福廈高鐵泉州灣大橋全長(zhǎng)20.3公里，主跨400米，是國(guó)內(nèi)外首座高鐵跨海大橋;設(shè)計(jì)行車時(shí)速達(dá)350公里，為世界最高;是全球首座采用免涂裝耐候鋼大型跨海工程。
9月15日，世界橋梁領(lǐng)域又一里程碑式工程——福(州)至廈(門)高速鐵路泉州灣大橋主塔正式封頂。
“福廈高鐵泉州灣大橋全長(zhǎng)20.3公里，主跨400米，設(shè)計(jì)建設(shè)面臨多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。大橋主塔封頂，標(biāo)志著我國(guó)橋梁建設(shè)開啟了世界高速鐵路跨海時(shí)代。”中國(guó)鐵建第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱鐵四院)福廈高鐵泉州灣跨海大橋設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人曾甲華說。
福廈高鐵泉州灣跨海大橋是國(guó)內(nèi)外首座高速鐵路跨海斜拉橋;設(shè)計(jì)行車時(shí)速超過300公里，為世界最高、世界第四長(zhǎng)跨海鐵路大橋，也是全球首座主塔采用免涂裝耐候鋼的大型跨海工程。
高速抗風(fēng)行駛，同樣做到硬幣不倒
泉州灣大橋是福廈高鐵關(guān)鍵控制性工程，大橋跨越泉州灣中部海域，為世界首座高速鐵路跨海大橋。
“跨海高鐵大橋，設(shè)計(jì)最關(guān)鍵是抗風(fēng)以及保持高速行駛，否則橋梁會(huì)因風(fēng)產(chǎn)生嚴(yán)重的橫向晃動(dòng)和上下震幅(渦震)現(xiàn)象。”曾甲華說。
地理氣象信息顯示，泉州灣位于沿海高風(fēng)速帶，風(fēng)速大，風(fēng)況復(fù)雜，全年6級(jí)及以上風(fēng)力天數(shù)達(dá)91天。
為保證橋梁在大風(fēng)中穩(wěn)固，保持動(dòng)車高速運(yùn)行的連續(xù)性，鐵四院技術(shù)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)中采用了大量新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)，達(dá)到在不設(shè)風(fēng)屏障等防風(fēng)措施下，動(dòng)車在8級(jí)大風(fēng)下以時(shí)速350公里速度行駛不限速，11級(jí)暴風(fēng)下不封閉交通。
由于泉州灣航運(yùn)繁忙，跨越主航道必須加大主跨。“通航孔主橋設(shè)計(jì)采用主跨400米雙塔鋼—混組合梁斜拉橋，兩側(cè)深水區(qū)引橋總長(zhǎng)約4.3公里、采用3—70米無支座整體式剛構(gòu)橋，為國(guó)內(nèi)外鐵路斜拉橋首次。”曾甲華說。
為解決強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下長(zhǎng)大跨海大橋通行高速鐵路列車的技術(shù)難題，鐵四院還對(duì)橋梁主塔造型進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
“主梁采用流線箱形結(jié)構(gòu)，并附加導(dǎo)流板、減振欄桿、拉索電渦流阻尼器等有效氣動(dòng)措施。”曾甲華說，這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使橋體繞開風(fēng)向，減少了復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)致振動(dòng)，避免了虎門大橋、武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋等國(guó)內(nèi)橋梁曾經(jīng)發(fā)生過的異常渦振現(xiàn)象。
根據(jù)系列風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)—車—線—橋耦合振動(dòng)等專題研究成果，福廈高鐵泉州灣跨海大橋可抵抗12級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，渦激振動(dòng)幅度控制在驚人的5毫米以內(nèi)。
“這個(gè)渦振數(shù)字，使高速列車即使在8級(jí)大風(fēng)中通過跨海大橋橋面，也能達(dá)到與陸地引橋相同的行車條件，同樣做到硬幣不倒。”曾甲華說。
新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的采用，使福廈高鐵正線達(dá)到時(shí)速350公里運(yùn)營(yíng)目標(biāo)，消除了以往沿海高鐵跨海時(shí)降速的難題。
以銹制銹，適應(yīng)高鹽高濕腐蝕環(huán)境
除了抗風(fēng)，在海洋氣候高鹽高濕腐蝕環(huán)境下，如何保證高速鐵路跨海大橋長(zhǎng)效防腐耐久?這是設(shè)計(jì)面臨的又一個(gè)難題。
“為解決海洋環(huán)境橋梁銹蝕問題，以往的防護(hù)需要定期除繡涂漆。”曾甲華說，針對(duì)海洋環(huán)境下橋梁重要結(jié)構(gòu)的銹蝕問題，福廈高鐵泉州灣跨海大橋索塔鋼錨梁和支座創(chuàng)新采用新材料，在國(guó)內(nèi)首次采用耐海洋大氣腐蝕鋼，免涂裝(不涂油漆)、不設(shè)除濕系統(tǒng)，為全球首座采用免涂裝耐候鋼的大型跨海工程，適應(yīng)了高鹽高濕的海洋腐蝕大氣環(huán)境。
耐候鋼，即耐大氣腐蝕鋼，由普碳鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素而成，在融入現(xiàn)代冶金新機(jī)制、新技術(shù)和新工藝后，不斷發(fā)展創(chuàng)新，屬世界超級(jí)鋼技術(shù)前沿水平的系列鋼種之一。
為填補(bǔ)我國(guó)耐海洋大氣腐蝕鋼的鋼種空白，鐵四院設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合鞍鋼集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱鞍鋼集團(tuán))立項(xiàng)攻關(guān)。
“通過反復(fù)對(duì)鋼材化學(xué)成分進(jìn)行設(shè)計(jì)比選、力學(xué)及工藝驗(yàn)證試驗(yàn)、海洋環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)掛片曝曬試驗(yàn)等，成功研制了鎳系耐海洋大氣腐蝕鋼、配套高強(qiáng)螺栓及焊接材料，基于鋼材自身生成致密穩(wěn)定的鈍化銹層，阻止氯離子滲透。”曾甲華說，項(xiàng)目課題成果體現(xiàn)“以銹制銹”理念，達(dá)到海洋環(huán)境下橋梁全壽命期的長(zhǎng)效防腐效果。
鞍鋼集團(tuán)和鐵四院技術(shù)人員表示，福廈高鐵泉州灣跨海大橋項(xiàng)目，打破了免涂裝耐候鋼只能應(yīng)用在普通大氣環(huán)境和濱海環(huán)境(離海岸線1公里以上)的世界技術(shù)格局，推動(dòng)了世界耐候鋼橋的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“免涂裝、綠色耐久、銹色之美”的綠色全壽命設(shè)計(jì)。
耐候鋼成本高，僅能用在最重要的承力結(jié)構(gòu)部件上，大面積的鋼梁如何實(shí)現(xiàn)耐久防腐?
為給大橋?qū)ふ页L(zhǎng)耐久防腐涂料，鐵四院聯(lián)合北京航空材料研究院，研發(fā)并應(yīng)用了鋼梁超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系。“該體系采用石墨烯納米材料改性鱗片型醇溶無機(jī)富鋅底漆和超耐候氟碳面漆，耐鹽霧性和耐人工加速老化性為現(xiàn)有技術(shù)的2倍以上，可實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)在海洋腐蝕大氣環(huán)境下30年以上的超長(zhǎng)壽命耐久目標(biāo)。”曾甲華說，這個(gè)時(shí)間高于目前跨海橋最長(zhǎng)25年的設(shè)計(jì)防腐壽命，將實(shí)現(xiàn)我國(guó)鋼梁防腐涂裝體系30年超長(zhǎng)防腐壽命的技術(shù)突破。
長(zhǎng)聯(lián)大跨，毫米級(jí)精度建造抗強(qiáng)震
福廈高鐵泉州灣大橋設(shè)計(jì)全聯(lián)長(zhǎng)采用鋼—混結(jié)合梁，為國(guó)內(nèi)外鐵路斜拉橋中首次采用。構(gòu)件全部實(shí)現(xiàn)工廠化制造，深水區(qū)引橋采用標(biāo)準(zhǔn)化的無支座整體預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋。“通過設(shè)計(jì)采用上述橋梁結(jié)構(gòu)形式和體系的選擇，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路橋梁毫米級(jí)建造精度要求。”曾甲華說。
福廈高鐵設(shè)計(jì)位于福建沿海地區(qū)和臺(tái)灣海峽西岸，北起福州市，途徑莆田、泉州、廈門，南至漳州，正線全長(zhǎng)277公里，設(shè)計(jì)時(shí)速度350公里，是我國(guó)第一條真正意義上的海洋環(huán)境下服役的高速鐵路工程、國(guó)內(nèi)外行車速度最高的沿海/跨海鐵路。
“泉州灣高鐵跨海大橋地處臺(tái)灣海峽西岸，屬地震高烈度區(qū)，從概率上具備發(fā)生8級(jí)強(qiáng)震的可能性。”曾甲華說。
如何解決長(zhǎng)聯(lián)高墩跨海大橋的抗震設(shè)計(jì)難題?“設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研制采用了縱向粘滯阻尼器、可剪斷的耐候雙曲面球型鋼支座、金屬阻尼器的綜合減隔震體系及技術(shù);采用無支座整體剛構(gòu)橋，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)聯(lián)高墩橋梁的柔性高墩、梁部體系協(xié)同受力，解決了地震高烈度區(qū)長(zhǎng)聯(lián)高墩大跨橋梁的抗震設(shè)計(jì)難題。”曾甲華說。
除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)材料不斷創(chuàng)新，福廈高鐵泉州灣大橋在設(shè)計(jì)上也充分踐行了“精品工程、智能工程和環(huán)境友好型工程”現(xiàn)代理念，即一個(gè)好的建筑設(shè)計(jì)必須融入當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境。
“項(xiàng)目聯(lián)合美術(shù)院校開展了景觀專題設(shè)計(jì)，充分融入海洋元素。橋塔采用了貝殼形曲線橋塔，兼顧結(jié)構(gòu)合理和建筑美學(xué)。”曾甲華解釋說，這個(gè)造型設(shè)計(jì)寓意為“泉州作為福建經(jīng)濟(jì)第一強(qiáng)市、古代海上絲綢之路的起點(diǎn)及當(dāng)時(shí)的東方第一大港”，海洋孕育了泉州這座沿海城市，賦予了她無盡的生機(jī)活力和發(fā)展動(dòng)力，將在21世紀(jì)海上絲綢之路的發(fā)展契機(jī)下，揚(yáng)帆起航，重現(xiàn)海上貿(mào)易和世界大港的輝煌。
專家認(rèn)為，福廈高鐵泉州灣跨海大橋?qū)⑼苿?dòng)我國(guó)大跨度高速鐵路、跨海橋梁的技術(shù)發(fā)展，成為中國(guó)高速鐵路2.0版的代表性工程之一，也將是世界橋梁領(lǐng)域的里程碑式工程。(記者 矯 陽)