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          創造眾多“世界第一”,這條高鐵讓中國邁入高鐵跨海時代
            時間:2022-04-06  點擊量:   
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          4月6日,福廈高鐵安海灣大橋合龍。這是世界首座無砟軌道跨海大跨斜拉橋,預計2023年通車后,乘坐動車只需98秒就可風馳電掣跨越大海。

           

          安海灣跨海大橋

          繼泉州灣、湄洲灣2座跨海大橋后,這是福廈高鐵又一座合龍的跨海大橋。

          福廈高鐵正線全長278公里,為“八縱八橫”高速鐵路主通道沿海通道的組成部分,設計時速350公里。為我國第一條真正意義上的海洋服役環境高鐵,也是世界行車速度最高的跨海鐵路。

          高鐵跨海,靠的是先進的橋梁建設技術。在眾多橋梁中,高速鐵路橋對橋梁變形要求極高,對造橋工藝有著更高要求。福廈跨海橋梁敢于向高難度系數挑戰,這項超級工程的背后,是一系列先進技術的支撐。

           創新成就“世界之最”

          福廈高鐵先后跨越湄洲灣、泉州灣、安海灣三個海灣。其中,位于泉州晉江的安海灣特大橋,全長9.5公里,主跨300米,不僅是福廈高鐵跨海橋梁的“封箱之作”, 也是世界無砟軌道橋梁“大跨”跨海的“開山之作”。

          “在大跨度橋梁上鋪設無砟軌道并通行高速列車,對橋梁結構剛度、徐變變形、動力性能等要求極高?!辫F四院副總工程師嚴愛國介紹,大跨度高鐵橋一般采用斜拉橋,結構變形較大,如何保證跨度又兼顧剛度是設計的關鍵。

          經過反復試驗,他們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、適應大跨度橋梁建設,混凝土橋面提升了橋梁剛度,兩者的結合滿足了列車高速通過的要求?!?/p>

          不僅是滿足速度要求,嚴愛國和團隊還為安海灣跨海大橋做了諸多結構創新。由于跨海大橋位于沿海高風速帶,海上多風,海風又會產生沖擊必須通過結構創新保證路面剛度,否則橋梁會因風產生嚴重的橫向晃動和渦振現象。

          鐵四院福廈高鐵橋梁設計負責人楊恒介紹,大橋主梁采用流線箱形結構并附加導流板、減震欄桿、拉索電渦流阻尼器等氣動措施,減小了復雜風環境下的風致振動,避免了異常渦振的發生。這些設計,讓列車可以在不設風屏障等防風措施的情況下,在8級大風中以時速350公里通過跨海大橋,在11級暴風下也不會封閉交通。

          和普通橋梁相比,跨海大橋還面臨著另一項考驗,就是海風海水腐蝕。

          高鐵工程結構的抗腐蝕標準是百年抗腐?!霸谘睾5貐^高鹽高濕的氣候條件下,依靠在鋼梁表面刷漆的傳統防腐方式,很難達到這一標準?!辫F四院福廈高鐵橋梁設計負責人曾甲華介紹,為了保證大橋的壽命長久,福廈高鐵安海灣跨海大橋的索塔鋼錨梁和支座采用了耐海洋大氣腐蝕鋼,填補了我國的鋼種空白。

          曾甲華口中的耐候鋼是世界超級鋼技術前沿水平的系列鋼種之一,通過往鋼材里加入微量鎳元素,讓鋼材自身生成致密穩定的鈍化銹層,阻止海水中氯離子的滲透,實現了“以銹制銹”的長效防腐效果。此外,鐵四院還運用最新研發的超長耐久防腐涂裝材料,讓橋梁的涂裝防護壽命達30年以上。

          軌道是安海灣跨海大橋通行時速高的另一原因。鐵四院軌道設計人員創造性設置“協調層”的雙塊式無砟軌道結構,研究形成了大跨度橋上無砟軌道線型控制技術和軌道平順性驗收標準,從“設計-施工-驗收”各環節解決了大跨橋上鋪設無砟軌道難題,首次在世界范圍實現跨度300米級、時速350公里高速鐵路橋上鋪設現澆式無砟軌道。

          為將這座橋梁里程碑工程打造成安海灣地標性橋梁,鐵四院聯合美術院校開展景觀設計。橋塔融入海洋元素,為H形曲線造型,從設計外觀看像微張的扇貝,與福建“海絲文化”相契合,展現出沿海地區開放、包容的姿態。

          跨海高鐵橋梁長足發展

          “福廈高鐵就是一座橋梁博物館,我們遇到了各種復雜橋型?!辫F四院橋梁院福廈高鐵橋梁主管工程師王德志介紹,福廈高鐵跨海過江,上跨多條高等級公路和既有鐵路,正線新建橋梁84座,長度共計181公里,占比65.3%。

          沿線臺風多發、海灣深水、軟基深厚等,建設條件復雜,大跨結構多、體系創新多。結構迥異、外形多樣、技術各具千秋的橋梁是這條高鐵最大的特色,是我國目前已建在建高鐵中橋梁結構最多樣復雜的高鐵,開展了海上大跨度簡支梁建造技術、獨塔混凝土斜拉橋裸塔轉體技術、耐海洋大氣環境腐蝕技術以及BIM技術、橋梁健康監測等專項研究。

          王德志自豪地說,別的高鐵如果有一座類似福廈高鐵這樣創新多多的橋,都會當寶貝一樣,“但我們福廈可圈可點的寶貝有好多,尤其是三座跨海大橋各有風采?!?/p>

          泉州灣跨海大橋

          首屈一指的是泉州灣跨海大橋。2021年7月合龍的泉州灣大橋,全長20.3公里,主跨400米。它不僅是國內首座跨海高速鐵路橋,也是世界上首座行車時速超過300公里的大跨度跨海斜拉鐵路橋。

          泉州灣鐵路橋緊挨著一座已建成的公路橋,兩橋最近距離28.7米,帶來了新的挑戰。

          “新橋要盡量和老橋對孔布置,使水流通暢、減少風干擾、也更美觀,因此很多常規設計需要突破?!眹缾蹏f,比如,創新性地在國內鐵路橋上首次采用無支座整體式橋梁,既適應外觀要求,也能滿足速度及抗震等要求;為了保持和公路橋主跨一致,鐵路橋主橋選擇了400米的大跨結構……

          每一步看似微小的調整,都凝聚著團隊的反復求證,僅確定方案,前后就經歷了3年?!皠撔卤澈笫谴罅康挠嬎愫驼撟C?!眹缾蹏f,這個過程漫長充滿挑戰,但也充滿成就感。

          此外,泉州灣跨海大橋在軌道上也進行了創新。坐過火車的人都見過,鐵軌下面一般都是碎石道床,這種有砟軌道最高運營速度只有250公里。而無砟軌道是采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎的軌道結構,時速更高。但是,相較于陸地,在大跨度的橋梁上鋪設無砟軌道并通行高鐵,對橋梁的結構剛度、徐變變形等要求極高。在如此大跨度的跨海大橋上鋪設無砟軌道,國外沒有先例。

          曾甲華介紹,泉州灣跨海大橋引橋采用雙塊式無砟軌道,而通航孔主橋在國內外斜拉橋上首次采用了聚氨酯固化道床結構“固定”道砟,讓有砟軌道跑出無砟軌道的效果。正是這些措施,讓福廈高鐵泉州灣跨海大橋實現了高鐵90秒過橋的“風馳電掣”。

          泉州灣跨海大橋也是率先使用免涂裝耐候鋼的,它打破了此前只能應用在普通大氣環境和濱海環境(離海岸線1公里以上)的世界技術格局,推動了世界耐候鋼橋向海洋延伸,實現“免涂裝·綠色耐久·銹色之美”的綠色全壽命設計。

          湄洲灣跨海大橋

          湄洲灣,北接泉州港、肖厝港,南連廈門港,組成了海上絲綢之路的重要一環。湄洲灣跨海大橋長14.7公里,海域施工長10.8公里,是國內首座跨海高鐵矮塔斜拉橋。

          出于對媽祖文化的保護,減少對湄洲灣自然環境的擾動,在2021年11月13日合龍的湄洲灣跨海大橋設計中,鐵四院的橋梁設計師們采用主跨180米預應力混凝土連續剛構部分斜拉橋,跨越3000噸級主航道,索塔采用雙柱式橋塔,猶如落雁貼水疾行,營造落霞與孤鶩齊飛,秋水共長天一色的理想畫卷,打造了湄洲灣獨特的橋梁景觀。

          為了縮短海上施工工期,海上引橋大規模采用40米預制架設簡支箱梁,大幅減少了大橋建設對周邊生態環境的影響。這是高速鐵路建造技術的重大提升和突破。

          特別值得稱道的是在湄洲灣跨海大橋上,采用了中國鐵建研制使用的世界首臺千噸級高鐵架橋一體機“昆侖號”,僅用時218天,就順利完成了10公里橋梁的鋪架任務。

          中國高鐵橋已突破江海阻隔

          “從跨江大橋到跨海大橋,高鐵橋早已突破江海阻隔?!蓖醯轮窘榻B,2020年底建設通車的平潭海峽鐵路公鐵大橋,是我國首座跨海公鐵兩用大橋。到了福廈高鐵,從開始謀劃到施工至今,橋梁工程師們“十年磨一劍”,開展海上大跨度簡支梁建造技術等多項專題研究,應用多種新型橋梁結構,造就我國跨海高鐵橋的新速度。

            福廈高鐵在跨海大橋技術上的突破,不僅僅是將350公里時速高鐵技術從陸地搬到了海上,也不僅僅是鐵路橋從江到海的跨越,更代表我國鐵路橋質的飛躍,對于未來發展有著重要的推動作用。

           新中國70多年的建橋歷史,可以大致分為建成學會、自主探索、學習追趕、提高奮進和創新引領5個階段。而鐵路跨海工程起步較晚,直到2003年1月7日,我國第一條跨海鐵路輪渡——粵海鐵路輪渡才建成通航,2004年12月5日才開通鐵路客運。

           雖然起步晚,沒有經歷完整的5個階段的積累。但一旦開端,我國鐵路跨海工程就走上了快速發展的道路。2005年開工建設的溫福、甬臺溫鐵路開啟了我國沿海、跨海鐵路橋梁建設的序幕。

          僅僅十幾年時間,我國跨海橋梁的發展速度驚人,嚴愛國也見證了高鐵橋梁長度越來越長、跨度越來越大、結構越來越多樣?!?0年代我剛工作的時候,設計的鐵路橋梁跨度多為32米,最大也不超過100米,結構多是混凝土結構、少量鋼結構,到如今各種結構形式的橋梁都有?!眹缾蹏f,目前國內設計的高鐵橋最大跨度已超過1000米。

          中國工程院院士秦順曾自豪地說,“世界范圍來看,大跨度橋梁20世紀70年代、80年代看歐美,90年代看日本,21世紀應該看中國?!?/p>

          高鐵跨海橋的發展,不光是技術的突破,也與國家發展的歷史進程緊密結合。黨的十八大提出了“海洋強國”戰略,2016年修編的《中長期鐵路網規劃》實施,沿海鐵路進入快速發展的新時期。隨著沿海、京港(臺)、京港澳、包(銀)海等“八縱八橫”高速鐵路主通道以及沿海普速鐵路的陸續開建或建成,我國開始建造更大規模的沿海、跨海鐵路大橋,并逐步拓展到大型海灣、海峽等寬闊海域。隨著我國經濟發展不斷穩步前行,高鐵跨海橋也將迎來更廣闊的發展空間,也為經濟社會發展鋪平更寬廣的道路。

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