圖為正在進行主塔封頂作業的泉州灣高鐵跨海大橋。受訪者供圖
福廈高鐵泉州灣大橋全長20.3公里，主跨400米，是國內外首座高鐵跨海大橋；設計行車時速達350公里，為世界最高；是全球首座採用免塗裝耐候鋼大型跨海工程。
9月15日，世界橋樑領域又一里程碑式工程——福(州)至廈(門)高速鐵路泉州灣大橋主塔正式封頂。
“福廈高鐵泉州灣大橋全長20.3公里，主跨400米，設計建設面臨多項技術挑戰。大橋主塔封頂，標誌着我國橋樑建設開啓了世界高速鐵路跨海時代。”中國鐵建第四勘察設計院集團有限公司(以下簡稱鐵四院)福廈高鐵泉州灣跨海大橋設計負責人曾甲華説。
福廈高鐵泉州灣跨海大橋是國內外首座高速鐵路跨海斜拉橋；設計行車時速超過300公里，為世界最高、世界第四長跨海鐵路大橋，也是全球首座主塔採用免塗裝耐候鋼的大型跨海工程。
高速抗風行駛，同樣做到硬幣不倒
泉州灣大橋是福廈高鐵關鍵控制性工程，大橋跨越泉州灣中部海域，為世界首座高速鐵路跨海大橋。
“跨海高鐵大橋，設計最關鍵是抗風以及保持高速行駛，否則橋樑會因風產生嚴重的橫向晃動和上下震幅(渦震)現象。”曾甲華説。
地理氣象信息顯示，泉州灣位於沿海高風速帶，風速大，風況複雜，全年6級及以上風力天數達91天。
為保證橋樑在大風中穩固，保持動車高速運行的連續性，鐵四院技術團隊在設計中採用了大量新結構和新技術，達到在不設風屏障等防風措施下，動車在8級大風下以時速350公里速度行駛不限速，11級暴風下不封閉交通。
由於泉州灣航運繁忙，跨越主航道必須加大主跨。“通航孔主橋設計採用主跨400米雙塔鋼—混組合梁斜拉橋，兩側深水區引橋總長約4.3公里、採用3—70米無支座整體式剛構橋，為國內外鐵路斜拉橋首次。”曾甲華説。
為解決強風環境下長大跨海大橋通行高速鐵路列車的技術難題，鐵四院還對橋樑主塔造型進行了創新設計。
“主樑採用流線箱形結構，並附加導流板、減振欄杆、拉索電渦流阻尼器等有效氣動措施。”曾甲華説，這些結構設計，使橋體繞開風向，減少了複雜風環境下的風致振動，避免了虎門大橋、武漢鸚鵡洲長江大橋等國內橋樑曾經發生過的異常渦振現象。
根據系列風洞試驗和風—車—線—橋耦合振動等專題研究成果，福廈高鐵泉州灣跨海大橋可抵抗12級強颱風，渦激振動幅度控制在驚人的5毫米以內。
“這個渦振數字，使高速列車即使在8級大風中通過跨海大橋橋面，也能達到與陸地引橋相同的行車條件，同樣做到硬幣不倒。”曾甲華説。
新結構、新技術的採用，使福廈高鐵正線達到時速350公里運營目標，消除了以往沿海高鐵跨海時降速的難題。
以鏽制鏽，適應高鹽高濕腐蝕環境
除了抗風，在海洋氣候高鹽高濕腐蝕環境下，如何保證高速鐵路跨海大橋長效防腐耐久？這是設計面臨的又一個難題。
“為解決海洋環境橋樑鏽蝕問題，以往的防護需要定期除繡塗漆。”曾甲華説，針對海洋環境下橋樑重要結構的鏽蝕問題，福廈高鐵泉州灣跨海大橋索塔鋼錨梁和支座創新採用新材料，在國內首次採用耐海洋大氣腐蝕鋼，免塗裝(不塗油漆)、不設除濕系統，為全球首座採用免塗裝耐候鋼的大型跨海工程，適應了高鹽高濕的海洋腐蝕大氣環境。
耐候鋼，即耐大氣腐蝕鋼，由普碳鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素而成，在融入現代冶金新機制、新技術和新工藝後，不斷髮展創新，屬世界超級鋼技術前沿水平的系列鋼種之一。
為填補我國耐海洋大氣腐蝕鋼的鋼種空白，鐵四院設計團隊聯合鞍鋼集團有限公司(以下簡稱鞍鋼集團)立項攻關。
“通過反覆對鋼材化學成分進行設計比選、力學及工藝驗證試驗、海洋環境現場掛片曝曬試驗等，成功研製了鎳系耐海洋大氣腐蝕鋼、配套高強螺栓及焊接材料，基於鋼材自身生成緻密穩定的鈍化鏽層，阻止氯離子滲透。”曾甲華説，項目課題成果體現“以鏽制鏽”理念，達到海洋環境下橋樑全壽命期的長效防腐效果。
鞍鋼集團和鐵四院技術人員表示，福廈高鐵泉州灣跨海大橋項目，打破了免塗裝耐候鋼只能應用在普通大氣環境和濱海環境(離海岸線1公里以上)的世界技術格局，推動了世界耐候鋼橋的發展，實現“免塗裝、綠色耐久、鏽色之美”的綠色全壽命設計。
耐候鋼成本高，僅能用在最重要的承力結構部件上，大面積的鋼樑如何實現耐久防腐？
為給大橋尋找超長耐久防腐塗料，鐵四院聯合北京航空材料研究院，研發並應用了鋼樑超長耐久防腐塗裝體系。“該體系採用石墨烯納米材料改性鱗片型醇溶無機富鋅底漆和超耐候氟碳面漆，耐鹽霧性和耐人工加速老化性為現有技術的2倍以上，可實現鋼結構在海洋腐蝕大氣環境下30年以上的超長壽命耐久目標。”曾甲華説，這個時間高於目前跨海橋最長25年的設計防腐壽命，將實現我國鋼樑防腐塗裝體系30年超長防腐壽命的技術突破。
長聯大跨，毫米級精度建造抗強震
福廈高鐵泉州灣大橋設計全聯長採用鋼—混結合梁，為國內外鐵路斜拉橋中首次採用。構件全部實現工廠化製造，深水區引橋採用標準化的無支座整體預應力混凝土剛構橋。“通過設計採用上述橋樑結構形式和體系的選擇，實現了高速鐵路橋樑毫米級建造精度要求。”曾甲華説。
福廈高鐵設計位於福建沿海地區和台灣海峽西岸，北起福州市，途徑莆田、泉州、廈門，南至漳州，正線全長277公里，設計時速度350公里，是我國第一條真正意義上的海洋環境下服役的高速鐵路工程、國內外行車速度最高的沿海/跨海鐵路。
“泉州灣高鐵跨海大橋地處台灣海峽西岸，屬地震高烈度區，從概率上具備發生8級強震的可能性。”曾甲華説。
如何解決長聯高墩跨海大橋的抗震設計難題？“設計團隊研製採用了縱向粘滯阻尼器、可剪斷的耐候雙曲面球型鋼支座、金屬阻尼器的綜合減隔震體系及技術；採用無支座整體剛構橋，實現長聯高墩橋樑的柔性高墩、梁部體系協同受力，解決了地震高烈度區長聯高墩大跨橋樑的抗震設計難題。”曾甲華説。
除結構設計技術材料不斷創新，福廈高鐵泉州灣大橋在設計上也充分踐行了“精品工程、智能工程和環境友好型工程”現代理念，即一個好的建築設計必須融入當地自然環境。
“項目聯合美術院校開展了景觀專題設計，充分融入海洋元素。橋塔採用了貝殼形曲線橋塔，兼顧結構合理和建築美學。”曾甲華解釋説，這個造型設計寓意為“泉州作為福建經濟第一強市、古代海上絲綢之路的起點及當時的東方第一大港”，海洋孕育了泉州這座沿海城市，賦予了她無盡的生機活力和發展動力，將在21世紀海上絲綢之路的發展契機下，揚帆起航，重現海上貿易和世界大港的輝煌。
專家認為，福廈高鐵泉州灣跨海大橋將推動我國大跨度高速鐵路、跨海橋樑的技術發展，成為中國高速鐵路2.0版的代表性工程之一，也將是世界橋樑領域的里程碑式工程。(記者 矯 陽)