徐艳玲

(北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

引言

近年来，随着城市化进程的快速发展，区域规划调整，许多既有结构被赋予新的功能需求，面临结构功能提升改造的情况。在既有结构改造工程中，既要充分考虑原结构的受力情况，还需兼顾项目周边的环境因素，选择施工方便、对现况交通和环境影响较小的方案。

本文以某隧道改造工程为例，对原隧道中间敞口段进行封闭改造，在设计方案研究中结合项目特点探寻混凝土梁、钢箱梁和钢混组合梁的适用性。

1 工程概况

某道路位于城市核心区，原设计为城市主干路，主路双向六车道，采用下穿隧道的方式布设，辅路为双向四车道、非机动车道及人行道，分别设置于主路两侧的地面。下穿隧道全长1.84km，考虑通风及采光需求，其间设置三处敞口段，分别长44m、47m 和 70m。随着城市的发展，道路两侧的地块相继开发，需要将道路及周边场地联合起来修建城市广场，需对隧道的70m宽敞口段进行封闭改造，且改造后结构要预留设置景观泰山石的条件。

隧道敞口段原设计为 U 型槽结构，高15.2m，两侧墙间距 32.6m，底板和侧墙厚1.8m，地面辅路布置在侧墙顶8.0m 长双悬臂平台上。为减少改造结构对U 槽侧墙受力的影响，封闭结构的主梁支点拟设置在U 槽侧墙上，主梁跨度约为35m。原结构横断面布置见图1。

图1 道路改造段横断面(单位：cm)Fig.1 Cross section of road reconstruction (unit：cm)

2 工程设计难点

2.1 设计荷载

城市广场地处城市核心区，属于人流密集场所，人群荷载按5kPa 计算；考虑改建广场有植草、排水等需求，封闭结构的梁顶需预留0.8m 高度覆土，该广场荷载远大于常规按城-A 荷载[1]设计的桥梁，对主梁的承载力要求更高。以宽3.2m、长35m 主梁为例，计算一片梁上按广场荷载和按城-A 荷载设计桥梁的外荷载，对比见表1。

表1 广场荷载与城-A 桥梁荷载对比Tab.1 Comparison of plaza load and city-A bridge load

此外，根据广场景观设计方案，封闭结构还需预留设置景观泰山石的条件，泰山石自重300t～1000t，位于封闭结构主梁的跨中位置，也正是主梁受力最不利荷载位置，对主梁的设计提出更高的要求。

2.2 舒适度标准

隧道敞口封闭后地面将改建为广场，根据对单人行走的动力特性研究，人以普通速度行走时，步频在 1.6Hz～ 2.4Hz 之间[2]，为了避免结构振动的固有频率与步行频率接近而产生共振，引起行人感到不适，我国《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ69-95)[3]中规定“天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz”。本次广场设计也采用相同的舒适度标准，即封闭结构主梁的自振频率需大于3Hz。

对简支梁而言，梁的自振频率和推导出以挠度表达的计算公式如式(1)所示。

式中：l为梁的计算跨径；EIc为梁的刚度；mc为均布质量；g为重力加速度；Δst为简支梁在均布荷载下的跨中挠度，Δst＝5pl4/(384EIc)。

按规范[3]要求f≥3Hz，则Δst≤0.035m，即不论桥的跨度多大，其最大挠度不超过0.035m，这对于跨度大的桥梁显然要求过高[4]。以35m 跨径简支梁为例，《公路钢结构设计规范》(JTG D64- 2015)[5]允许最大竖向挠度为l/500＝0.07m，远大于舒适度标准中为满足结构自振频率时的结构变形。

2.3 结构布置

封闭结构竖向位于地面广场和下穿隧道的主路之间，上面城市广场的场平标高受两侧相邻地块的高程控制，设计为43.30m，考虑广场铺装、排水及植草的需求，梁顶距离广场地面需预留0.8m 空间，梁顶最高点高程为42.50m；下穿道路的通行净空不能压缩，梁底最低应与两侧隧道内顶齐平，高程为39.79m～39.91m，据此确定主梁的最大梁高为2.6m。改造段结构立面布置见图2。

2.4 现场条件

现况道路下方并行有在运营的地铁盾构区间，封闭结构作为新增荷载施加于地铁结构上，主梁的设计方案在保证上部承载力的同时需对下方地铁结构影响最小。

图2 改造段立面示意Fig.2 Elevation signature of road reconstruction

改造工程位于城市核心区，区位重要性程度高；现况道路是城市主干道，交通繁忙，改造工程需最大限度减小现场施工范围，缩短工期，降低对现况交通的影响。

2.5 小结

根据前述分析，改造方案主梁设计时首先应满足广场及景石荷载的承载力需求，主梁自振频率f≥3Hz，梁高h≤2.6m，应选用预制结构，采用工厂预制、现场吊装的施工方案，且尽量减轻结构自重。

3 改造方案研究

目前，业内使用的预制梁型有预制预应力混凝土梁、钢箱梁和钢混组合梁三种，下面对这三种梁型对本工程的适用性进行比较。

3.1 混凝土梁方案

混凝土梁具有结构刚度大、造价低的优点，特别是预制预应力混凝土小箱梁，是目前业内使用最广泛的预制结构，如采用这种梁型，可直接向梁场采购，节约生产工期，节省工程投资。根据部颁标准图，35m 跨径的小箱梁梁高1.8m(断面尺寸见图3a)，经核算主梁的承载力无法满足广场荷载的需求；增大主梁断面如图3b，可满足广场荷载的承载力要求，但结构自振频率过低，易发生共振的情况；再次增大主梁断面如图3c，可满足广场荷载的承载力及自振频率的要求，该结构吊装重量约为280t，自重过大，运输、安装困难，且对下方既有隧道结构和地铁区间结构的影响较大。在不计景石荷载的情况下，预制混凝土梁难以满足使用需求，故不予采用。

图3 预制预应力混凝土箱梁断面示意(单位：cm)Fig.3 Prefabricated prestressed concrete box girder section(unit：cm)

3.2 钢箱梁方案

钢结构具有承载能力大、结构刚度好的特点。随着我国钢材产量、品质的不断提升，钢板焊接技术的不断发展，这种均质、具有良好延展性和可塑性的材料在桥梁工程中的应用日益广泛。

考虑桥面种植、排水需求，钢箱梁顶面需设置10cm 混凝土隔离层，钢箱梁的最大梁高为2.5m，初拟主梁断面尺寸如图4所示，分析景石荷载对主梁受力状态和自振频率的影响。

图4 初拟钢箱梁断面(单位：mm)Fig.4 Preliminary design of steel box girder section(unit：mm)

计算结果如图5所示，景石荷载 0～1000t，主梁跨中底板最大拉应力124MPa，满足规范[5]要求，竖向承载力不控制主梁设计；随着景石荷载的增加，结构自振频率下降，不计景石荷载，仅广场荷载作用下，结构自振频率为3.17Hz，当景石荷载增加到300t 时，结构自振频率降低至2.75Hz，已不满足使用需求[3]，结合式(1)分析，在跨径、截面刚度一定的情况下，主梁均布质量增加，结构自振频率相应下降。因此，由于景石荷载的增加，对桥梁自振频率削弱较大，结构的自振频率成为本次主梁设计的主要控制因素。

图5 景石重量对主梁受力的影响Fig.5 Effect of special load on main beam force

根据不同景石荷载设计钢箱梁情况见表2。在不考虑景石荷载的情况下，满足承载力和结构自振频率的主梁用钢量为605kg/m2；随着景石荷载的增加，增大主梁顶、底板、腹板厚度，当景石荷载大于400t 时，现材料情况下，结构自振频率无法满足使用需求。当景石荷载为300t 时，主梁底板需设计为30mm 厚度，根据以往的工程经验，当钢板厚度超过30mm 时，需考虑板材的Z向效应，结构受力复杂，且材料加工、采购难度大，也不建议采用。因此，主梁上如需设置景石，景石重量不应超过300t，此时主梁断面尺寸见图6，主梁设计用钢量为835 kg/m2，工程投资为8350 元/m2，相比较不计景石荷载的情况，增加工程投资38%。

表2 不同景石荷载对应主梁设计参数及计算结果Tab.2 Design parameters and calculation results of girders under different loads

图6 300t 景石荷载设计钢箱梁断面(单位：mm)Fig.6 Section of 300t load steel box girder(unit：mm)

钢箱梁采用工厂预制、现场吊装的施工方案，节段吊装重量95t，采用两台普通吊车即可完成，施工便捷，预计工期3 个半月。

原侧墙顶部设置8m 宽双悬臂辅路，内悬3.65m，不平衡的辅路荷载引起侧墙内弯从而在侧墙根部底板产生较大的附加弯矩。本次设计将新增钢箱梁支座调整至侧墙中心位置，消除侧墙附加弯矩，改善了底板的受力状态。新增封闭结构后，相比较原结构增加基底应力80kPa，最大应力达到320kPa，小于考虑深度修正后地基承载力560kPa(土层为中亚粘土)，满足结构使用需求。

3.3 钢混组合梁方案

钢混组合梁将混凝土材料作为简支梁的桥面板，可充分发挥其抗压的材料性能，在受拉区采用钢结构，在充分发挥材料抗拉性能的同时避免了钢结构抗压稳定的问题。其用钢量比纯钢梁少，结构自重比混凝土梁轻，采用预制拼装钢梁、现场施做混凝土桥面板的施工方法，兼顾了工程的经济性和施工的便捷性。

以图4钢箱梁截面为例，将钢结构顶板修改为厚25cm 的混凝土桥面板，比较相同钢结构布置和板厚的情况下，钢箱梁和钢混组合梁的使用性能见表3。可见，两种梁型的自振频率基本接近，钢箱梁的承载力优于钢混组合梁，工程投资增加25%。

表3 钢箱梁和钢混组合梁使用性能比较Tab.3 Performance comparison of steel box girder and steel-concrete composite girder

根据不同景石荷载设计钢混组合梁情况见表4。同钢箱梁的情况一样，景石荷载的重量不应超过300t，设计主梁断面见图7，工程投资为6420 元/m2，相比较不计景石荷载的情况，增加工程投资32%。

表4 不同景石荷载对应主梁设计参数及计算结果Tab.4 Design parameters and calculation results of girders under different loads

图7 300t 景石荷载设计钢混组合梁断面(单位：mm)Fig.7 Section of 300t load steel-concrete composite beam (unit：mm)

钢混组合梁中钢结构采用工厂预制、现场吊装的施工方案，由于是开口截面，没有顶板，节段吊装重量仅为68t，较纯钢梁更轻，施工更加便捷；但现场需绑扎钢筋，浇筑混凝土桥面板，相比较纯钢梁方案需增加工期一个月。

封闭后结构的基底应力为330kPa，相比较纯钢梁方案基底应力增大10MPa，同样满足基底土层的承载力需求。

4 结论

1.随着主梁跨径的增大，结构自振频率下降明显，特别是景石荷载作为外荷载的加入，更加削弱了主梁的自振频率。因此，在本次改造工程中，结构的自振频率成为主梁设计的主要控制因素。

2.预制混凝土梁自重过大，导致运输、安装难度大、对下部结构影响大的问题，不适合本工程。

3.相同截面布置和板厚的情况下，纯钢梁的承载能力优于钢混组合梁，两者基频相当，纯钢梁施工便捷、工期短，在工程投资允许的情况下推荐采用；钢混组合梁造价低，适用于工期允许、工程投资有限的情况。