98秒跨越大海 無(wú)砟軌道斜拉橋助高鐵跨海不減速

近日，福廈高鐵安海灣大橋合龍。這是世界首座無(wú)砟軌道跨海大跨斜拉橋，全長(zhǎng)9.5公里、主跨300米，預(yù)計(jì)2023年通車后，動(dòng)車以時(shí)速350公里，只需98秒就可風(fēng)馳電掣跨越大海。

這是繼泉州灣、湄洲灣兩座跨海大橋后，福廈高鐵又一座合龍的跨海大橋。

鋼混組合梁，有砟換無(wú)砟

福廈高鐵先后跨越湄洲灣、泉州灣、安海灣三個(gè)海灣。其中，位于泉州晉江的安海灣大橋，不僅是福廈高鐵跨海橋梁的“封箱之作”， 也是世界無(wú)砟軌道橋梁“大跨”跨海的“開(kāi)山之作”。

為什么要在跨海大橋設(shè)計(jì)無(wú)砟軌道？

“跨度300米及以上的大跨高鐵橋，多采用斜拉橋等柔性結(jié)構(gòu)。受自然環(huán)境影響，橋面高程會(huì)隨氣溫升降而變化，影響軌道的平順度。”中國(guó)鐵建鐵四院（以下簡(jiǎn)稱鐵四院）副總工程師嚴(yán)愛(ài)國(guó)告訴科技日?qǐng)?bào)記者，保持橋面平順，是滿足高鐵高速通過(guò)大橋的前提。

由于有砟軌道維修技術(shù)相對(duì)成熟，此前，我國(guó)設(shè)計(jì)的滿足時(shí)速350公里要求的高鐵橋，其橋梁軌道均為有砟。

不過(guò)，有砟軌道最大的問(wèn)題，是列車高速通過(guò)時(shí)，道砟（用來(lái)鋪公路或鐵路路基的粗沙礫或碎石）容易被火車吸起，也容易擊打列車底盤，并由此產(chǎn)生一系列問(wèn)題。因此，我國(guó)鐵路部門曾規(guī)定，高鐵通過(guò)有砟軌道，以時(shí)速250公里為限。這意味著動(dòng)車行駛在設(shè)計(jì)時(shí)速350公里的高鐵上，通過(guò)大橋時(shí)就要降速。而我國(guó)高鐵線路，因安全性、節(jié)約土地資源、降低成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境及防止中長(zhǎng)在沉降等原因，在設(shè)計(jì)時(shí)多采用高架橋。

采用無(wú)砟軌道則可避免道砟飛濺，其平順性、穩(wěn)定性好，但這種軌道對(duì)施工工藝要求高，對(duì)沉降控制要求苛刻。

如何在大跨度橋梁鋪設(shè)無(wú)砟軌道，成為一個(gè)難以攻克的技術(shù)問(wèn)題。

2017年，國(guó)鐵集團(tuán)設(shè)立“大跨度橋梁鋪設(shè)無(wú)砟軌道技術(shù)深化研究”項(xiàng)目，鐵四院牽頭主持了項(xiàng)目課題，并依托主跨300米的昌贛鐵路贛江特大橋，獲取了工程經(jīng)驗(yàn)。

相比江河，海上的風(fēng)浪使大跨斜拉橋的穩(wěn)定性面臨更高挑戰(zhàn)。

“在大跨度跨海橋梁上，鋪設(shè)無(wú)砟軌道并通行高速列車，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)剛度、徐變變形、動(dòng)力性能等要求極高。”嚴(yán)愛(ài)國(guó)說(shuō)，斜拉橋結(jié)構(gòu)本身易變形，在大風(fēng)頻繁的海上環(huán)境，如何保證跨度又兼顧剛度，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)找到了適應(yīng)大海大跨環(huán)境的鋼混組合梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，破解了難題。

“鋼混組合梁由混凝土橋面板與槽形鋼梁組成。鋼梁自重輕、適應(yīng)大跨度橋梁建設(shè)，混凝土橋面則提升了橋梁剛度，兩者結(jié)合滿足了列車高速通過(guò)的要求。”嚴(yán)愛(ài)國(guó)說(shuō)。

鋼加鎳耐腐，流線箱造型抗風(fēng)

和普通橋梁相比，跨海大橋還面臨著另一項(xiàng)考驗(yàn)，就是海風(fēng)海水腐蝕，這是世界各國(guó)海洋工程建設(shè)面臨的共同問(wèn)題。

在潮濕的空氣中，鋼鐵表面形成的水膜，會(huì)溶解大氣中的二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體，使水膜中含有一定量的氫離子，形成含有電解質(zhì)溶液的薄膜，恰與鋼鐵中的鐵和少量的碳構(gòu)成原電池。

“而海氣中彌散的大量鹽，又促使電子在溶液中快速移動(dòng)，這種導(dǎo)電作用，加快了鋼鐵的腐蝕速度。”鐵四院福廈高鐵橋梁設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人曾甲華說(shuō)。

高鐵工程結(jié)構(gòu)的抗腐蝕標(biāo)準(zhǔn)是百年抗腐，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的主要防腐方法，均是選用耐用的重防腐涂層。“在沿海地區(qū)高鹽高濕的氣候條件下，依靠在鋼梁表面刷漆的傳統(tǒng)防腐方式，很難達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。”曾甲華說(shuō)，為保證大橋的壽命長(zhǎng)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(bǔ)了我國(guó)的鋼種空白。

所謂耐海洋大氣腐蝕鋼，是世界超級(jí)鋼技術(shù)前沿水平的系列鋼種之一，通過(guò)往鋼材里加入微量鎳元素，讓鋼材自身生成致密穩(wěn)定的鈍化銹層，阻止海水中氯離子的滲透，實(shí)現(xiàn)了“以銹制銹”的長(zhǎng)效防腐效果。

由于跨海大橋位于沿海高風(fēng)速帶，海上多風(fēng)，海風(fēng)又會(huì)產(chǎn)生沖擊，因此必須通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新保證路面剛度，否則橋梁會(huì)因風(fēng)產(chǎn)生嚴(yán)重的橫向晃動(dòng)和渦振現(xiàn)象。

如何設(shè)計(jì)出能抗風(fēng)的結(jié)構(gòu)，使大跨度跨海大橋避免了異常渦振，從而穩(wěn)穩(wěn)地立在海上？

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)設(shè)計(jì)福廈高鐵跨海大橋時(shí)，采用了大量新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)。

技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)橋梁主塔造型進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。“以安海灣大橋?yàn)槔?，主梁采用流線箱形結(jié)構(gòu)并附加導(dǎo)流板、減震欄桿、拉索電渦流阻尼器等氣動(dòng)措施，減小了復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)致振動(dòng)，避免了異常渦振的發(fā)生。”鐵四院福廈高鐵橋梁設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人楊恒說(shuō)。

這些設(shè)計(jì)，讓列車可以在不設(shè)風(fēng)屏障等防風(fēng)措施的情況下，在8級(jí)大風(fēng)中以時(shí)速350公里通過(guò)跨海大橋，在11級(jí)暴風(fēng)下也不會(huì)封閉交通。

主跨300米跨海橋，首創(chuàng)無(wú)砟軌道現(xiàn)澆

在主跨超300米的安海灣跨海大橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有先例。

無(wú)砟軌道主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，相比有砟軌道列車運(yùn)行時(shí)速更高。目前國(guó)內(nèi)無(wú)砟軌道主要分兩種。一是在工廠預(yù)制好軌道板運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)施工，即預(yù)制板式無(wú)砟軌道；二是在現(xiàn)場(chǎng)組裝好軌排再進(jìn)行道床板澆筑施工，即現(xiàn)澆雙塊式無(wú)砟軌道。

“此前我國(guó)建設(shè)的大跨度的跨江橋梁，采用過(guò)預(yù)制板式無(wú)砟軌道。而在大跨度跨海橋梁上，采用現(xiàn)澆雙塊式無(wú)砟軌道并通行高鐵，這對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)能力、線形控制等要求極高，是一項(xiàng)全新的高難度技術(shù)挑戰(zhàn)。”鐵四院線站院軌道工程實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研發(fā)部部長(zhǎng)朱彬說(shuō)。

由于福廈高鐵全線采用現(xiàn)澆雙塊式無(wú)砟軌道，為統(tǒng)一施工工藝、降低成本，針對(duì)大跨跨海橋梁采用現(xiàn)澆雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行創(chuàng)新研究。

“要承載動(dòng)車以時(shí)速350公里通過(guò)大跨度橋梁，無(wú)砟軌道需要承受列車活載、溫度荷載及橋梁變形等多因素耦合作用。”鐵四院軌道設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人葛海娟說(shuō)。

由于復(fù)雜的受力和變形協(xié)調(diào)要求，需要設(shè)計(jì)出相適應(yīng)的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)人員表示，相比陸地或跨江河橋梁，如何解決大跨度跨海大橋因風(fēng)力、腐蝕等復(fù)雜環(huán)境條件產(chǎn)生的軌道與橋梁變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，是無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

要解決這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就需要改變此前在陸地或一般跨度橋上采用的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。通過(guò)無(wú)數(shù)次方案研究、理論分析、計(jì)算機(jī)模擬及模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)人員找到了一種方案，即在鋼筋混凝土底座與鋼筋混凝土道床之間，設(shè)置隔離緩沖墊層，替代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用土工布（一種纖維織物）的方案。課題組同時(shí)研究形成了大跨度橋上無(wú)砟軌道線型控制技術(shù)和軌道平順性驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

“設(shè)置隔離緩沖墊層，不僅起到鋼筋混凝土底座與鋼筋混凝土道床之間的隔離作用，還實(shí)現(xiàn)了變形協(xié)調(diào)功能，也便于運(yùn)營(yíng)期道床損壞時(shí)整治維修。”朱彬說(shuō)。

“創(chuàng)新研發(fā)的現(xiàn)澆雙塊式無(wú)砟軌道，解決了大跨橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道的難題，首次實(shí)現(xiàn)了在時(shí)速350公里高鐵，跨度300米級(jí)的大跨度跨海橋上鋪設(shè)現(xiàn)澆雙塊式無(wú)砟軌道。”鐵四院副總工程師李秋義說(shuō)。

“福廈高鐵跨海過(guò)江，正線全長(zhǎng)277.42公里，設(shè)計(jì)時(shí)速350公里，上跨多條高等級(jí)公路和既有鐵路，正線新建橋梁170座，長(zhǎng)度共計(jì)181公里，占比65.3%。”鐵四院橋梁院福廈高鐵主管工程師王德志說(shuō)，全線復(fù)雜橋梁“一橋一策”，設(shè)計(jì)人員畫了四萬(wàn)張圖紙，涵蓋了多項(xiàng)先進(jìn)技藝和工法。