近日，福廈高鐵安海灣大橋合龍。這是世界首座無砟軌道跨海大跨斜拉橋，全長9.5公里、主跨300米，預計2023年通車后，動車以時速350公里，只需98秒就可風馳電掣跨越大海。
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，有砟換無砟
福廈高鐵先后跨越湄洲灣、泉州灣、安海灣三個海灣。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”，也是世界無砟軌道橋梁“大跨”跨海的“開山之作”。
為什么要在跨海大橋設計無砟軌道?
“跨度300米及以上的大跨高鐵橋，多采用斜拉橋等柔性結構。受自然環境影響，橋面高程會隨氣溫升降而變化，影響軌道的平順度。”中國鐵建鐵四院(以下簡稱鐵四院)副總工程師嚴愛國告訴科技日報記者，保持橋面平順，是滿足高鐵高速通過大橋的前提。
由于有砟軌道維修技術相對成熟，此前，我國設計的滿足時速350公里要求的高鐵橋，其橋梁軌道均為有砟。
不過，有砟軌道最大的問題，是列車高速通過時，道砟(用來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，并由此產生一系列問題。因此，我國鐵路部門曾規定，高鐵通過有砟軌道，以時速250公里為限。這意味著動車行駛在設計時速350公里的高鐵上，通過大橋時就要降速。而我國高鐵線路，因安全性、節約土地資源、降低成本、保護生態環境及防止中長在沉降等原因，在設計時多采用高架橋。
采用無砟軌道則可避免道砟飛濺，其平順性、穩定性好，但這種軌道對施工工藝要求高，對沉降控制要求苛刻。
如何在大跨度橋梁鋪設無砟軌道，成為一個難以攻克的技術問題。
2017年，國鐵集團設立“大跨度橋梁鋪設無砟軌道技術深化研究”項目，鐵四院牽頭主持了項目課題，并依托主跨300米的昌贛鐵路贛江特大橋，獲取了工程經驗。
相比江河，海上的風浪使大跨斜拉橋的穩定性面臨更高挑戰。
“在大跨度跨海橋梁上，鋪設無砟軌道并通行高速列車，對橋梁結構剛度、徐變變形、動力性能等要求極高。”嚴愛國說，斜拉橋結構本身易變形，在大風頻繁的海上環境，如何保證跨度又兼顧剛度，是設計的關鍵。
經過無數次模擬試驗，設計團隊找到了適應大海大跨環境的鋼混組合梁結構參數，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、適應大跨度橋梁建設，混凝土橋面則提升了橋梁剛度，兩者結合滿足了列車高速通過的要求。”嚴愛國說。
鋼加鎳耐腐，流線箱造型抗風
和普通橋梁相比，跨海大橋還面臨著另一項考驗，就是海風海水腐蝕，這是世界各國海洋工程建設面臨的共同問題。
在潮濕的空氣中，鋼鐵表面形成的水膜，會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，形成含有電解質溶液的薄膜，恰與鋼鐵中的鐵和少量的碳構成原電池。
“而海氣中彌散的大量鹽，又促使電子在溶液中快速移動，這種導電作用，加快了鋼鐵的腐蝕速度。”鐵四院福廈高鐵橋梁設計負責人曾甲華說。
高鐵工程結構的抗腐蝕標準是百年抗腐，針對鋼結構的主要防腐方法，均是選用耐用的重防腐涂層。“在沿海地區高鹽高濕的氣候條件下，依靠在鋼梁表面刷漆的傳統防腐方式，很難達到這一標準。”曾甲華說，為保證大橋的壽命長久，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，填補了我國的鋼種空白。
所謂耐海洋大氣腐蝕鋼，是世界超級鋼技術前沿水平的系列鋼種之一，通過往鋼材里加入微量鎳元素，讓鋼材自身生成致密穩定的鈍化銹層，阻止海水中氯離子的滲透，實現了“以銹制銹”的長效防腐效果。
由于跨海大橋位于沿海高風速帶，海上多風，海風又會產生沖擊，因此必須通過結構創新保證路面剛度，否則橋梁會因風產生嚴重的橫向晃動和渦振現象。
如何設計出能抗風的結構，使大跨度跨海大橋避免了異常渦振，從而穩穩地立在海上?
為保證橋梁在大風中穩固，保持動車高速運行的連續性，鐵四院技術團隊設計福廈高鐵跨海大橋時，采用了大量新結構和新技術。
技術團隊對橋梁主塔造型進行了創新設計。“以安海灣大橋為例，主梁采用流線箱形結構并附加導流板、減震欄桿、拉索電渦流阻尼器等氣動措施，減小了復雜風環境下的風致振動，避免了異常渦振的發生。”鐵四院福廈高鐵橋梁設計負責人楊恒說。
這些設計，讓列車可以在不設風屏障等防風措施的情況下，在8級大風中以時速350公里通過跨海大橋，在11級暴風下也不會封閉交通。
主跨300米跨海橋，首創無砟軌道現澆
在主跨超300米的安海灣跨海大橋上鋪設無砟軌道，國內外沒有先例。
無砟軌道主要為鋼筋混凝土結構，相比有砟軌道列車運行時速更高。目前國內無砟軌道主要分兩種。一是在工廠預制好軌道板運送至現場施工，即預制板式無砟軌道;二是在現場組裝好軌排再進行道床板澆筑施工，即現澆雙塊式無砟軌道。
“此前我國建設的大跨度的跨江橋梁，采用過預制板式無砟軌道。而在大跨度跨海橋梁上，采用現澆雙塊式無砟軌道并通行高鐵，這對軌道結構變形協調能力、線形控制等要求極高，是一項全新的高難度技術挑戰。”鐵四院線站院軌道工程實驗室技術研發部部長朱彬說。
由于福廈高鐵全線采用現澆雙塊式無砟軌道，為統一施工工藝、降低成本，針對大跨跨海橋梁采用現澆雙塊式無砟軌道結構，需要進行創新研究。
“要承載動車以時速350公里通過大跨度橋梁，無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。”鐵四院軌道設計負責人葛海娟說。
由于復雜的受力和變形協調要求，需要設計出相適應的無砟軌道結構。
設計人員表示，相比陸地或跨江河橋梁，如何解決大跨度跨海大橋因風力、腐蝕等復雜環境條件產生的軌道與橋梁變形協調問題，是無砟軌道設計的難點。
要解決這個關鍵技術，就需要改變此前在陸地或一般跨度橋上采用的無砟軌道結構。通過無數次方案研究、理論分析、計算機模擬及模型實驗驗證，設計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，設置隔離緩沖墊層，替代傳統設計采用土工布(一種纖維織物)的方案。課題組同時研究形成了大跨度橋上無砟軌道線型控制技術和軌道平順性驗收標準。
“設置隔離緩沖墊層，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，還實現了變形協調功能，也便于運營期道床損壞時整治維修。”朱彬說。
“創新研發的現澆雙塊式無砟軌道，解決了大跨橋上鋪設無砟軌道的難題，首次實現了在時速350公里高鐵，跨度300米級的大跨度跨海橋上鋪設現澆雙塊式無砟軌道。”鐵四院副總工程師李秋義說。
“福廈高鐵跨海過江，正線全長277.42公里，設計時速350公里，上跨多條高等級公路和既有鐵路，正線新建橋梁170座，長度共計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，全線復雜橋梁“一橋一策”，設計人員畫了四萬張圖紙，涵蓋了多項先進技藝和工法。(矯陽)
