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列车驶过沪通大桥时桥面会上下移动近2米?专家

2020-05-20 03:23      点击:

  我们为您带来一篇对大桥总设计师高宗余的专访,听他揭秘大桥背后不为人知的故事。

  世界排名前十的斜拉桥(均含在建)中,有7座在中国,其中3座是中铁大桥院设计的;世界排名前十的铁路斜拉桥中,9座在中国,9座都是大桥院设计的;世界排名前十的公路悬索桥中,有5座在中国,大桥院设计了其中的2座。中国是世界桥梁设计和建造的第一梯队,名副其实。

  即将通车的沪通长江公铁两用大桥,在世界排名前十的公铁两用斜拉桥中,位居榜首。“公铁两用桥的设计和建造,比纯公路桥难度要大很多。”沪通大桥总设计师、中国中铁大桥勘测设计院集团有限公司总工程师、教授级高工高宗余说。

  “沪通长江大桥是2005年正式开始研究的,此后整整5年,我们都在论证桥位。这5年非常痛苦,因为此处长江已近入海口,江面宽,又是黄金水道,通航要求高,而且好的桥位早就被选完了。”高宗余介绍说。

  2009年末,“(南)通-苏(州)-嘉(兴)-甬(宁波)”城际铁路规划确定了,开始做前期设计,而高速公路的跨江“锡通通道”(无锡-南通)也要过江,于是决定通沪铁路、“通-苏-嘉-甬”、“锡通通道”三者共享一座跨江大桥,铁路由原来的双线线,一增一减,仅此就可为国家省下至少100亿元建桥投入,还大大节省了土地和岸线公里处建设沪通公铁两用桥的方案得以确定,国家发改委将此列为“多通道合建”的范例。

  2013年12月,铁总和江苏省政府下达《新建南通到上海铁路沪通长江大桥工程初步设计的批复》,仅3个月,大桥院在高宗余的带领下,开足马力,将大桥所有的施工图出完——2014年3月,沪通大桥正式开工。

  沪通大桥通航孔主跨为1092米,将是国内最大的公铁两用斜拉桥。“为什么主跨要1092米?桥梁设计师开始设计桥梁跨度和桥塔时,首先要考虑哪些因素?”记者请教他。

  “最重要的是两大要素:外部条件和地质缺陷点”,高宗余说,“以沪通大桥为例,外部条件首先要满足交通部门规定的长江通航净宽要求,长江这一段航道宽度要求是900米;其次,因为这里临近长江出海口,水流还受涨潮落潮的影响,夏季和冬季的江水流向也不同,大桥不可能总是正对着主航道,所以还要加上大桥轴线和流向的夹角;再者,还要将桥墩的宽度和防撞设施考虑进去,因为通航的要求是必须满足10万吨船的航行需求,所以桥墩必须足够坚固,能承受10万吨船舶的撞击。沪通大桥的跨度是经过精确计算得出来的。”

  为确保10万吨船的通航,交通部门规定从江阴到出海口的长江大桥净空高度为62米。“在净空高度之上,桥塔从桥面到塔顶的高度有个大致合理的比例,就是大桥跨度的四分之一。跨度1092米,桥塔上部至少250-270米,再加上桥面下的净空高度、承台高度,所以最后确定塔高330米。”高宗余说,“简单来说,就是江宽和航道、防洪要求决定了跨度,跨度和净空高度又决定了桥塔的高度。”

  沪通长江大桥是铁路4线年通车的武汉长江大桥和1968年通车的南京长江大桥,铁路还只是双线年建成通车的京广高铁跨江通道——武汉天兴洲公铁两用大桥才首次采用4线通行,总设计师高宗余因“三索面三主桁公铁两用斜拉桥建造技术”于2013年获得了国家科技进步一等奖。

  “首先是桥梁的载重量大大提高了。”高宗余说,“按设计规范,客货兼运的干线吨/米,只走旅客列车的客运专线吨/米,而公路桥每一车道的荷载标准是1.05吨/米,三者相加就可以算出2条干线条客运专线条车道的沪通大桥荷载,已经是世界之最:35吨/米。”

  (2020年5月8日,正在进行联调联试的通沪铁路成功首跑重联动车组试验列车)

  由此可见,公路桥的荷载与公铁两用桥的荷载完全不是一个数量级。记者请教中铁大桥院副总工程师肖海珠,桥梁的跨度越大、荷载越重,对桥梁设计带来的难度是什么?

  肖海珠说:“大跨度桥的特点是‘柔’,就是在重力作用下,两座桥塔最中间的桥面变形会比较大,工程上叫‘挠跨比’。沪通大桥的挠跨比不能超过千分之二,也就是桥面跨度1092米,最中间部分上下变形的绕度不能超过2米。”

  将来列车驶过沪通大桥中间时,桥面竟然会上下移动将近2米?这是记者事先没想到的。如此幅度,客运专列的时速又高达200余公里,会不会因轨道变形而危及行车安全?

  “这确实带来了沪通大桥必须攻克的诸多难点,也是高总带领我们攻关的几个重大创新点。高总首创了轨道形位研究,明确了桥上线路轨距差、轨道高差等十多项关键控制指标,形成了高铁大跨度桥梁形位控制设计方法,破解了列车高速通过大桥时轨道平顺不平顺、旅客舒适不舒适的难题。”肖海珠说。

  高宗余还带领设计团队通过建立计算机空间模型,对桥梁钢结构和斜拉索的稳定性进行分析,以最大可能地减少桥面的挠动幅度。之前的斜拉桥,大多是大桥两侧各有一排斜拉索系在桥塔上,这在桥梁专业上叫“两索面两主桁”。而沪通大桥荷载太重,高宗余决定采用“三索面三主桁”,也就是在桥的双主桁的钢桁梁和两侧的斜拉索之外,在桥中间再加一个钢桁梁和再拉一排斜拉索,用三排斜拉索牢牢拉住桥面。高宗余还提出,仅仅结构上加强还不够,还必须采用强度更大、更耐久的桥梁钢和斜拉索才行。

  “当时我们已有Q420桥梁钢和1860兆帕斜拉索,这在国际上已经领先了,国外至今也没有造过大跨度的4线铁路桥。”肖海珠说,“但高总提出要研制屈服强度500兆帕的Q500桥梁钢和应力可达2000兆帕的新型斜拉索。”

  根据大桥设计团队提出的技术要求,在宝武和鞍钢的大力支持下,这2款世界上强度最高的桥梁专用钢材终于先后合作研制成功。这不仅提高了桥梁钢和斜拉索的强度,还使整座桥梁的结构支撑变轻了,沪通大桥的自重也大大减轻了。

  “沪通大桥的‘钢筋铁骨’,都是我们中国人自主创新研制的。”高宗余很自豪地说。

  “那就是大桥即将合龙前一刻,因为桥梁悬臂伸出去最远,”高宗余说,“那时桥面所有的重量都在斜拉索上,前一天晚上会反复地思考:桥梁和桥塔的固结是否可靠?每根斜拉索的力是不是计算准确……”

  合龙时,通常会举行一个庆祝仪式,真没想到这彩旗飘扬的时刻,竟然是设计师心情最紧张的时刻。

  “我们做工程的,讲假话没有用的,实践会立刻让你现原形。大桥顺利合龙了,我们才真的放心了。”他说。

  “科学家可以失败,但工程师不能失败。科学家要苦思冥想,说不定失败反而会激发出智慧的火花;而我们是工程师,工程师失败了,工程就失败了,这国家的损失就太大了。”高宗余多次对团队同事说。

  沪通大桥遇到的一大难题是砂土地基。地质勘探发现,桥塔所在的位置再往下二三百米,仍是砂土层。通常建桥是在河床上打桩,桩要一直打到岩石层站住,然后在桩上造桥塔,找不到岩石层可怎么办?

  此关必破。高宗余和他的设计团队反复研讨,最后他拍板确定了一根桩也不打的“沉井方案”。这是个超巨型的“钢壳+钢筋混凝土”组合式沉井,平面尺寸相当于12个篮球场,是世界上规模最大的深水沉井基础。沉井分为上下两部分,各有将近20层楼这么高,下部是钢壳沉井,在南通制造基地焊接完成后,浮运到现场,全部打进江底的砂土层后,底部再用近10多米厚的混凝土封住,形成一个超5000平方米的承重平面;然后上面再加混凝土沉井,混凝土沉井高出江面,上部形成一个高8米的承重平台,桥塔就站在承重平台上。”高宗余说,“我们用这项世界首创的巨型组合沉井技术,将基础打得牢牢的,确保沪通大桥可以抵御8级地震和13级台风侵袭。”

  要不是他揭开这水下的秘密,还真不知道沪通大桥与南京长江大桥在江底下有这么大的不同。

  “对我们设计师来说,每一座大桥都是不同的,都是根据功能要求和各种环境限制条件专门定制的。沪通长江大桥,就是我们为服务长三角定制的。”高宗余说。

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