“基建狂魔”上新！一座桥拿下三项世界之最
2020-09-20 14:32:13 来源: 科技日报 作者: 矫阳
9月15日，世界桥梁领域又一里程碑式工程——福（州）至厦（门）高速铁路泉州湾大桥主塔正式封顶。
“福厦高铁泉州湾大桥全长20.3公里，主跨400米，设计建设面临多项技术挑战。大桥主塔封顶，标志着我国桥梁建设开启了世界高速铁路跨海时代。”中国铁建第四勘察设计院集团有限公司（以下简称铁四院）福厦高铁泉州湾跨海大桥设计负责人曾甲华说。
福厦高铁泉州湾跨海大桥是国内外首座高速铁路跨海斜拉桥；设计行车时速超过300公里，为世界最高、世界第四长跨海铁路大桥，也是全球首座主塔采用免涂装耐候钢的大型跨海工程。
高速抗风行驶，同样做到硬币不倒
泉州湾大桥是福厦高铁关键控制性工程，大桥跨越泉州湾中部海域，为世界首座高速铁路跨海大桥。
“跨海高铁大桥，设计最关键是抗风以及保持高速行驶，否则桥梁会因风产生严重的横向晃动和上下震幅（涡震）现象。”曾甲华说。
地理气象信息显示，泉州湾位于沿海高风速带，风速大，风况复杂，全年6级及以上风力天数达91天。
为保证桥梁在大风中稳固，保持动车高速运行的连续性，铁四院技术团队在设计中采用了大量新结构和新技术，达到在不设风屏障等防风措施下，动车在8级大风下以时速350公里速度行驶不限速，11级暴风下不封闭交通。
由于泉州湾航运繁忙，跨越主航道必须加大主跨。“通航孔主桥设计采用主跨400米双塔钢—混组合梁斜拉桥，两侧深水区引桥总长约4.3公里、采用3—70米无支座整体式刚构桥，为国内外铁路斜拉桥首次。”曾甲华说。
为解决强风环境下长大跨海大桥通行高速铁路列车的技术难题，铁四院还对桥梁主塔造型进行了创新设计。
“主梁采用流线箱形结构，并附加导流板、减振栏杆、拉索电涡流阻尼器等有效气动措施。”曾甲华说，这些结构设计，使桥体绕开风向，减少了复杂风环境下的风致振动，避免了虎门大桥、武汉鹦鹉洲长江大桥等国内桥梁曾经发生过的异常涡振现象。
根据系列风洞试验和风—车—线—桥耦合振动等专题研究成果，福厦高铁泉州湾跨海大桥可抵抗12级强台风，涡激振动幅度控制在惊人的5毫米以内。
“这个涡振数字，使高速列车即使在8级大风中通过跨海大桥桥面，也能达到与陆地引桥相同的行车条件，同样做到硬币不倒。”曾甲华说。
新结构、新技术的采用，使福厦高铁正线达到时速350公里运营目标，消除了以往沿海高铁跨海时降速的难题。
以锈制锈，适应高盐高湿腐蚀环境
除了抗风，在海洋气候高盐高湿腐蚀环境下，如何保证高速铁路跨海大桥长效防腐耐久？这是设计面临的又一个难题。
“为解决海洋环境桥梁锈蚀问题，以往的防护需要定期除绣涂漆。”曾甲华说，针对海洋环境下桥梁重要结构的锈蚀问题，福厦高铁泉州湾跨海大桥索塔钢锚梁和支座创新采用新材料，在国内首次采用耐海洋大气腐蚀钢，免涂装（不涂油漆）、不设除湿系统，为全球首座采用免涂装耐候钢的大型跨海工程，适应了高盐高湿的海洋腐蚀大气环境。
耐候钢，即耐大气腐蚀钢，由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，在融入现代冶金新机制、新技术和新工艺后，不断发展创新，属世界超级钢技术前沿水平的系列钢种之一。
为填补我国耐海洋大气腐蚀钢的钢种空白，铁四院设计团队联合鞍钢集团有限公司（以下简称鞍钢集团）立项攻关。
“通过反复对钢材化学成分进行设计比选、力学及工艺验证试验、海洋环境现场挂片曝晒试验等，成功研制了镍系耐海洋大气腐蚀钢、配套高强螺栓及焊接材料，基于钢材自身生成致密稳定的钝化锈层，阻止氯离子渗透。”曾甲华说，项目课题成果体现“以锈制锈”理念，达到海洋环境下桥梁全寿命期的长效防腐效果。
鞍钢集团和铁四院技术人员表示，福厦高铁泉州湾跨海大桥项目，打破了免涂装耐候钢只能应用在普通大气环境和滨海环境（离海岸线1公里以上）的世界技术格局，推动了世界耐候钢桥的发展，实现“免涂装、绿色耐久、锈色之美”的绿色全寿命设计。
耐候钢成本高，仅能用在最重要的承力结构部件上，大面积的钢梁如何实现耐久防腐？
为给大桥寻找超长耐久防腐涂料，铁四院联合北京航空材料研究院，研发并应用了钢梁超长耐久防腐涂装体系。“该体系采用石墨烯纳米材料改性鳞片型醇溶无机富锌底漆和超耐候氟碳面漆，耐盐雾性和耐人工加速老化性为现有技术的2倍以上，可实现钢结构在海洋腐蚀大气环境下30年以上的超长寿命耐久目标。”曾甲华说，这个时间高于目前跨海桥最长25年的设计防腐寿命，将实现我国钢梁防腐涂装体系30年超长防腐寿命的技术突破。
长联大跨，毫米级精度建造抗强震
福厦高铁泉州湾大桥设计全联长采用钢—混结合梁，为国内外铁路斜拉桥中首次采用。构件全部实现工厂化制造，深水区引桥采用标准化的无支座整体预应力混凝土刚构桥。“通过设计采用上述桥梁结构形式和体系的选择，实现了高速铁路桥梁毫米级建造精度要求。”曾甲华说。
福厦高铁设计位于福建沿海地区和台湾海峡西岸，北起福州市，途径莆田、泉州、厦门，南至漳州，正线全长277公里，设计时速度350公里，是我国第一条真正意义上的海洋环境下服役的高速铁路工程、国内外行车速度最高的沿海/跨海铁路。
“泉州湾高铁跨海大桥地处台湾海峡西岸，属地震高烈度区，从概率上具备发生8级强震的可能性。”曾甲华说。
如何解决长联高墩跨海大桥的抗震设计难题？“设计团队研制采用了纵向粘滞阻尼器、可剪断的耐候双曲面球型钢支座、金属阻尼器的综合减隔震体系及技术；采用无支座整体刚构桥，实现长联高墩桥梁的柔性高墩、梁部体系协同受力，解决了地震高烈度区长联高墩大跨桥梁的抗震设计难题。”曾甲华说。
除结构设计技术材料不断创新，福厦高铁泉州湾大桥在设计上也充分践行了“精品工程、智能工程和环境友好型工程”现代理念，即一个好的建筑设计必须融入当地自然环境。
“项目联合美术院校开展了景观专题设计，充分融入海洋元素。桥塔采用了贝壳形曲线桥塔，兼顾结构合理和建筑美学。”曾甲华解释说，这个造型设计寓意为“泉州作为福建经济第一强市、古代海上丝绸之路的起点及当时的东方第一大港”，海洋孕育了泉州这座沿海城市，赋予了她无尽的生机活力和发展动力，将在21世纪海上丝绸之路的发展契机下，扬帆起航，重现海上贸易和世界大港的辉煌”。
专家认为，福厦高铁泉州湾跨海大桥将推动我国大跨度高速铁路、跨海桥梁的技术发展，成为中国高速铁路2.0版的代表性工程之一，也将是世界桥梁领域的里程碑式工程。
图为正在进行主塔封顶作业的泉州湾高铁跨海大桥。 受访者供图
2020-09-20 14:32:13 来源: 科技日报 作者: 矫阳
9月15日，世界桥梁领域又一里程碑式工程——福（州）至厦（门）高速铁路泉州湾大桥主塔正式封顶。
“福厦高铁泉州湾大桥全长20.3公里，主跨400米，设计建设面临多项技术挑战。大桥主塔封顶，标志着我国桥梁建设开启了世界高速铁路跨海时代。”中国铁建第四勘察设计院集团有限公司（以下简称铁四院）福厦高铁泉州湾跨海大桥设计负责人曾甲华说。
福厦高铁泉州湾跨海大桥是国内外首座高速铁路跨海斜拉桥；设计行车时速超过300公里，为世界最高、世界第四长跨海铁路大桥，也是全球首座主塔采用免涂装耐候钢的大型跨海工程。
高速抗风行驶，同样做到硬币不倒
泉州湾大桥是福厦高铁关键控制性工程，大桥跨越泉州湾中部海域，为世界首座高速铁路跨海大桥。
“跨海高铁大桥，设计最关键是抗风以及保持高速行驶，否则桥梁会因风产生严重的横向晃动和上下震幅（涡震）现象。”曾甲华说。
地理气象信息显示，泉州湾位于沿海高风速带，风速大，风况复杂，全年6级及以上风力天数达91天。
为保证桥梁在大风中稳固，保持动车高速运行的连续性，铁四院技术团队在设计中采用了大量新结构和新技术，达到在不设风屏障等防风措施下，动车在8级大风下以时速350公里速度行驶不限速，11级暴风下不封闭交通。
由于泉州湾航运繁忙，跨越主航道必须加大主跨。“通航孔主桥设计采用主跨400米双塔钢—混组合梁斜拉桥，两侧深水区引桥总长约4.3公里、采用3—70米无支座整体式刚构桥，为国内外铁路斜拉桥首次。”曾甲华说。
为解决强风环境下长大跨海大桥通行高速铁路列车的技术难题，铁四院还对桥梁主塔造型进行了创新设计。
“主梁采用流线箱形结构，并附加导流板、减振栏杆、拉索电涡流阻尼器等有效气动措施。”曾甲华说，这些结构设计，使桥体绕开风向，减少了复杂风环境下的风致振动，避免了虎门大桥、武汉鹦鹉洲长江大桥等国内桥梁曾经发生过的异常涡振现象。
根据系列风洞试验和风—车—线—桥耦合振动等专题研究成果，福厦高铁泉州湾跨海大桥可抵抗12级强台风，涡激振动幅度控制在惊人的5毫米以内。
“这个涡振数字，使高速列车即使在8级大风中通过跨海大桥桥面，也能达到与陆地引桥相同的行车条件，同样做到硬币不倒。”曾甲华说。
新结构、新技术的采用，使福厦高铁正线达到时速350公里运营目标，消除了以往沿海高铁跨海时降速的难题。
以锈制锈，适应高盐高湿腐蚀环境
除了抗风，在海洋气候高盐高湿腐蚀环境下，如何保证高速铁路跨海大桥长效防腐耐久？这是设计面临的又一个难题。
“为解决海洋环境桥梁锈蚀问题，以往的防护需要定期除绣涂漆。”曾甲华说，针对海洋环境下桥梁重要结构的锈蚀问题，福厦高铁泉州湾跨海大桥索塔钢锚梁和支座创新采用新材料，在国内首次采用耐海洋大气腐蚀钢，免涂装（不涂油漆）、不设除湿系统，为全球首座采用免涂装耐候钢的大型跨海工程，适应了高盐高湿的海洋腐蚀大气环境。
耐候钢，即耐大气腐蚀钢，由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，在融入现代冶金新机制、新技术和新工艺后，不断发展创新，属世界超级钢技术前沿水平的系列钢种之一。
为填补我国耐海洋大气腐蚀钢的钢种空白，铁四院设计团队联合鞍钢集团有限公司（以下简称鞍钢集团）立项攻关。
“通过反复对钢材化学成分进行设计比选、力学及工艺验证试验、海洋环境现场挂片曝晒试验等，成功研制了镍系耐海洋大气腐蚀钢、配套高强螺栓及焊接材料，基于钢材自身生成致密稳定的钝化锈层，阻止氯离子渗透。”曾甲华说，项目课题成果体现“以锈制锈”理念，达到海洋环境下桥梁全寿命期的长效防腐效果。
鞍钢集团和铁四院技术人员表示，福厦高铁泉州湾跨海大桥项目，打破了免涂装耐候钢只能应用在普通大气环境和滨海环境（离海岸线1公里以上）的世界技术格局，推动了世界耐候钢桥的发展，实现“免涂装、绿色耐久、锈色之美”的绿色全寿命设计。
耐候钢成本高，仅能用在最重要的承力结构部件上，大面积的钢梁如何实现耐久防腐？
为给大桥寻找超长耐久防腐涂料，铁四院联合北京航空材料研究院，研发并应用了钢梁超长耐久防腐涂装体系。“该体系采用石墨烯纳米材料改性鳞片型醇溶无机富锌底漆和超耐候氟碳面漆，耐盐雾性和耐人工加速老化性为现有技术的2倍以上，可实现钢结构在海洋腐蚀大气环境下30年以上的超长寿命耐久目标。”曾甲华说，这个时间高于目前跨海桥最长25年的设计防腐寿命，将实现我国钢梁防腐涂装体系30年超长防腐寿命的技术突破。
长联大跨，毫米级精度建造抗强震
福厦高铁泉州湾大桥设计全联长采用钢—混结合梁，为国内外铁路斜拉桥中首次采用。构件全部实现工厂化制造，深水区引桥采用标准化的无支座整体预应力混凝土刚构桥。“通过设计采用上述桥梁结构形式和体系的选择，实现了高速铁路桥梁毫米级建造精度要求。”曾甲华说。
福厦高铁设计位于福建沿海地区和台湾海峡西岸，北起福州市，途径莆田、泉州、厦门，南至漳州，正线全长277公里，设计时速度350公里，是我国第一条真正意义上的海洋环境下服役的高速铁路工程、国内外行车速度最高的沿海/跨海铁路。
“泉州湾高铁跨海大桥地处台湾海峡西岸，属地震高烈度区，从概率上具备发生8级强震的可能性。”曾甲华说。
如何解决长联高墩跨海大桥的抗震设计难题？“设计团队研制采用了纵向粘滞阻尼器、可剪断的耐候双曲面球型钢支座、金属阻尼器的综合减隔震体系及技术；采用无支座整体刚构桥，实现长联高墩桥梁的柔性高墩、梁部体系协同受力，解决了地震高烈度区长联高墩大跨桥梁的抗震设计难题。”曾甲华说。
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