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(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。

圖為正在進(jìn)行主塔封頂作業(yè)的泉州灣高鐵跨海大橋。圖丨科技日報

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?！敝袊F建第四勘察設(shè)計院集團(tuán)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(fù)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(yán)重的橫向晃動和上下震幅（渦震）現(xiàn)象?！痹兹A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(dá)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(tuán)隊在設(shè)計中采用了大量新結(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?！巴ê娇字鳂蛟O(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(qiáng)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(jìn)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?！痹兹A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(qiáng)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(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(hù)需要定期除繡涂漆?！痹兹A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(jī)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(tuán)隊聯(lián)合鞍鋼集團(tuán)有限公司（以下簡稱鞍鋼集團(tuán)）立項攻關(guān)。

“通過反復(fù)對鋼材化學(xué)成分進(jìn)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(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?！痹兹A說，項目課題成果體現(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?！霸擉w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)?！痹兹A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(qiáng)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?！巴ㄟ^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?！痹兹A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(qiáng)震的可能性?！痹兹A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(tuán)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?！痹兹A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)?！痹兹A解釋說，這個造型設(shè)計寓意為“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(jī)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(jī)下，揚帆起航，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。

（科技日報 記者 矯 陽）