中國高鐵進入跨海時代！

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)高鐵泉州灣跨海大橋成功合龍。這座由中國鐵建鐵四院橋梁院（以下簡稱“鐵四院橋梁院”）設(shè)計的世界首座高鐵跨海大橋不僅標志著福廈高鐵向2022年通車目標又邁進一步，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 20.29 公里，有 9 公里跨越泉州灣中部海域，是中國首座行車時速超過 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跨海大橋。

該橋總設(shè)計師——鐵四院橋梁院總工程師嚴愛國已設(shè)計的高鐵橋梁總計里程超過800 公里，見證了中國高鐵從內(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、長度不斷增長的全過程。

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，我國首座高鐵跨海大橋——福（州)廈(門)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，可以供時速350 公里的高速列車通行。

這一速度的突破來自橋梁結(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)計通車的昌贛高鐵贛州贛江特大橋，350 公里時速的高鐵列車通過不用降速。

嚴愛國介紹，在大跨度橋梁通行高速列車，對橋梁結(jié)構(gòu)剛度、徐變變形、動力性能等要求極高。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)計的關(guān)鍵。

經(jīng)過反復(fù)試驗，嚴愛國和團隊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。“鋼梁自重輕、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的要求。”

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)洞試驗及相關(guān)研究，泉州灣跨海大橋可抵抗12 級強臺風(fēng)，渦激振動幅度在5 毫米以內(nèi)，可實現(xiàn)高速列車在海上按350 公里時速飛馳時，硬幣穩(wěn)立不倒。

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

有砟跑出無砟的“驚艷”，確保高鐵90 秒即可通過大橋。每一步看似微小的調(diào)整，都凝聚著團隊的反復(fù)求證，僅確定方案，前后就經(jīng)歷了3年。“創(chuàng)新背后是大量的計算和論證。”嚴愛國說，這個過程漫長、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)境下會自動形成美觀且致密的銹層，通過“以銹制銹”，實現(xiàn)長效防腐。

針對強腐蝕海洋大氣環(huán)境，鐵四院又聯(lián)合北京航空材料研究院，創(chuàng)新采用了鋼梁超長耐久防腐涂裝體系，可實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下30年及以上的超長壽命耐久目標，為目前國內(nèi)外設(shè)計防腐壽命最長的防腐涂裝體系。

嚴愛國介紹，為了解決抗震的問題，大橋的引橋在國內(nèi)鐵路上首次采用無支座整體式橋梁，減少了后期維養(yǎng)，適應(yīng)了無砟軌道鋪設(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)的是中國高鐵設(shè)計建設(shè)能力的不斷提高。這種速度在嚴愛國看來，也是不可想象。

20年前，嚴愛國接手宜萬鐵路宜昌長江大橋的設(shè)計任務(wù)時，當(dāng)時長江上建成的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)項目組，用2年時間研究驗證出連續(xù)鋼構(gòu)和鋼管混凝土拱組合的新型結(jié)構(gòu)。

宜萬鐵路宜昌長江大橋建成后，漢十高鐵崔家營漢江特大橋、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。

從跨江大橋到跨海大橋，高鐵橋早已突破江海阻隔。目前，嚴愛國還負責(zé)正在設(shè)計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，高鐵橋梁長度越來越長、跨度越來越大

“20世紀90年代我剛工作的時候，設(shè)計的鐵路橋梁跨度多為32 米，最大也不超過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。”嚴愛國說，目前國內(nèi)設(shè)計的高鐵橋最大跨度已超過1000 米。近年來中國高鐵的發(fā)展速度驚人，高鐵橋梁長度越來越長、跨度越來越大、結(jié)構(gòu)越來越多樣。

在嚴愛國的印象里，從2008年開始，隨著京滬高鐵的開工建設(shè)，“八縱八橫”高鐵網(wǎng)的興建讓他和團隊異常繁忙。“團隊有300 多人，每年完成的橋梁施工圖設(shè)計就有1000 公里。”

山區(qū)高鐵橋的身影也越來越多。“山區(qū)鐵路橋有較多的大跨度拱橋，早期的鐵路拱橋時速最高只能支撐160 公里，即將通車的張吉懷鐵路芙蓉鎮(zhèn)酉水大橋通行時速已可達到300 公里。”嚴愛國說。

橋梁在高鐵的占比中越來越大，截至2020年底，中國高鐵運營里程增加至3.79萬公里，其中橋梁長度達1.8 萬公里，所占比例達到近5 成，位居世界第一。

嚴愛國解釋，這是因為中國幅員遼闊、地形地質(zhì)復(fù)雜，高鐵技術(shù)標準高，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。“像滬杭客運專線、廣珠城際等項目橋梁占比超過9 成，近20 座高鐵橋梁，占線路長度比例超過80%。”