高宗余：設計世界一流大橋

周琳

作為中鐵大橋勘測設計院集團有限公司總工程師，高宗余常說自己的人生就是由二十幾座橋梁連接起來的。

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江大橋的斜拉橋，建成后將是當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年破土動工，計劃到2019年建成。屆時，上海和南通兩市的車程將縮減為1小時。

用整整15年時間孕育這座大橋的人叫高宗余，他是中鐵大橋勘測設計院集團有限公司總工程師。他說，自己的人生就是由二十幾座橋梁連接起來的。

跨度決定難度

“橋梁建設20世紀70年代以前看歐美，90年代看日本，21世紀看中國。”這是在橋梁建設行業(yè)流行的一句話。現(xiàn)代建橋看中國，不僅指中國建橋數(shù)量上的優(yōu)勢，而且在質(zhì)的指標上，衡量橋梁技術水平和建設能力的標志是看橋梁的主跨長度。跨徑越大，技術難度也就越大。另外一個標準就是創(chuàng)新。

在2012武漢國際橋梁科技論壇上，高宗余難以抑制激動的心情，對外發(fā)布了一條喜訊：滬通鐵路長江大橋?qū)⒉捎弥骺邕_1092米的公鐵兩用斜拉橋方案，這將兩倍超過剛剛刷新跨度世界紀錄的武漢天興洲公鐵兩用長江大橋，成為世界上首座超過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，滬通長江大橋主塔高達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48萬噸，相當于12個“鳥巢”所用鋼材；混凝土230萬立方米，相當于8個國家大劇院的用量。大橋建成后能抵御14級臺風、8級地震、10萬噸級船舶的撞擊。大橋的兩個主塔橋墩建設，也就是28號橋墩和29號橋墩，是整個大橋建設工程的重要節(jié)點性工程。29號鋼沉井共有56米高，總重量超過了15000噸，比28號鋼沉井重500噸，再次刷新世界最大鋼沉井紀錄。

因為大橋的工程規(guī)模之大，施工難度之大，創(chuàng)造了世界橋梁和中國橋梁建設的多個之最，代表著當前中國乃至世界橋梁建設的最高水平。

從2003年起的十余年間，高宗余就開始為滬通鐵路長江大橋的設計做準備，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，重點研究了五個橋位，這個實際上是最難的事情。”高宗余說：“橋修在哪里太關鍵了，要保障長江航道暢通，要考慮當?shù)氐牡刭|(zhì)、水文特點，具備防洪功能，要考慮公路鐵路的接洽點和周圍的建設拆遷用地，越是經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)制約因素越多。從經(jīng)濟效益上說，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，估計要多花100個億。”

面對如此多的挑戰(zhàn)，高宗余看起來總是那么淡定。提起高宗余，院里每個人也都豎起大拇指，一張圖紙交到他手上，他一眼就能看出哪里不對。高宗余說：“科學家可以試錯，工程師絕不允許失敗，所有工程建設的底線就是質(zhì)量和安全。”中鐵大橋勘測設計院集團有限公司第一設計院院長劉漢順說：“這么多年來，無論工程大小，他（高宗余）給人的感覺都是胸有成竹。”

扎實的專業(yè)基礎和嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度成就了高宗余。身為“中國工程設計大師”，他不僅是中國首批設計跨越長江黃河高速鐵路大橋的技術負責人，也是杭州灣大橋和東海大橋的主要設計負責人之一，更是“公鐵兩用特大型橋梁”設計的行家里手。

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”項目獲得國家科技進步一等獎。

在質(zhì)疑聲中堅持技術創(chuàng)新

“三索面三主桁公鐵兩用斜拉橋建造技術”的創(chuàng)新，最早是用在武漢天興洲公鐵兩用長江大橋上，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)的難度遠大于普通的公路橋。“一列火車的重量相當于八車道的公路。”武漢天興洲大橋從開始時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。“四線鐵路加上六車道公路，總體重量便相當于34車道公路。”

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

天興洲大橋是當時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，也是中國高速鐵路第一次跨越長江。

荷載劇增，傳統(tǒng)的兩面拉索橋若要達到承重要求，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？

高宗余和團隊提出“三索面三主桁”方案：在大橋中部增加一面斜拉索，同時增加一個主桁，主桁改成橫臥著的“日”字型。增加一個承力面，也可以提高橋梁剛度，有利于高速鐵路列車運行。

方案剛一提出，就有專家表示質(zhì)疑，原因是：該方案在世界上沒有先例；增加一面斜拉索后，大橋結(jié)構(gòu)受力復雜，計算分析困難；懸臂安裝時對接點多，施工架設難度大，面臨較大風險。

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

設計組攻克的第一個難關，是大橋受力分析和計算。天興洲大橋雙層橋面跑車，跑的是汽車、貨運列車、高鐵動車組三種車型，為此，高宗余和團隊自主開發(fā)了3D橋梁設計軟件（3Dbrdige），針對天興洲大橋進行全過程空間仿真分析計算。設計組耗費半年反復進行試驗和計算，得出一個出乎意料的結(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，懸臂安裝對接點多，有專家擔心，即使設計從理論上過關了，但實踐中卻安裝不上去。為此，高宗余和團隊又夜以繼日地尋找解決辦法，最終把目標聚焦在架梁吊機上—專門研制700噸荷載自動控制架梁吊機，實現(xiàn)桁段架設中的多點起吊和精確對位。

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)”方案的技術經(jīng)濟可行，節(jié)省用鋼3330噸，鐵路和公路橋面高度降低1米，兩岸引橋也可相應降低高度、縮短長度，節(jié)省工程造價1.1億多元。

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

自主創(chuàng)新是使命

高宗余說，創(chuàng)新是永恒的概念，不同的歷史時期有不同的側(cè)重點。“50-60年代，目的就是建成學會，當時建設萬里長江第一橋的武漢長江大橋，請的蘇聯(lián)專家，毛澤東主席親自視察了三次，每次都問中方技術人員：‘看懂了嗎？學會了嗎？現(xiàn)如今，中國的橋梁技術突飛猛進，在安全、質(zhì)量、經(jīng)濟合理的基礎上，更加注重耐久性、低碳綠色環(huán)保、信息化智能化。”

在中鐵大橋勘測設計院，高宗余20世紀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，“以前只能計算小橋，現(xiàn)在可以計算大橋；以前做化簡計算，現(xiàn)在可以做詳細計算；以前只能做靜力，現(xiàn)在可以做動力。”

1998年，高宗余設計的福州市青州閩江大橋，主跨達605米的結(jié)合梁斜拉橋，在同類橋梁中居世界第一。高宗余帶領團隊花1年時間設計出新計算軟件。由此獲得的高精度計算，為青州大橋節(jié)省鋼材20%，節(jié)省資金3000多萬元。

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

新世紀，隨著中國高鐵的迅猛發(fā)展，高宗余又將精力投放到時速超過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計的。其中，主跨設計504米的天興洲大橋在2010年獲得第27屆國際橋梁大會授予的“喬治·理查德森”大獎。

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

1964年出生的高宗余說自己退休前的心愿，一是建設中國三大海峽（瓊州、渤海和臺灣海峽）跨海大橋；二是讓中國的橋梁走向世界，積極地參與“一帶一路”建設，在設計、施工、制造、研發(fā)、咨詢等各領域與歐美等西方發(fā)達國家同臺競爭。