懸索橋也能穩穩跑高鐵？這座大橋將填補國際空白
◎ 科技日報記者 矯陽
11月30日，順利結束連(雲港)鎮(江)高鐵聯調聯試任務後，五峰山長江大橋開始進入年底前的通車準備。
此前幾天，在這座輕盈的千米大跨懸索橋上，鐵路部門以不同時速、不同車型、多線並行等不同組合反覆測試，平穩運行了近百天，創造了高速列車以時速275公裡平穩通過的世界紀錄，各項指標均達到預期設計目標要求。「這也證明大橋設計方法和理論計算的正確性，同時也表明大橋工程內在質量到達相關技術要求。」全國工程勘察設計大師、中鐵大橋勘測設計院集團副總工程師、五峰山長江大橋總設計師徐恭義說。
五峰山長江大橋設計為公鐵兩用，全長6.409公裡，主橋最大單跨1092米。4線鐵路+雙向8車道高速公路，鐵路設計行車時速250公裡，高速公路設計時速100公裡。
「這座大橋的設計實施，在世界尚無工程先例，整個決策和實施過程，都感到壓力巨大。」徐恭義說。
橋梁結構中，懸索橋屬於典型的柔性結構。從力學角度看，在上千米的尺度上，懸索橋結構非常輕盈，有很大的變形空間。「通過幾噸、幾十噸重的汽車，給懸索橋帶來的變形幾乎忽略不計。」徐恭義說，然而通過百倍於汽車的一列高鐵時，相當於給大橋在短時內施加了一個巨大的荷載，給輕盈的懸索橋造成較大的幾何變形。而高速運行的列車，必須保持軌道具備相當的剛度，任何一點小小的變形，都可能導致安全隱患。
五峰山長江大橋設計為何採用懸索結構？
「五峰山長江大橋跨江段是江蘇省境內河道最窄的位置，也因為水上航道運輸繁忙，建橋要求十分苛刻，要求鐵路橋梁採用懸索橋實現一跨越江，這對高速鐵路技術是巨大的挑戰。因此，這個橋位已經預留了半個多世紀，一直未能實施。」徐恭義解釋說，如果採用同樣跨度的斜拉橋方案，受力要配置較長的平衡邊跨，主橋長度將大大增加，不僅大幅增加造價，同時斜拉橋邊跨位於岸上，景觀效果也差。
用柔性結構懸索橋完成重載高速，突破哪些理論及關鍵技術？
「設計千米跨度懸索橋跑高鐵，體現了中國橋梁設計師的膽識。」中國工程院鄭皆連院士表示。
想要建跑高鐵的懸索橋，就要把柔軟的懸索橋板變「硬」，把原來單薄的扁平橋板給改成立體的桁架。「如此一來，便給本身柔軟單薄的懸索橋增加了剛度和通透性，同時由於負擔雙層橋面荷載，主梁也被加重了許多。所有的橋體重力就要通過索塔，通過錨固於兩岸的纜索來承受，進而傳給地面。」徐恭義說。
中國鐵路總公司、國家鐵路局、上海局集團公司、中國中鐵股份有限公司等共立項20多項重點科研課題，對千米跨度公鐵兩用懸索橋關鍵技術展開科研攻關，突破了千米跨度懸索橋結構構造及合理剛度、千米跨度懸索橋列車系統失穩臨界風速與車速限值、千米跨度懸索橋軌道結構適應性及幾何形位控制、千米跨度懸索橋設計荷載模式、山壑區傾斜高強巖層中超大基坑的開挖與填築、超大平面尺寸陸地沉井施工等多項關鍵技術。
如何在輕盈的懸索橋上保持動車平穩高速行駛？「五峰山長江大橋設計主跨1092米的公鐵合建鋼桁梁懸索橋方案，豎向與橫向均為五跨連續結構，主梁採用新型鋼桁加勁梁結構，上層公路8車道橋面總寬46米，下層鐵路4線橋面全寬31.7米。」徐恭義說，通過合理的結構設計和準確的理論分析，再輔以有效的阻尼約束和多向支撐體系設置，從根本上保證了結構受力穩定性，解決了懸索橋容易晃動的難題。
業內專家表示，五峰山長江大橋為世界首座高速鐵路懸索橋，中國首座公鐵兩用懸索橋，中國首座鐵路懸索橋，首次實現鐵路橋梁一跨越過長江天塹。建成後將填補世界高速鐵路懸索橋、中國公鐵兩用懸索橋和中國鐵路懸索橋三項空白，並在國際範圍率先建立起中國高速鐵路懸索橋的設計方法、計算理論和相關技術標準。「五峰山長江大橋鐵路懸索橋技術取得了一系列國際性突破、具有開創性意義。」中國工程院院士盧春房說。