穿山越海、跨越天塹，歷經(jīng)6年建設(shè)，我國首條設(shè)計時速350公里的跨海高鐵——福廈高鐵于今年9月28日開通運營，中國高鐵正式邁入“跨海時代”。
福建依山向海，峰巒疊嶂、水網(wǎng)交錯。山水阻隔是福廈高鐵設(shè)計師們繞不開的難題。結(jié)構(gòu)迥異、造型多變的橋梁，是福廈高鐵最大的特色。
據(jù)統(tǒng)計，福廈高鐵正線新建橋梁84座，橋梁長度合計181公里。福廈高鐵線路上林立的橋梁橫渡湄洲灣、泉州灣、安海灣，穿越烏龍江、九龍江等大江大河，福廈高鐵還上跨G324國道及沈海、福泉、廈蓉、泉州繞城等高速公路，并“飛躍”福廈、鷹廈、廈深等既有鐵路。
福廈高鐵是由中鐵第四勘察設(shè)計院（以下簡稱鐵四院）負責(zé)勘察設(shè)計的。近日，鐵四院橋梁院總工程師嚴愛國接受科技日報記者采訪，講述了這些高鐵橋梁設(shè)計建設(shè)背后的創(chuàng)新故事。
在復(fù)雜環(huán)境下架橋鋪路
記者：福廈高鐵一半以上的線路在橋上。在我國目前已建、在建的高鐵中，福廈高鐵的橋梁結(jié)構(gòu)最復(fù)雜。與設(shè)計普通橋梁相比，設(shè)計這類橋的難點在哪兒？
嚴愛國：與設(shè)計普通橋梁相比，設(shè)計這些跨海大橋需充分考慮海上復(fù)雜的水文環(huán)境。
除此之外，福廈高鐵全線瀕臨海灣，沿線區(qū)域地層存在涌水涌泥、斷層破碎帶等復(fù)雜情況，全線還有百余處與高速公路、既有鐵路交叉或鄰近，鑿路架橋是設(shè)計師不得不面對的難題。
記者：針對如此復(fù)雜的情況，您及團隊是如何逐一解決難題的？
嚴愛國：首先，我們針對沿線實際情況開展了不同跨度跨海大橋結(jié)構(gòu)形式、跨海大橋抗風(fēng)、耐海洋大氣環(huán)境腐蝕技術(shù)、橋梁健康監(jiān)測等多項研究。
記者：經(jīng)過前期研究，得出了哪些結(jié)論？
嚴愛國：福廈高鐵全線有3處難度極大的施工點，分別是泉州灣、湄洲灣、安海灣3座跨海大橋。這些地方常年風(fēng)速大、風(fēng)況復(fù)雜。以泉州灣跨海大橋為例，泉州灣位于沿海高風(fēng)速帶，全年6級及以上風(fēng)力天數(shù)達91天。
在高鐵技術(shù)標準中，軌道、橋梁的變形必須被控制在一個很小的范圍內(nèi)。一旦超過該范圍，就會影響高鐵乘客的乘坐舒適性，也可能引發(fā)安全事故。
為保障福廈高鐵在這個區(qū)域高速連續(xù)運行，我們必須讓跨海橋梁在大風(fēng)中“站穩(wěn)”，不出現(xiàn)嚴重的橫向晃動。
記者：您和團隊是如何做到的？
嚴愛國：我們對跨越泉州灣、安海灣的大跨度斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)及造型進行了創(chuàng)新設(shè)計。其中，大橋主梁采用流線箱形鋼—混組合結(jié)構(gòu)，并附加導(dǎo)流板、減振欄桿、拉索電渦流阻尼器等。這些結(jié)構(gòu)設(shè)計有效降低了橋體在復(fù)雜環(huán)境下出現(xiàn)風(fēng)致振動的幅度。
記者：建造跨海大橋還要攻克另一個困難，那就是海風(fēng)、海水的腐蝕。
嚴愛國：是的。目前來說，高鐵工程結(jié)構(gòu)的抗腐蝕標準是百年抗腐，但普通的鋼材和刷漆根本無法抵御沿海地區(qū)的高鹽高濕。為此，我們開展了大量抗腐蝕試驗，創(chuàng)新研制并使用了新材料。
福廈高鐵的幾座跨海大橋索塔鋼錨梁和支座均采用了新材料——耐海洋大氣腐蝕鋼。這也是該材料在國內(nèi)的首次應(yīng)用，其原理是通過往鋼材里加入微量鎳元素，讓鋼材自身生成致密、穩(wěn)定的鈍化銹層，阻止海洋大氣中氯離子滲透，從而達到長效防腐的目的。
除此之外，我們通過改造傳統(tǒng)涂裝體系，創(chuàng)新研制出石墨烯重防腐涂裝體系，將橋梁涂料的耐鹽霧性和耐人工加速老化性能提升了3倍以上。在海洋大氣腐蝕環(huán)境下，新涂裝體系可使橋梁的涂裝壽命超過30年。
記者：在跨海大橋上行車，為確保行車安全，通常需要減速慢行，但福廈高鐵卻實現(xiàn)了“跨海過橋不減速”。這背后有哪些技術(shù)支撐？
嚴愛國：為保證列車安全高速在海上運行，我們將無砟軌道搬到了海上，創(chuàng)造出世界首座無砟軌道跨海大橋——福廈高鐵安海灣特大橋。
砟，是指鋪在鐵軌周圍的小石塊。一般有砟軌道最高運營速度只有250公里/時，而采用鋼筋、混凝土等鋪就的無砟軌道可避免道砟飛濺，其平順性、穩(wěn)定性更好。不過，無砟軌道對橋梁的結(jié)構(gòu)變形及施工誤差控制等要求極高。相較于陸地，在跨海橋梁上鋪設(shè)無砟軌道并通行高鐵，難度也更大，彼時在國內(nèi)外都沒有先例。
經(jīng)過反復(fù)模擬試驗，設(shè)計團隊找到了適應(yīng)跨海條件的鋼混結(jié)合梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，主梁采用有效氣動措施，橋面鋪設(shè)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的無砟軌道。這一創(chuàng)新讓時速350公里的高鐵列車開過650米長的主橋用時不到7秒，跨過整個海域也只需98秒，實現(xiàn)了高鐵列車跨海過橋不減速。
記者：福廈高鐵的設(shè)計者和建設(shè)者攻克如此多的難題，填補了高鐵建設(shè)多項技術(shù)空白，您如何評價這一工程？
嚴愛國：在6年的建設(shè)時間里，福廈高鐵設(shè)計者和建設(shè)者們堅持“一橋一策”，成功破解海風(fēng)海水腐蝕、季節(jié)性臺風(fēng)影響、高鐵大跨橋梁變形控制等一系列難題?？梢宰院赖卣f，福廈高鐵讓中國橋梁建造技術(shù)邁上新臺階，也讓我國高鐵技術(shù)持續(xù)在世界領(lǐng)跑。
不斷創(chuàng)新不斷突破
記者：您從業(yè)以來，除了福廈高鐵，還有哪個項目您認為非常具有挑戰(zhàn)性？
嚴愛國：那就要說到宜萬鐵路宜昌長江大橋了。它是我國第一座連續(xù)剛構(gòu)拱組合橋。
記者：這個項目實現(xiàn)了哪些技術(shù)突破？
嚴愛國：長江宜昌段江面寬闊，為了滿足通航要求，大橋的跨度必須達到275米。當時，長江上建成的200米以上的大跨度鐵路橋僅有2座。2001年，我接下宜萬鐵路宜昌長江大橋的設(shè)計任務(wù)，帶領(lǐng)項目組成員進行新型連續(xù)剛構(gòu)和鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)的論證工作。
為了深入剖析這種新型組合橋式的原理，項目組成員對6種橋式進行了全方位比較和精細計算。每一步看似微小的調(diào)整，都離不開團隊的反復(fù)求證。僅確定方案，前后就經(jīng)歷了2年。這個過程十分漫長且充滿挑戰(zhàn)。
記者：除了您剛剛提到的，近年來我國還新建了不少高鐵橋。此類橋梁發(fā)展速度非?？?，您能談?wù)勂渲械脑騿幔?/p>
嚴愛國：這些年，我國高鐵發(fā)展迅速，列車時速變快、線路變長。為了節(jié)約土地資源、控制后期沉降、保持線路平順，橋梁在高鐵線路中的占比越來越大。比如，滬杭客運專線、廣珠城際等項目全線橋梁占比超過9成。也正是在這些重大工程建設(shè)中，我國高鐵設(shè)計者和建設(shè)者持續(xù)積累經(jīng)驗、尋求創(chuàng)新，不斷拓展技術(shù)邊界。
記者：您是如何與鐵路橋涵勘察設(shè)計結(jié)緣的？
嚴愛國：我的大學(xué)專業(yè)是土木工程。大學(xué)4年，我初步積累了橋涵勘察設(shè)計方面的知識。畢業(yè)后，我來到鐵四院。在這個單位，我有機會參與了許多重大工程項目。在與業(yè)內(nèi)同行交流合作的過程中，我不斷接觸前沿的橋涵勘察設(shè)計技術(shù)和理念，并逐漸積累橋梁工程經(jīng)驗，個人的創(chuàng)新能力和解決工程問題的能力也不斷得到提升。到今年，我已經(jīng)在這個領(lǐng)域干了整整30年了。
記者：回首這30年，您有什么感觸？
嚴愛國：總結(jié)為一句話，就是不斷創(chuàng)新不斷突破。
20世紀90年代，我剛參加工作的時候，我國設(shè)計的鐵路橋梁跨度多為32米，混凝土結(jié)構(gòu)橋梁最大跨度也不超過100米。到如今，各種結(jié)構(gòu)形式的橋梁都有，高鐵橋最大跨度已經(jīng)超過1000米。
截至2022年底，我國高鐵運營里程超過4萬公里，其中高鐵橋梁總長度達2.1萬公里，位居世界第一。
如今，我國高鐵橋梁長度越來越長、跨度越來越大、結(jié)構(gòu)越來越多樣。能夠作為設(shè)計者參與其中，我感到十分幸運與自豪。
為高鐵橋注入新力量
記者：我國高鐵橋梁快速發(fā)展，離不開一代又一代設(shè)計師的貢獻。請您談?wù)勎覈哞F橋梁設(shè)計領(lǐng)域人才隊伍發(fā)展狀況。
嚴愛國：我國高鐵橋梁設(shè)計領(lǐng)域的人才發(fā)展狀況非常令人鼓舞。經(jīng)過多年的努力，我國已經(jīng)建立了一支強大的高鐵橋梁設(shè)計人才隊伍，在推動我國高鐵橋梁設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新和突破方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
從人才規(guī)模上來看，我國高鐵橋梁設(shè)計領(lǐng)域的人才規(guī)模正在不斷擴大，越來越多的人才投入到這個領(lǐng)域，為高鐵橋梁設(shè)計注入了新力量。從人才素質(zhì)上來看，我國高鐵橋梁設(shè)計領(lǐng)域的人才素質(zhì)正在不斷提升，設(shè)計師們不斷更新知識體系，不斷提高自己的技能水平，以滿足高鐵快速發(fā)展的需求。從人才培養(yǎng)機制來看，我國高鐵橋梁設(shè)計領(lǐng)域的人才培養(yǎng)機制正在不斷完善，高校、企業(yè)都在加大對高鐵橋梁設(shè)計人才培養(yǎng)的投入力度，為高鐵橋梁設(shè)計人才提供了大量的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)機會。
記者：您認為如何吸引優(yōu)秀青年投身這一領(lǐng)域？
嚴愛國：首先，要培養(yǎng)青年對橋梁設(shè)計行業(yè)的興趣。通過增大橋梁設(shè)計相關(guān)課程的比重，加強實踐教學(xué)和訓(xùn)練，讓年輕人更加深入地認識這個行業(yè)的特點，激發(fā)他們的從業(yè)熱情。
其次，要為青年提供良好的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境。這包括提供充足的學(xué)習(xí)資源和實踐機會，以及建立有利于人才成長的機制和制度，還要提供更多的創(chuàng)新平臺和合作機會，幫助青年提升創(chuàng)新思維和協(xié)作能力，助力優(yōu)秀青年在這一領(lǐng)域中實現(xiàn)自我價值。
記者：您所在單位如何培養(yǎng)年輕人？
嚴愛國：鐵四院通過創(chuàng)建創(chuàng)新實驗室、工程試驗中心等創(chuàng)新平臺，為年輕人提供良好的創(chuàng)新環(huán)境和資源。在這樣的平臺上，他們可以利用最新的技術(shù)和工具開展創(chuàng)新實踐，探索新的設(shè)計方法。
我們積極鼓勵年輕人牽頭、參與重大科研項目，依托重大項目開展攻關(guān)，解決工程實際問題。為每位年輕人選配一位資深設(shè)計師作為導(dǎo)師，導(dǎo)師會為年輕人提供針對性的指導(dǎo)和建議，幫助他們解決技術(shù)問題，同時導(dǎo)師也會分享自己的經(jīng)驗和心得。在導(dǎo)師的指導(dǎo)和支持下，年輕人可以更好地融入橋梁設(shè)計和科研項目，提升自己的專業(yè)能力和綜合素質(zhì)。
記者：您認為優(yōu)秀的鐵路橋梁工程師應(yīng)該具備哪些品質(zhì)？
嚴愛國：我認為，優(yōu)秀的鐵路橋梁工程師需要具備扎實的專業(yè)知識、勇于創(chuàng)新的精神、良好的團隊意識和高度的社會責(zé)任感。
鐵路和橋梁建設(shè)需要豐富的力學(xué)、材料、工程管理等領(lǐng)域知識，青年人需要不斷學(xué)習(xí)和掌握這些領(lǐng)域的知識。同時，他們也需要在工程實踐中不斷積累經(jīng)驗，提高自己的實踐能力。
鐵路和橋梁建設(shè)技術(shù)日新月異，青年人還需要具備創(chuàng)新精神，能夠獨立思考和解決問題，不斷推陳出新。鐵路和橋梁建設(shè)需要各領(lǐng)域的人才協(xié)同工作，以實現(xiàn)共同的目標，因此青年需要具備良好的團隊協(xié)作精神，能夠與他人協(xié)作、溝通，共同完成任務(wù)。
此外，鐵路和橋梁建設(shè)關(guān)系到公共安全和社會發(fā)展，青年人要具備高度的責(zé)任感，保證工程的質(zhì)量。
我相信，只要不斷努力，年輕人就一定能在這條道路上走得更遠。
記者手記
每每乘坐高鐵過海，我都會被眼前一座座撐起列車的跨海大橋所震撼。這些結(jié)構(gòu)迥異、氣勢非凡的高鐵橋，展示著我國先進工程設(shè)計團隊的實力。
如今，我國高鐵橋梁設(shè)計、建造水平已步入世界先進行列。作為高鐵橋梁發(fā)展的見證者和參與者，嚴愛國說，每座橋梁都凝聚著諸多技術(shù)突破，也記錄著一個個鮮為人知的創(chuàng)新故事。
當嚴愛國和記者聊起他參與設(shè)計的宜萬鐵路宜昌長江大橋、滬寧城際、滬通鐵路等重大項目時，盡管已過去多年，但每一個現(xiàn)場突發(fā)情況、每一處工程設(shè)計細節(jié)，他依舊記憶猶新，話語中充滿了對橋梁設(shè)計的熱愛。
投身高鐵橋梁事業(yè)、秉持技術(shù)報國的初心，這讓我深深敬佩。在嚴愛國看來，他和團隊成員設(shè)計建設(shè)出的這些橋梁不僅架設(shè)在江河湖海之上，也架設(shè)在人民心中。
當被問及對未來的期許，嚴愛國說，希望能有更多年輕的橋梁工程師，不斷推陳出新，創(chuàng)造出更多造福人類的工程奇跡，讓我國鐵路橋梁技術(shù)穩(wěn)居世界先進前列。
在嚴愛國身上，我看到了中國鐵路橋梁事業(yè)的昨天、今天，更看到了明天。
（科技日報記者 符曉波）
