Detta innebär att en bro utformas så att fel på en enskild del inte orsakar en omedelbar kollaps av hela konstruktionen. Detta uppnås genom att andra delar är tillräckligt starka för att kompensera för en skadad del.

Herställningsprocessen

Då varje bro är unikt utformad för en specifik plats och funktion, varierar också byggprocessen från en bro till en annan. Den process som beskrivs nedan representerar de viktigaste stegen i konstruktionen av en ganska typisk bro i armerad betong som sträcker sig över en grund flod, med mellanliggande pelarstöd av betong som är placerade i floden.

Exemplariska storlekar för många av brokomponenterna ingår i den följande beskrivningen som ett hjälpmedel för visualisering. Vissa har hämtats från leverantörernas broschyrer eller industristandardspecifikationer. Andra är detaljer från en motorvägsbro som byggdes över Rio Grande i Albuquerque, New Mexico, 1993. Den 1 245 fot långa och 10 körfält breda bron bärs upp av 88 pelare. Den innehåller 11 456 kubikmeter betong i konstruktionen och ytterligare 8 000 kubikmeter i beläggningen. Den innehåller också 6,2 miljoner pund armeringsstål.

Underbyggnad

• 1 En kofferdam byggs runt varje kolonnplats i flodbädden, och vattnet pumpas från insidan av inhägnaden. En metod för att lägga grunden är att borra schakt genom flodbädden, ner till berggrunden. När en skruvmejsel tar upp jord från schaktet pumpas en lerslurry in i hålet för att ersätta jorden och hindra schaktet från att kollapsa. När det rätta djupet har uppnåtts (t.ex. ca 24,4 m) sänks en cylindrisk bur av armeringsstål ner i det slamfyllda schaktet (t.ex. med en diameter på 2 m). Betong pumpas till botten av schaktet. När schaktet fylls med betong pressas slammet ut genom toppen av schaktet, där det samlas upp och rengörs så att det kan återanvändas. Den ovanjordiska delen av varje pelare kan antingen formas och gjutas på plats, eller prefabriceras och lyftas på plats och fästas vid fundamentet.
• 2 Brofästen förbereds på flodbanken där broändan kommer att vila. En bakre vägg av betong formas och gjuts mellan bankens topp och flodbädden; detta är en stödmur för marken bortom broändan. En avsats (sits) som broändan ska vila på formas i toppen av bakre väggen. Det kan också behövas vingväggar som sträcker sig utåt från den bakre väggen längs flodbanken för att hålla kvar fyllnadsmassor för broens tillfarter.
• 3 I det här exemplet kommer bron att vila på ett par pelare vid varje stödpunkt. Underbyggnaden kompletteras genom att placera ett lock (en balk av armerad betong) vinkelrätt mot broens riktning, som sträcker sig från toppen av en pelare till toppen av dess partner. I andra konstruktioner kan bron vila på olika stödkonfigurationer, t.ex. en rektangulär pelare över hela bron eller en enda T-formad pelare.

Överbyggnad

• 4 En kran används för att sätta in stål- eller förspända betongbalkar mellan på varandra följande uppsättningar av pelare över hela broens längd. Bärarna bultas fast på pelarhuvudena. För motorvägsbron i Albuquerque är varje balk 1,8 m hög och upp till 40 m lång och väger så mycket som 54 ton.
• 5 Stålpaneler eller prefabricerade betongplattor läggs över balkarna för att bilda en solid plattform och slutföra broöverbyggnaden. En tillverkare erbjuder till exempel en 11,43 cm djup korrugerad panel av tungt stål (7- eller 9-gauge). Ett annat alternativ är en stålform för betongdäcket som ska gjutas senare.

Däck

• 6 En fuktspärr placeras ovanpå plattformen för överbyggnaden. Varmt applicerad polymermodifierad asfalt kan till exempel användas.
• 7 Ett rutnät av armeringsstålstänger byggs ovanpå fuktspärren; detta rutnät kommer senare att omslutas av en betongplatta. Nätet är tredimensionellt, med ett lager armeringsjärn nära plattans botten och ett annat nära toppen.
• 8 Betongbeläggning gjuts. En tjocklek på 20,32-30,5 cm (8-12 tum) betongbeläggning är lämplig för en motorväg. Om stanna-på-plats-formar har använts som överbyggnadsplattform hälls betong i dem. Om inga formar användes kan betongen appliceras med en slipformsbeläggningsmaskin som sprider, konsoliderar och slätar ut betongen i en enda kontinuerlig operation. I båda fallen placeras en halksäker struktur på den färska betongplattan genom att manuellt eller mekaniskt rista ytan med en borste eller ett grovt material som t.ex. säckväv. Sidofogar finns ungefär var 5:e meter (15 fot) för att förhindra att beläggningen spricker. Dessa läggs antingen till i formarna innan betongen gjuts eller skärs ut efter att en glidformad platta har härdat. Ett flexibelt tätningsmedel används för att täta fogen.

Kvalitetskontroll

Design och konstruktion av en bro måste uppfylla standarder som utvecklats av flera organ, bland annat American Association of State Highway and Transportation Officials, American Society for Testing and Materials och American Concrete Institute. Olika material (t.ex. betongpartier) och strukturella komponenter (t.ex. balkar och anslutningar) testas när byggandet fortskrider. Som ytterligare exempel kan nämnas att i Albuquerque-broprojektet utfördes statiska och dynamiska hållfasthetstester på ett prov på ett kolonnfundament som konstruerades på platsen och på två av produktionsschakten.

Framtiden

Enormt många statliga myndigheter och industriföreningar sponsrar och bedriver forskning för att förbättra material och byggtekniker. Ett viktigt mål är att utveckla lättare, starkare och mer hållbara material, t.ex. omformulerad högpresterande betong, fiberförstärkta polymerkompositmaterial som ersätter betong för vissa komponenter, epoxibeläggningar och elektrokemiska skyddssystem för att förhindra korrosion av armeringsstänger av stål, alternativa syntetiska armeringsfibrer samt snabbare och mer exakta provningstekniker.

Hur man kan lära sig mer

Böcker

Brown, David J. Bridges. New York: Macmillan, 1993.

Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie och B. Haber. ”Bridge”. I McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. New York: McGraw-Hill Book Company, 1987, s. 49-58.

Troitsky, M.S. Planning and Design of Bridges. New York: John Wiley & Sons, Inc. 1994.

Andra

”Allmän information om betongbeläggning”. American Concrete Pavement Association. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (24 feb. 1998).

”Beam Bridge”. Nova Online ”Super Bridge”. November 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24 februari 1998).

-Loretta Hall