中國(guó)高鐵進(jìn)入跨海時(shí)代！

文：王謙 劉新紅 張啟山

8月6日,隨著中跨合龍段最后一榀鋼箱梁安裝完成，福（州)廈(門(mén))高鐵泉州灣跨海大橋成功合龍。這座由中國(guó)鐵建鐵四院橋梁院（以下簡(jiǎn)稱“鐵四院橋梁院”）設(shè)計(jì)的世界首座高鐵跨海大橋不僅標(biāo)志著福廈高鐵向2022年通車目標(biāo)又邁進(jìn)一步，更成為世界橋梁領(lǐng)域的里程碑工程。

泉州灣跨海大橋全長(zhǎng) 20.29 公里，有 9 公里跨越泉州灣中部海域，是中國(guó)首座行車時(shí)速超過(guò) 300 公里的跨海大跨斜拉橋。值得一提的是，這條大橋建成后將成為世界第四長(zhǎng)跨海大橋。

該橋總設(shè)計(jì)師——鐵四院橋梁院總工程師嚴(yán)愛(ài)國(guó)已設(shè)計(jì)的高鐵橋梁總計(jì)里程超過(guò)800 公里，見(jiàn)證了中國(guó)高鐵從內(nèi)陸江河跨向海洋，高鐵橋通行速度不斷躍升、跨度不斷提高、長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)的全過(guò)程。

On August 6, with the completion of the last section of the steel box girder in the midspan, two halves of the Quanzhou Bay Cross-sea Bridge of the Fuzhou-Xiamen High-speed Railway were joined together. The success in the construction of the world’s first bridge for high-speed trains over a sea body, which was designed by China Railway Siyuan Survey and Design Group,marks another step toward the goal of opening the railway to traffic by 2022. It also becomes a milestone project in the world’s bridge industry.

The bridge, 20.29km long with a cross-sea segment spanning about 9km, is China’s first cross-sea cable-stayed bridge that supports speeds up to over 300km/h. It’s worth mentioning that after completion, it is expected to become the world’s fourth longest cross-sea bridge.

2021年8月6日，我國(guó)首座高鐵跨海大橋——福（州)廈(門(mén))高鐵泉州灣跨海大橋合龍On August 6, 2021, two halves of the Quanzhou Bay cross-sea bridge,China’s first bridge for high-speed trains over a sea body and a part of the Fuzhou-Xiamen highspeed railway, are joined together（東方IC 供圖）

Yan Ai’guo, Chief Engineer of the China Railway Siyuan Survey and Design Group who serves as the bridge’s chief designer, has designed bridges for high-speed railways with a total length exceeding 800km. He witnesses how China’s high-speed trains run “from inland rivers to seas” on bridges with longer spans and lengths,allowing higher speeds.

突破速度瓶頸，高鐵通過(guò)大跨度橋梁可以不降速

去年底通車的平潭海峽公鐵大橋，在有著“建橋禁區(qū)”的平潭海峽建設(shè)，是中國(guó)首座跨海公鐵兩用橋。但是平潭海峽公鐵大橋能通行的最高速度只有200 公里，而建成后的泉州灣跨海大橋，可以供時(shí)速350 公里的高速列車通行。

這一速度的突破來(lái)自橋梁結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。最早打破這一速度限制的是2019年鐵四院設(shè)計(jì)通車的昌贛高鐵贛州贛江特大橋，350 公里時(shí)速的高鐵列車通過(guò)不用降速。

嚴(yán)愛(ài)國(guó)介紹，在大跨度橋梁通行高速列車，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)剛度、徐變變形、動(dòng)力性能等要求極高。大跨度高鐵橋一般采用斜拉橋，結(jié)構(gòu)變形較大，如何保證跨度又兼顧剛度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，嚴(yán)愛(ài)國(guó)和團(tuán)隊(duì)大膽提出混凝土橋面板與槽形鋼梁組成的鋼混組合梁，破解了難題?！颁摿鹤灾剌p、適應(yīng)大跨度橋梁建設(shè)，混凝土橋面提升了橋梁剛度，兩者的結(jié)合滿足了高鐵列車高速通過(guò)的要求?！?/p>

泉州灣跨海大橋400 米的主跨也借鑒采用了這種鋼混組合梁形式，主梁采用流線箱形結(jié)構(gòu)并附加減少風(fēng)振的措施，避免了異常渦振發(fā)生。

根據(jù)西南交通大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)及相關(guān)研究，泉州灣跨海大橋可抵抗12 級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，渦激振動(dòng)幅度在5 毫米以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)高速列車在海上按350 公里時(shí)速飛馳時(shí)，硬幣穩(wěn)立不倒。

此外，泉州灣跨海大橋引橋采用無(wú)砟軌道，主橋在國(guó)內(nèi)外斜拉橋上首次采用了聚氨酯“固定”道砟，當(dāng)高速列車在海灣強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下高速通過(guò)大橋時(shí)，可以有效避免有砟軌道碎石道砟飛濺危及列車安全。

有砟跑出無(wú)砟的“驚艷”，確保高鐵90 秒即可通過(guò)大橋。每一步看似微小的調(diào)整，都凝聚著團(tuán)隊(duì)的反復(fù)求證，僅確定方案，前后就經(jīng)歷了3年?！皠?chuàng)新背后是大量的計(jì)算和論證?！眹?yán)愛(ài)國(guó)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程漫長(zhǎng)、充滿挑戰(zhàn)，但也充滿成就感。

突破江海限制，高鐵橋從內(nèi)陸江河走向海洋禁區(qū)

為適應(yīng)高鹽高濕的海洋腐蝕大氣環(huán)境，鐵四院聯(lián)合鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院等單位研發(fā)了耐海洋大氣腐蝕鎳系橋梁鋼。這種鋼的表面在海洋環(huán)境下會(huì)自動(dòng)形成美觀且致密的銹層，通過(guò)“以銹制銹”，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效防腐。

針對(duì)強(qiáng)腐蝕海洋大氣環(huán)境，鐵四院又聯(lián)合北京航空材料研究院，創(chuàng)新采用了鋼梁超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系，可實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下30年及以上的超長(zhǎng)壽命耐久目標(biāo)，為目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)防腐壽命最長(zhǎng)的防腐涂裝體系。

嚴(yán)愛(ài)國(guó)介紹，為了解決抗震的問(wèn)題，大橋的引橋在國(guó)內(nèi)鐵路上首次采用無(wú)支座整體式橋梁，減少了后期維養(yǎng)，適應(yīng)了無(wú)砟軌道鋪設(shè)的技術(shù)條件和抗震要求。

一系列技術(shù)的創(chuàng)新，背后體現(xiàn)的是中國(guó)高鐵設(shè)計(jì)建設(shè)能力的不斷提高。這種速度在嚴(yán)愛(ài)國(guó)看來(lái)，也是不可想象。

20年前，嚴(yán)愛(ài)國(guó)接手宜萬(wàn)鐵路宜昌長(zhǎng)江大橋的設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，當(dāng)時(shí)長(zhǎng)江上建成的200 米以上的大跨度鐵路橋梁僅有2 座，且都是鋼結(jié)構(gòu)。他帶領(lǐng)項(xiàng)目組，用2年時(shí)間研究驗(yàn)證出連續(xù)鋼構(gòu)和鋼管混凝土拱組合的新型結(jié)構(gòu)。

宜萬(wàn)鐵路宜昌長(zhǎng)江大橋建成后，漢十高鐵崔家營(yíng)漢江特大橋、廣珠鐵路西江特大橋、商合杭鐵路淮河特大橋等都在此基礎(chǔ)上演化而來(lái)。

從跨江大橋到跨海大橋，高鐵橋早已突破江海阻隔。目前，嚴(yán)愛(ài)國(guó)還負(fù)責(zé)正在設(shè)計(jì)中的甬舟鐵路跨海大橋、深茂鐵路系列大跨度橋梁等。

突破空間約束，高鐵橋梁長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)、跨度越來(lái)越大

“20世紀(jì)90年代我剛工作的時(shí)候，設(shè)計(jì)的鐵路橋梁跨度多為32 米，最大也不超過(guò)100 米，結(jié)構(gòu)多是混凝土結(jié)構(gòu)、少量鋼結(jié)構(gòu)，到如今各種結(jié)構(gòu)形式的橋梁都有?！眹?yán)愛(ài)國(guó)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的高鐵橋最大跨度已超過(guò)1000 米。近年來(lái)中國(guó)高鐵的發(fā)展速度驚人，高鐵橋梁長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)、跨度越來(lái)越大、結(jié)構(gòu)越來(lái)越多樣。

在嚴(yán)愛(ài)國(guó)的印象里，從2008年開(kāi)始，隨著京滬高鐵的開(kāi)工建設(shè)，“八縱八橫”高鐵網(wǎng)的興建讓他和團(tuán)隊(duì)異常繁忙。“團(tuán)隊(duì)有300 多人，每年完成的橋梁施工圖設(shè)計(jì)就有1000 公里。”

山區(qū)高鐵橋的身影也越來(lái)越多?！吧絽^(qū)鐵路橋有較多的大跨度拱橋，早期的鐵路拱橋時(shí)速最高只能支撐160 公里，即將通車的張吉懷鐵路芙蓉鎮(zhèn)酉水大橋通行時(shí)速已可達(dá)到300 公里?！眹?yán)愛(ài)國(guó)說(shuō)。

橋梁在高鐵的占比中越來(lái)越大，截至2020年底，中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程增加至3.79萬(wàn)公里，其中橋梁長(zhǎng)度達(dá)1.8 萬(wàn)公里，所占比例達(dá)到近5 成，位居世界第一。

嚴(yán)愛(ài)國(guó)解釋，這是因?yàn)橹袊?guó)幅員遼闊、地形地質(zhì)復(fù)雜，高鐵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，為了節(jié)約土地資源、控制后期沉降、保持線路平順，高鐵多以橋梁通過(guò)?！跋駵伎瓦\(yùn)專線、廣珠城際等項(xiàng)目橋梁占比超過(guò)9 成，近20 座高鐵橋梁，占線路長(zhǎng)度比例超過(guò)80%?！?/p>