应对大风大浪的科技“大招”

　　张贵锋 杨存兴 曹建强

　　福厦高铁作为国内首条跨海高铁，福厦高铁正线全长277.42公里，全线共有104座桥梁、45座隧道，先后跨越湄洲湾、泉州湾、安海湾三个海湾，堪称“海上奇观博物馆”和“桥梁博物馆”，因施工难度大、标准高而备受瞩目。

　　福厦高铁自开工建设以来，在东南沿海铁路福建有限责任公司的指导下，参建单位牢固树立“精品工程、智能福厦”理念，攻坚克难，积极探索新技术、新工艺，斩获多个“首次”，创下诸多“第一”，展示了中国高铁桥梁建设强大的科技力量。

　　无砟胜有砟

　　成功解锁跨海过桥不减速

　　由中国铁建大桥工程局集团承建的安海湾特大桥，跨海区段长1.56公里，主跨达300米，是世界无砟轨道桥梁“大跨”跨海的“开山之作”。

　　为什么要在跨海大桥设计无砟轨道？

　　有砟轨道在列车高速通过时，道砟容易被强劲气流吸起后击打列车底盘，危及行车安全。采用无砟轨道则可避免道砟飞溅，其平顺性、稳定性更好。列车通过有砟轨道时需要减速，而通过无砟轨道则“如履平地”。

　　但无砟轨道可谓“想说爱你不容易”。跨度300米及以上的大跨高铁桥，多采用斜拉桥等半漂浮体系结构。受自然环境影响，桥面高程会随气温升降而变化，影响轨道平顺度。铺设无砟轨道并通行高速列车，对桥梁的结构刚度、动力性能等要求极高。斜拉桥结构本身易变形，在大风频繁的海上环境，既确保跨度又兼顾刚度，是关键中的关键。

　　经过大量模拟试验，设计团队找到了符合要求的钢混叠合梁结构参数。钢混叠合梁由混凝土桥面板与槽形钢梁组成。钢梁自重轻、适应大跨度桥梁建设；混凝土桥面则提升桥梁刚度，两者“强强联手”，满足列车高速通过的需求，让这道难题迎刃而解。

　　在安海湾特大桥上铺设无砟轨道，国内外没有先例可循。

　　目前国内无砟轨道主要分两种，一种是预制板式无砟轨道，即在工厂预制好轨道板运送至现场施工；另一种是现浇双块式无砟轨道，即在现场组装好轨排再开展道床板浇筑施工。

　　在大跨度跨海桥梁上，采用现浇双块式无砟轨道并通行高速动车，需针对复杂的受力和变形协调等要求，设计出与之相适应的无砟轨道结构。

　　通过努力，设计人员找到了破解之道，即在钢筋混凝土底座与钢筋混凝土道床之间设置隔离缓冲垫层，替代传统设计采用纤维织物土工布的做法。

　　设置隔离缓冲垫层，不仅起到钢筋混凝土底座与道床之间的隔离作用，还实现变形、协调功能，也便于运营期道床的整治、维修。

　　创新研发的现浇双块式无砟轨道，解决了大跨度高铁桥上铺设无砟轨道的难题，实现时速350公里高铁列车跨海过桥不减速，列车驶过650米长的安海湾特大桥主桥只需6.7秒。

　　“以锈制锈”防腐蚀

　　独特造型抗大风

　　与普通桥梁相比，跨海大桥还面临另一个考验：海风海水的腐蚀。

　　在潮湿空气中，钢铁表面形成的水膜，会溶解大气中的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体，使水膜中含有一定量的氢离子，形成含有电解质溶液的薄膜，恰好与钢铁中的铁和少量碳构成原电池。

　　而海气中弥散的大量盐分，又“雪上加霜”，加速电子在溶液中的移动，这种导电作用，加快钢铁的腐蚀速度。

　　高铁工程结构的抗腐蚀标准是百年抗腐，在沿海地区高盐高湿的气候条件下，依靠在钢梁表面刷漆的传统防腐方式，很难达到百年抗腐的标准。

　　安海湾特大桥的索塔钢锚梁和支座，采用耐海洋大气腐蚀钢，填补了我国的钢种空白。所谓耐海洋大气腐蚀钢，是世界超级钢技术前沿水平的系列钢种之一，通过往钢材里加入微量镍元素，让钢材自身生成致密、稳定的钝化锈层，阻止海水中氯离子的渗透，实现“以锈制锈”的长效防腐效果。

　　由于跨海大桥位于沿海高风速带，海上多风，必须采取强有力措施，防止桥梁在大风冲击下产生横向晃动和涡振现象。

　　为确保安海湾特大桥在大风中“稳如泰山”，确保动车高速、平稳、安全运行，技术团队对桥梁主塔造型开展创新设计：主梁采用流线箱形结构，并附加导流板、减震栏杆、拉索电涡流阻尼器等气动措施，降低复杂环境下的风致振动幅度，有效避免异常涡振的发生，在不设风屏障等防风措施的情况下，大桥可确保列车在8级大风条件下以350公里时速平稳通过。

　　国之重器“昆仑号”

　　让架桥实现加速度

　　工欲善其事，必先利其器。2020年11月，世界首台千吨级运架一体机“昆仑号”闪亮登场，架设世界首座采用1000吨重、40米跨箱梁的跨海高铁桥梁——福厦高铁湄洲湾跨海大桥。

　　这台架桥机的最大承重力超过1000吨，能轻松举起40米级别的高铁箱梁，还能搞定32米和24米级的箱梁架设，相当于一台能顶三台不同规格的架桥机作业。

　　除了体型巨大，“昆仑号”最引人注意的是多达88个轮子，这使得昆仑号举起沉重的箱梁之后可自行行驶。88个轮子在确保行驶稳定性的同时，把重量均匀分摊到更大的接地面积上，减少对桥面的压强。

　　此外，“昆仑号”的造型也很有讲究，特殊的结构使得海风可以直接从缝隙当中穿过，让“昆仑号”在超过7级的大风条件下也能稳稳地正常作业。“昆仑号”的本事还有不少：配备了激光矩阵传感器系统，通过扫描周边环境数据，能够在隧道内实现自动行驶、行走自动纠偏等功能。这个功能使得架梁速度提升了25%。正是凭借“昆仑号”这个神器，建设者仅用218天就完成了湄洲湾跨海大桥的架设任务。

　　湄洲湾跨海大桥和“昆仑号”运架一体机，分别入选2021年度央企“十大超级工程”和“十大国之重器”。