福廈高鐵泉州灣大橋全長20.3公里，主跨400米，是國內(nèi)外首座高鐵跨海大橋;設(shè)計行車時速達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20.3公里，主跨400米，設(shè)計建設(shè)面臨多項技術(shù)挑戰(zhàn)。大橋主塔封頂，標(biāo)志著我國橋梁建設(shè)開啟了世界高速鐵路跨海時代。”中國鐵建第四勘察設(shè)計院集團有限公司(以下簡稱鐵四院)福廈高鐵泉州灣跨海大橋設(shè)計負責(zé)人曾甲華說。
福廈高鐵泉州灣跨海大橋是國內(nèi)外首座高速鐵路跨海斜拉橋;設(shè)計行車時速超過300公里，為世界最高、世界第四長跨海鐵路大橋，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)計最關(guān)鍵是抗風(fēng)以及保持高速行駛，否則橋梁會因風(fēng)產(chǎn)生嚴重的橫向晃動和上下震幅(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級及以上風(fēng)力天數(shù)達91天。
為保證橋梁在大風(fēng)中穩(wěn)固，保持動車高速運行的連續(xù)性，鐵四院技術(shù)團隊在設(shè)計中采用了大量新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)，達到在不設(shè)風(fēng)屏障等防風(fēng)措施下，動車在8級大風(fēng)下以時速350公里速度行駛不限速，11級暴風(fēng)下不封閉交通。
由于泉州灣航運繁忙，跨越主航道必須加大主跨。“通航孔主橋設(shè)計采用主跨400米雙塔鋼—混組合梁斜拉橋，兩側(cè)深水區(qū)引橋總長約4.3公里、采用3—70米無支座整體式剛構(gòu)橋，為國內(nèi)外鐵路斜拉橋首次。”曾甲華說。
為解決強風(fēng)環(huán)境下長大跨海大橋通行高速鐵路列車的技術(shù)難題，鐵四院還對橋梁主塔造型進行了創(chuàng)新設(shè)計。
“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措施。”曾甲華說，這些結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，避免了虎門大橋、武漢鸚鵡洲長江大橋等國內(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)洞試驗和風(fēng)—車—線—橋耦合振動等專題研究成果，福廈高鐵泉州灣跨海大橋可抵抗12級強臺風(fēng)，渦激振動幅度控制在驚人的5毫米以內(nèi)。
“這個渦振數(shù)字，使高速列車即使在8級大風(fēng)中通過跨海大橋橋面，也能達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，使福廈高鐵正線達到時速350公里運營目標(biāo)，消除了以往沿海高鐵跨海時降速的難題。
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效防腐耐久?這是設(shè)計面臨的又一個難題。
“為解決海洋環(huán)境橋梁銹蝕問題，以往的防護需要定期除繡涂漆。”曾甲華說，針對海洋環(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)代冶金新機制、新技術(shù)和新工藝后，不斷發(fā)展創(chuàng)新，屬世界超級鋼技術(shù)前沿水平的系列鋼種之一。
為填補我國耐海洋大氣腐蝕鋼的鋼種空白，鐵四院設(shè)計團隊聯(lián)合鞍鋼集團有限公司(以下簡稱鞍鋼集團)立項攻關(guān)。
“通過反復(fù)對鋼材化學(xué)成分進行設(shè)計比選、力學(xué)及工藝驗證試驗、海洋環(huán)境現(xiàn)場掛片曝曬試驗等，成功研制了鎳系耐海洋大氣腐蝕鋼、配套高強螺栓及焊接材料，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，項目課題成果體現(xiàn)“以銹制銹”理念，達到海洋環(huán)境下橋梁全壽命期的長效防腐效果。
鞍鋼集團和鐵四院技術(shù)人員表示，福廈高鐵泉州灣跨海大橋項目，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，推動了世界耐候鋼橋的發(fā)展，實現(xiàn)“免涂裝、綠色耐久、銹色之美”的綠色全壽命設(shè)計。
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現(xiàn)耐久防腐?
為給大橋?qū)ふ页L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年以上的超長壽命耐久目標(biāo)。”曾甲華說，這個時間高于目前跨海橋最長25年的設(shè)計防腐壽命，將實現(xiàn)我國鋼梁防腐涂裝體系30年超長防腐壽命的技術(shù)突破。
長聯(lián)大跨，毫米級精度建造抗強震
福廈高鐵泉州灣大橋設(shè)計全聯(lián)長采用鋼—混結(jié)合梁，為國內(nèi)外鐵路斜拉橋中首次采用。構(gòu)件全部實現(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)計采用上述橋梁結(jié)構(gòu)形式和體系的選擇，實現(xiàn)了高速鐵路橋梁毫米級建造精度要求。”曾甲華說。
福廈高鐵設(shè)計位于福建沿海地區(qū)和臺灣海峽西岸，北起福州市，途徑莆田、泉州、廈門，南至漳州，正線全長277公里，設(shè)計時速度350公里，是我國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灣海峽西岸，屬地震高烈度區(qū)，從概率上具備發(fā)生8級強震的可能性。”曾甲華說。
如何解決長聯(lián)高墩跨海大橋的抗震設(shè)計難題?“設(shè)計團隊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，實現(xiàn)長聯(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)長聯(lián)高墩大跨橋梁的抗震設(shè)計難題。”曾甲華說。
除結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)材料不斷創(chuàng)新，福廈高鐵泉州灣大橋在設(shè)計上也充分踐行了“精品工程、智能工程和環(huán)境友好型工程”現(xiàn)代理念，即一個好的建筑設(shè)計必須融入當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境。
“項目聯(lián)合美術(shù)院校開展了景觀專題設(shè)計，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，這個造型設(shè)計寓意為“泉州作為福建經(jīng)濟第一強市、古代海上絲綢之路的起點及當(dāng)時的東方第一大港”，海洋孕育了泉州這座沿海城市，賦予了她無盡的生機活力和發(fā)展動力，將在21世紀(jì)海上絲綢之路的發(fā)展契機下，揚帆起航，重現(xiàn)海上貿(mào)易和世界大港的輝煌。
專家認為，福廈高鐵泉州灣跨海大橋?qū)⑼苿游覈罂缍雀咚勹F路、跨海橋梁的技術(shù)發(fā)展，成為中國高速鐵路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)
