高宗余：設(shè)計(jì)世界一流大橋

文|本刊記者 周 琳

高宗余：設(shè)計(jì)世界一流大橋

文|本刊記者 周 琳

作為中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司總工程師，高宗余常說(shuō)自己的人生就是由二十幾座橋梁連接起來(lái)的。

上海市與江蘇省南通市是兩座公路里程相距近130公里的城市。在規(guī)劃藍(lán)圖上，這兩座城市將被一座跨度為1092米的公鐵兩用斜拉橋連通。這座被稱為滬通鐵路長(zhǎng)江大橋的斜拉橋，建成后將是當(dāng)今世界上跨度最大的公鐵兩用斜拉橋。大橋從2003年規(guī)劃到2014年破土動(dòng)工，計(jì)劃到2019年建成。屆時(shí)，上海和南通兩市的車程將縮減為1小時(shí)。

用整整15年時(shí)間孕育這座大橋的人叫高宗余，他是中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司總工程師。他說(shuō)，自己的人生就是由二十幾座橋梁連接起來(lái)的。

跨度決定難度

“橋梁建設(shè)20世紀(jì)70年代以前看歐美，90年代看日本，21世紀(jì)看中國(guó)?！边@是在橋梁建設(shè)行業(yè)流行的一句話?，F(xiàn)代建橋看中國(guó)，不僅指中國(guó)建橋數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)，而且在質(zhì)的指標(biāo)上，衡量橋梁技術(shù)水平和建設(shè)能力的標(biāo)志是看橋梁的主跨長(zhǎng)度?？鐝皆酱螅夹g(shù)難度也就越大。另外一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是創(chuàng)新。

在2012武漢國(guó)際橋梁科技論壇上，高宗余難以抑制激動(dòng)的心情，對(duì)外發(fā)布了一條喜訊：滬通鐵路長(zhǎng)江大橋?qū)⒉捎弥骺邕_(dá)1092米的公鐵兩用斜拉橋方案，這將兩倍超過(guò)剛剛刷新跨度世界紀(jì)錄的武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋，成為世界上首座超過(guò)千米跨度的公鐵兩用橋梁。

作為滬通鐵路全線的控制性工程，滬通長(zhǎng)江大橋主塔高達(dá)325米，為世界上最高公鐵兩用斜拉橋主塔；主航道橋主跨1092米，是目前世界上最大跨度公鐵兩用斜拉橋；大橋工程所用鋼筋約48萬(wàn)噸，相當(dāng)于12個(gè)“鳥巢”所用鋼材；混凝土230萬(wàn)立方米，相當(dāng)于8個(gè)國(guó)家大劇院的用量。大橋建成后能抵御14級(jí)臺(tái)風(fēng)、8級(jí)地震、10萬(wàn)噸級(jí)船舶的撞擊。大橋的兩個(gè)主塔橋墩建設(shè)，也就是28號(hào)橋墩和29號(hào)橋墩，是整個(gè)大橋建設(shè)工程的重要節(jié)點(diǎn)性工程。29號(hào)鋼沉井共有56米高，總重量超過(guò)了15000噸，比28號(hào)鋼沉井重500噸，再次刷新世界最大鋼沉井紀(jì)錄。

高宗余總工程師在大橋建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)勘察

因?yàn)榇髽虻墓こ桃?guī)模之大，施工難度之大，創(chuàng)造了世界橋梁和中國(guó)橋梁建設(shè)的多個(gè)之最，代表著當(dāng)前中國(guó)乃至世界橋梁建設(shè)的最高水平。

從2003年起的十余年間，高宗余就開始為滬通鐵路長(zhǎng)江大橋的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，勘察選址，頻繁往返武漢與南通、上海。

“光是橋位，先后就考察了十多個(gè)，重點(diǎn)研究了五個(gè)橋位，這個(gè)實(shí)際上是最難的事情?！备咦谟嗾f(shuō)：“橋修在哪里太關(guān)鍵了，要保障長(zhǎng)江航道暢通，要考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、水文特點(diǎn)，具備防洪功能，要考慮公路鐵路的接洽點(diǎn)和周圍的建設(shè)拆遷用地，越是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)制約因素越多。從經(jīng)濟(jì)效益上說(shuō)，這座大橋集滬通鐵路、城際鐵路、高速公路‘三位一體’，如果三條線分開修的話，估計(jì)要多花100個(gè)億。”

面對(duì)如此多的挑戰(zhàn)，高宗余看起來(lái)總是那么淡定。提起高宗余，院里每個(gè)人也都豎起大拇指，一張圖紙交到他手上，他一眼就能看出哪里不對(duì)。高宗余說(shuō)：“科學(xué)家可以試錯(cuò)，工程師絕不允許失敗，所有工程建設(shè)的底線就是質(zhì)量和安全。”中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司第一設(shè)計(jì)院院長(zhǎng)劉漢順說(shuō)：“這么多年來(lái)，無(wú)論工程大小，他（高宗余）給人的感覺(jué)都是胸有成竹?！?/p>

扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度成就了高宗余。身為“中國(guó)工程設(shè)計(jì)大師”，他不僅是中國(guó)首批設(shè)計(jì)跨越長(zhǎng)江黃河高速鐵路大橋的技術(shù)負(fù)責(zé)人，也是杭州灣大橋和東海大橋的主要設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人之一，更是“公鐵兩用特大型橋梁”設(shè)計(jì)的行家里手。

2014年初，由高宗余自主創(chuàng)新的“三索面三主桁公鐵兩用斜拉橋建造技術(shù)”項(xiàng)目獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

在質(zhì)疑聲中堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新

“三索面三主桁公鐵兩用斜拉橋建造技術(shù)”的創(chuàng)新，最早是用在武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋上，那曾是高宗余橋梁生命中的一座里程碑。

所謂公鐵兩用大橋通常就是“上面跑汽車，下面跑火車”，這種結(jié)構(gòu)的難度遠(yuǎn)大于普通的公路橋?！耙涣谢疖嚨闹亓肯喈?dāng)于八車道的公路。”武漢天興洲大橋從開始時(shí)的一條雙線鐵路逐漸變成三線鐵道，直到最后確定為四線鐵路，其中還有一條雙線高鐵?！八木€鐵路加上六車道公路，總體重量便相當(dāng)于34車道公路。”

高宗余說(shuō)，天興洲大橋成功的秘訣在于創(chuàng)新，而創(chuàng)新之路從來(lái)都飽受爭(zhēng)議。

天興洲大橋是當(dāng)時(shí)世界跨度第一的公鐵兩用斜拉橋，也是全世界第一座通行四線鐵路的公鐵兩用橋梁，而且通行有高速鐵路，也是中國(guó)高速鐵路第一次跨越長(zhǎng)江。

荷載劇增，傳統(tǒng)的兩面拉索橋若要達(dá)到承重要求，必須整體抬高橋梁，加大桿件尺寸，從而造成工程量劇增。能否找到一種新的解決方案？

高宗余和團(tuán)隊(duì)提出“三索面三主桁”方案：在大橋中部增加一面斜拉索，同時(shí)增加一個(gè)主桁，主桁改成橫臥著的“日”字型。增加一個(gè)承力面，也可以提高橋梁剛度，有利于高速鐵路列車運(yùn)行。

方案剛一提出，就有專家表示質(zhì)疑，原因是：該方案在世界上沒(méi)有先例；增加一面斜拉索后，大橋結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，計(jì)算分析困難；懸臂安裝時(shí)對(duì)接點(diǎn)多，施工架設(shè)難度大，面臨較大風(fēng)險(xiǎn)。

張家界大峽谷玻璃橋—世界最大跨度玻璃橋

新方案是否可行，關(guān)鍵是要摸清大橋新增一面斜拉索后結(jié)構(gòu)受力變化。

設(shè)計(jì)組攻克的第一個(gè)難關(guān)，是大橋受力分析和計(jì)算。天興洲大橋雙層橋面跑車，跑的是汽車、貨運(yùn)列車、高鐵動(dòng)車組三種車型，為此，高宗余和團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了3D橋梁設(shè)計(jì)軟件（3Dbrdige），針對(duì)天興洲大橋進(jìn)行全過(guò)程空間仿真分析計(jì)算。設(shè)計(jì)組耗費(fèi)半年反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算，得出一個(gè)出乎意料的結(jié)論：中間桁受力，跟兩邊桁大致相同，差別最大不超過(guò)10%。這一結(jié)論顛覆了很多人的慣性思維，有力支持了“三索面三主桁”方案。

三片主桁施工難度很大，懸臂安裝對(duì)接點(diǎn)多，有專家擔(dān)心，即使設(shè)計(jì)從理論上過(guò)關(guān)了，但實(shí)踐中卻安裝不上去。為此，高宗余和團(tuán)隊(duì)又夜以繼日地尋找解決辦法，最終把目標(biāo)聚焦在架梁吊機(jī)上—專門研制700噸荷載自動(dòng)控制架梁吊機(jī)，實(shí)現(xiàn)桁段架設(shè)中的多點(diǎn)起吊和精確對(duì)位。

與傳統(tǒng)的雙索面結(jié)構(gòu)相比，“三索面三主桁橋梁結(jié)構(gòu)”方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行，節(jié)省用鋼3330噸，鐵路和公路橋面高度降低1米，兩岸引橋也可相應(yīng)降低高度、縮短長(zhǎng)度，節(jié)省工程造價(jià)1.1億多元。

高宗余說(shuō)，否定的聲音、質(zhì)疑的聲音是他聽(tīng)過(guò)最多的聲音。但所謂創(chuàng)新就是在克服困難的過(guò)程中產(chǎn)生的，“創(chuàng)新就是為了滿足工程需求，不是為了標(biāo)新立異而創(chuàng)新”。

武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋

自主創(chuàng)新是使命

高宗余說(shuō)，創(chuàng)新是永恒的概念，不同的歷史時(shí)期有不同的側(cè)重點(diǎn)?！?0-60年代，目的就是建成學(xué)會(huì)，當(dāng)時(shí)建設(shè)萬(wàn)里長(zhǎng)江第一橋的武漢長(zhǎng)江大橋，請(qǐng)的蘇聯(lián)專家，毛澤東主席親自視察了三次，每次都問(wèn)中方技術(shù)人員：‘看懂了嗎？學(xué)會(huì)了嗎？’現(xiàn)如今，中國(guó)的橋梁技術(shù)突飛猛進(jìn)，在安全、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上，更加注重耐久性、低碳綠色環(huán)保、信息化智能化。”

在中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院，高宗余20世紀(jì)90年代初研發(fā)的“斜拉結(jié)構(gòu)軟件系統(tǒng)”一直沿用至今，但卻不斷改進(jìn)，“以前只能計(jì)算小橋，現(xiàn)在可以計(jì)算大橋；以前做化簡(jiǎn)計(jì)算，現(xiàn)在可以做詳細(xì)計(jì)算；以前只能做靜力，現(xiàn)在可以做動(dòng)力?！?/p>

1998年，高宗余設(shè)計(jì)的福州市青州閩江大橋，主跨達(dá)605米的結(jié)合梁斜拉橋，在同類橋梁中居世界第一。高宗余帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)花1年時(shí)間設(shè)計(jì)出新計(jì)算軟件。由此獲得的高精度計(jì)算，為青州大橋節(jié)省鋼材20%，節(jié)省資金3000多萬(wàn)元。

2001年，高宗余設(shè)計(jì)中國(guó)首座跨海大橋—東海大橋時(shí)碰到一個(gè)新難題：海水對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有腐蝕性，一年中有180天刮著6級(jí)以上大風(fēng)。他大膽設(shè)想將兩橋墩間70米跨度的混凝土箱梁，全部在陸地上工廠化整體預(yù)制。完成每片重達(dá)2000噸的巨梁后，再由專用船舶直接運(yùn)到海上拼裝。不僅推出了橋梁建設(shè)的“預(yù)制、整體、工廠”概念，還大大提高了建橋效率。全長(zhǎng)32.5公里的東海大橋，不到4年就完工，讓國(guó)內(nèi)同行嘆服。

新世紀(jì)，隨著中國(guó)高鐵的迅猛發(fā)展，高宗余又將精力投放到時(shí)速超過(guò)200公里的高鐵大跨度橋梁上。京廣高鐵上的武漢天興洲大橋和鄭州黃河公鐵兩用特大橋就是高宗余主持設(shè)計(jì)的。其中，主跨設(shè)計(jì)504米的天興洲大橋在2010年獲得第27屆國(guó)際橋梁大會(huì)授予的“喬治·理查德森”大獎(jiǎng)。

回溯高宗余的職業(yè)生涯，創(chuàng)新思維帶來(lái)的創(chuàng)新成果數(shù)不勝數(shù)，共獲得國(guó)際國(guó)內(nèi)各種獎(jiǎng)項(xiàng)20余項(xiàng)，包括2項(xiàng)國(guó)際橋梁大會(huì)“喬治·理查德森”獎(jiǎng)，6項(xiàng)國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)、1項(xiàng)國(guó)家優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)金獎(jiǎng)和第十屆詹天佑鐵道科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)大獎(jiǎng)；發(fā)明專利12項(xiàng)；發(fā)表論文30余篇；已建成主要作品24項(xiàng)，最遠(yuǎn)的是北非摩洛哥的穆罕默德六世大橋。

1964年出生的高宗余說(shuō)自己退休前的心愿，一是建設(shè)中國(guó)三大海峽（瓊州、渤海和臺(tái)灣海峽）跨海大橋；二是讓中國(guó)的橋梁走向世界，積極地參與“一帶一路”建設(shè)，在設(shè)計(jì)、施工、制造、研發(fā)、咨詢等各領(lǐng)域與歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)。