1 工程概况
随着城镇化建设的不断推进，现有城市道路已不能满足日益增长的交通需求，为缓解建成区交通压力，需对既有道路进行拓宽改造。道路拓宽受制因素较多，比如：现状桥梁的结构形式、地下管线情况、周边构筑物、地块开发、远期规划、周边地坪高差、老桥的承载能力、桥面车道再划分、过桥管线、引坡交叉口衔接，建筑与城市景观等。跨航道桥梁的拓宽成为城市道路拓宽改造的关键节点。
狮山桥位于京杭运河苏州城区段，西接狮山路东接三香路，是连接苏州高新区与姑苏区的东西向重要桥梁。现状桥梁 1988 年建成，双向四车道规模越来越难以满足日益增长的交通需求，急需消除交通瓶颈提升为双向六车道，同时优化交叉口和地块出入交通组织，以提高通行能力。
现状桥梁为（45+70+45）m，变截面预应力混凝土连续梁桥，桥梁全宽 24.6 m，其中车行道宽 18 m，两侧各 3.3 m 人行道。
图 1、图 2 分别为桥梁改造前的鸟瞰图与横断面图。图 3、图 4 分别为桥梁拓宽改造后的鸟瞰图与横断面图。
图 1 桥梁改造前鸟瞰图
图 2 桥梁改造前横断面图（单位：cm）
图 3 桥梁拓宽改造后鸟瞰图
图 4 桥梁拓宽改造后横断面图（单位：cm）
2 现状桥梁安全性评估
现状桥梁箱梁全宽 23.4 m，按照改造后双向六车道复核老桥承载力能力。图 5 为改造后车道布置图。
图 5 改造后车道布置图（单位：cm）
按照老桥施工步骤：“主墩施工、0 号块施工—拼装挂篮逐段对称悬臂浇筑—边孔合拢—主跨合拢—桥面铺装、护栏施工”，对各施工阶段进行模拟。并模拟混凝土收缩徐变、温度梯度等非线性影响。经计算，老桥人非改为车行道后，能够满足现行规范要求，足见老一辈工程师的前瞻性。
3 拓宽桥梁的受制因素
狮山路为姑苏区与高新区沟通的东西向主干道，交通繁忙，在桥梁改建过程中不能中断现状机动车、非机动车和行人的交通，且施工期间不能压缩车道。同时，该段运河属于航道特殊航段，桥梁施工期间不得压缩运河航道，桥梁施工不能影响繁忙航道的运输船只。
老桥 1988 年建成，老桥航道净空：B=50 m，H=7 m，b=35，h=3.5 m，最高通航水位 2.4 m。现场实际测量老桥 20 多年来整体沉降 0.6 m。
运河“四改三”等级提升，拓宽桥梁需满足三级航道的标准，航道净空 B=70 m，H=7 m，最高通航水位 2.4 m。
由于桥梁距离两岸交叉口特别近，新老桥面必须在统一的一个道路横断面上，新老桥梁桥面平齐。
综合考虑，老桥改造为机动车桥，在两侧新建人行和非机动车桥梁，新老桥结构独立紧挨着布置。新老桥之间设置机非分隔带，新建桥梁满足 4 m非机动车道 + 3 m 人行道的要求，新建桥梁一跨过河。
航道批复要求桥梁一跨过河，主跨不得小于80 m，通过现场实际测量的数据推算，新建桥梁的桥面与梁底的高差只有 1.885 m。对于 80 m 跨径的桥梁来说，建筑高度只能 1.8 m，高跨比约 1/44，显然常规连续梁桥是不能满足结构受力和刚度要求。
4 桥梁方案的选择
基于以上限制条件，提出四种可行桥型方案进行比选，即：槽型梁桥、系杆拱桥、钢桁架桥、斜拉桥（见图 6～图 9）。
狮山桥位于苏州高新区金融聚集区域，桥梁的改造需要与周边商业建筑、大运河风光带景观相融合，桥梁满足结构承载能力的同时必须兼顾桥与周围环境的协调。狮山桥两岸高楼林立，建筑密度大，建筑高度高。系杆拱桥、钢桁架桥和斜拉桥等下承式桥梁，桥面以上都有凸起的组合结构，与周边高楼格格不入，有喧宾夺主的嫌疑，不符合美学设计原则。最终选择与老桥基本一致的槽形连续梁桥。槽形梁桥避免出现高耸构筑物影响城市整体景观。槽型梁结构轻盈，新老桥梁外形相似比例协调，两侧槽型梁兼作栏杆，造型简约大方,槽型梁桥新老桥浑然一体融入周边环境、施工方便、工期短、造价低, 与其他方案比较有明显优势。
图 6 槽型梁桥方案效果图
图 7 系杆拱桥方案效果图
图 8 钢桁架桥方案效果图
图 9 斜拉桥方案效果图
结合桥梁横断面形式，路灯布设在钢防撞隔离栏上，保证桥面整体照明照度、均匀度。桥下安装轮廓灯、投光灯辅助标志牌醒目。夜幕中栏杆灯温婉，桥梁轮廓柔和静美，夜航船舶运行安全（见图 10）。
5 桥梁设计
受航道标准、老桥沉降、现状纵坡等限制，新建的拓宽桥梁选用结构新颖的钢结构槽型梁结构，下部结构选用双柱式墩。选择不同的梁高，进行对比分析，确定合理梁高，以满足安全、经济指标，计算结果如表 1 所列。
图 10 拓宽桥横断面效果图
表 1 不同梁高计算结果比选表
造型轻薄的槽型连续梁 （41.5+80+41.5）m 跨径组合，全宽 8.6 m，梁高 2.4 m 时，高跨比：1/33.3,刚度偏低，自振频率为 1.26 Hz，远小于规范要求值，行走时很不舒适，通过增加阻尼器改善的难度很大,在设计荷载作用下，钢板最大应力为205 MPa，超过了钢桥应力的控制值，用钢量将大幅增加。梁高 3 m 时，高跨比：1/26.6, 刚度适当，自振频率为 1.6 Hz，可通过增加阻尼器改善行人过桥的舒适度,考虑厚钢板现场对接焊缝的质量、桥梁施工车辆和设备的荷载、桥梁运营期间偶然重车的误入、临时分流机动车等等情况，需留有必要的安全储备。
槽型的两片主梁中心间距 7.8 m，宽度 80 cm,跨中梁高 3.0 m，中墩处局部梁高 4.0 m，顶板厚度80 mm，腹板厚度 12 mm，每隔 2.5 m 设置一道横隔板，横隔板中央开洞，预留管线通道。
图 11、图 12 分别为中支点处、桥台处桥梁横断面图。
图 11 中支点处桥梁横断面图（单位：cm）
图 12 桥台处桥梁横断面图（单位：cm）
6 桥梁结构计算
应用有限元软件 Midas/Civil 2019 建立全桥整体模型, 考虑土 - 下部结构 - 上部结构的协同作用。钢箱梁采用板单元模拟，共计 1 871 个板单元，桥墩和桩基采用梁单元模拟共计 1 280 个梁单元。
图 13 为整桥有限元模型，图 14 为整桥钢箱梁应力图，图 15 为活载作用下钢结构变形值图。
图 13 整桥有限元模型
图 14 整桥钢箱梁应力图（单位：MPa）
图 15 活载作用下钢结构变形值图(单位 ：cm )
钢板最大应力为 104.6 MPa＜250 MPa。由上可知，钢板应力均满足规范要求。
活载单独作用时最大挠度 4.1 cm＜L/500=16（cm）。桥梁挠度满足规范要求。
7 梁体自振频率
考虑自重 + 二期荷载 +0.5 人群荷载 +0.5 非机动车荷载作用，并将荷载转化为质量，分析得到结构的动力特性如表 2 所列。
表 2 结构各阶模态频率一览表
由上述模态分析结果可以看出，第 1 阶振型为整体竖向弯曲振型，且频率小于 3 Hz，应进行人行激励下的减振设计；第 3 阶振型为横向（Y 向）弯曲振型对水平人行荷载敏感，也需进行验证分析。
8 应用 TMD 阻尼器分析行人舒适度
在主跨跨中位置设置 TMD 阻尼器，总质量 12 t，共计 16 个 TMD，其中 12 个控制竖向振动，4 个控制横向振动，其最优调频比为 0.986 0，TMD 频率为 1.495 7 Hz。TMD 阻尼比取为 0.101 5。实际取TMD 参数如表 3 所列。
表 3 TMD 设计参数表
结合该桥功能定位分别选择竖向人行激励、水平人行激励进行时程分析，分别得到跨中节点处的结构竖向位移和加速度，无控和 TMD 控制下的结构响应对比如表 4 所列。
表 4 竖向人行激励下跨中处节点 TMD 响应一览表
人行桥结构的第 1 阶振型以竖向振动为主，若不采取减振措施时，人行激励导致结构振动过大，最大加速度可达 93.84 cm/s2，采用 TMD 进行减振，可以大幅减小桥梁在人行激励下的竖向振动加速度，对桥梁共振响应的减振效果约为 90%。在水平共振人行激励下，桥梁跨中处的水平位移约为 0.23 cm，水平加速度约为 28.8 cm/s2。可通过在人非桥与主桥间设置缓冲垫减振。
桥梁建成后对桥梁结构进行复测，与理论计算值接近。该计算方法可以用于工程实践。
9 拓宽桥梁施工
新建桥梁施工工期 5 个月，京杭运河航道繁忙，在跨航道施工过程中，确保施工阶段安全及通航安全是该工程施工控制重点。施工阶段及成桥线型控制、应力状态控制、节段焊接质量控制等是该工程施工难度。施工阶段到成桥涉及多个体系转换，通过施工阶段分析，确保主体结构安全及临时结构安全，是该工程施工难点。
根据该桥梁工程结构特点和现场通航条件较好的有利因素，槽形箱梁在厂内分节段制作完成后，通过船运至现场，两侧边搭设钢管支架，岸上采用履带吊从船上取梁直接吊装，水中采用 600 t浮吊悬拼安装的施工工艺。
根据现场施工条件，采用先边跨后中跨的安装顺序。
（1）岸上搭设支架。
（2）边跨钢箱梁厂内加工，船运至现场。
（3）履带吊从船上取梁，安装边跨钢箱梁节段。
（4）中跨大节段厂内制作完成后船运至现场。
（5）采用 600 t 浮吊整体吊装中跨段合龙。
图 16 为合拢段钢箱梁吊装之实景，图 17 为成桥后整桥之实景。
图 16 合拢段钢箱梁吊装之实景
图 17 成桥后整桥之实景
10 结 语
本文以上跨京杭运河的狮山桥拓宽改造工程为背景，分析桥梁拓宽改造的受制因素、桥型方案、桥梁结构、结构计算、桥梁施工等，并对人行桥的舒适性评价作了比较和研究，为上跨航道桥梁的拓宽改造提供一种思路。城市桥梁多为梁式桥，拓宽桥梁结构形式宜与老桥桥型一致，建成后整体协调美观，不突兀。在梁高受限的条件下，可以选择槽型梁。槽型梁以独特的双主梁结构可有效降低桥面与梁底高差，两侧高出部分可作为栏杆设施。
摘自：城市道桥与防洪