近日，福厦高铁安海湾大桥合龙。这是世界首座无砟轨道跨海大跨斜拉桥，全长9.5公里、主跨300米，预计2023年通车后，动车以时速350公里，只需98秒就可风驰电掣跨越大海。
这是继泉州湾、湄洲湾两座跨海大桥后，福厦高铁又一座合龙的跨海大桥。
钢混组合梁，有砟换无砟
福厦高铁先后跨越湄洲湾、泉州湾、安海湾三个海湾。其中，位于泉州晋江的安海湾大桥，不仅是福厦高铁跨海桥梁的“封箱之作”，也是世界无砟轨道桥梁“大跨”跨海的“开山之作”。
为什么要在跨海大桥设计无砟轨道?
“跨度300米及以上的大跨高铁桥，多采用斜拉桥等柔性结构。受自然环境影响，桥面高程会随气温升降而变化，影响轨道的平顺度。”中国铁建铁四院(以下简称铁四院)副总工程师严爱国告诉科技日报记者，保持桥面平顺，是满足高铁高速通过大桥的前提。
由于有砟轨道维修技术相对成熟，此前，我国设计的满足时速350公里要求的高铁桥，其桥梁轨道均为有砟。
不过，有砟轨道最大的问题，是列车高速通过时，道砟(用来铺公路或铁路路基的粗沙砾或碎石)容易被火车吸起，也容易击打列车底盘，并由此产生一系列问题。因此，我国铁路部门曾规定，高铁通过有砟轨道，以时速250公里为限。这意味着动车行驶在设计时速350公里的高铁上，通过大桥时就要降速。而我国高铁线路，因安全性、节约土地资源、降低成本、保护生态环境及防止中长在沉降等原因，在设计时多采用高架桥。
采用无砟轨道则可避免道砟飞溅，其平顺性、稳定性好，但这种轨道对施工工艺要求高，对沉降控制要求苛刻。
如何在大跨度桥梁铺设无砟轨道，成为一个难以攻克的技术问题。
2017年，国铁集团设立“大跨度桥梁铺设无砟轨道技术深化研究”项目，铁四院牵头主持了项目课题，并依托主跨300米的昌赣铁路赣江特大桥，获取了工程经验。
相比江河，海上的风浪使大跨斜拉桥的稳定性面临更高挑战。
“在大跨度跨海桥梁上，铺设无砟轨道并通行高速列车，对桥梁结构刚度、徐变变形、动力性能等要求极高。”严爱国说，斜拉桥结构本身易变形，在大风频繁的海上环境，如何保证跨度又兼顾刚度，是设计的关键。
经过无数次模拟试验，设计团队找到了适应大海大跨环境的钢混组合梁结构参数，破解了难题。
“钢混组合梁由混凝土桥面板与槽形钢梁组成。钢梁自重轻、适应大跨度桥梁建设，混凝土桥面则提升了桥梁刚度，两者结合满足了列车高速通过的要求。”严爱国说。
钢加镍耐腐，流线箱造型抗风
和普通桥梁相比，跨海大桥还面临着另一项考验，就是海风海水腐蚀，这是世界各国海洋工程建设面临的共同问题。
在潮湿的空气中，钢铁表面形成的水膜，会溶解大气中的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体，使水膜中含有一定量的氢离子，形成含有电解质溶液的薄膜，恰与钢铁中的铁和少量的碳构成原电池。
“而海气中弥散的大量盐，又促使电子在溶液中快速移动，这种导电作用，加快了钢铁的腐蚀速度。”铁四院福厦高铁桥梁设计负责人曾甲华说。
高铁工程结构的抗腐蚀标准是百年抗腐，针对钢结构的主要防腐方法，均是选用耐用的重防腐涂层。“在沿海地区高盐高湿的气候条件下，依靠在钢梁表面刷漆的传统防腐方式，很难达到这一标准。”曾甲华说，为保证大桥的寿命长久，福厦高铁安海湾跨海大桥的索塔钢锚梁和支座采用了耐海洋大气腐蚀钢，填补了我国的钢种空白。
所谓耐海洋大气腐蚀钢，是世界超级钢技术前沿水平的系列钢种之一，通过往钢材里加入微量镍元素，让钢材自身生成致密稳定的钝化锈层，阻止海水中氯离子的渗透，实现了“以锈制锈”的长效防腐效果。
由于跨海大桥位于沿海高风速带，海上多风，海风又会产生冲击，因此必须通过结构创新保证路面刚度，否则桥梁会因风产生严重的横向晃动和涡振现象。
如何设计出能抗风的结构，使大跨度跨海大桥避免了异常涡振，从而稳稳地立在海上?
为保证桥梁在大风中稳固，保持动车高速运行的连续性，铁四院技术团队设计福厦高铁跨海大桥时，采用了大量新结构和新技术。
技术团队对桥梁主塔造型进行了创新设计。“以安海湾大桥为例，主梁采用流线箱形结构并附加导流板、减震栏杆、拉索电涡流阻尼器等气动措施，减小了复杂风环境下的风致振动，避免了异常涡振的发生。”铁四院福厦高铁桥梁设计负责人杨恒说。
这些设计，让列车可以在不设风屏障等防风措施的情况下，在8级大风中以时速350公里通过跨海大桥，在11级暴风下也不会封闭交通。
主跨300米跨海桥，首创无砟轨道现浇
在主跨超300米的安海湾跨海大桥上铺设无砟轨道，国内外没有先例。
无砟轨道主要为钢筋混凝土结构，相比有砟轨道列车运行时速更高。目前国内无砟轨道主要分两种。一是在工厂预制好轨道板运送至现场施工，即预制板式无砟轨道;二是在现场组装好轨排再进行道床板浇筑施工，即现浇双块式无砟轨道。
“此前我国建设的大跨度的跨江桥梁，采用过预制板式无砟轨道。而在大跨度跨海桥梁上，采用现浇双块式无砟轨道并通行高铁，这对轨道结构变形协调能力、线形控制等要求极高，是一项全新的高难度技术挑战。”铁四院线站院轨道工程实验室技术研发部部长朱彬说。
由于福厦高铁全线采用现浇双块式无砟轨道，为统一施工工艺、降低成本，针对大跨跨海桥梁采用现浇双块式无砟轨道结构，需要进行创新研究。
“要承载动车以时速350公里通过大跨度桥梁，无砟轨道需要承受列车活载、温度荷载及桥梁变形等多因素耦合作用。”铁四院轨道设计负责人葛海娟说。
由于复杂的受力和变形协调要求，需要设计出相适应的无砟轨道结构。
设计人员表示，相比陆地或跨江河桥梁，如何解决大跨度跨海大桥因风力、腐蚀等复杂环境条件产生的轨道与桥梁变形协调问题，是无砟轨道设计的难点。
要解决这个关键技术，就需要改变此前在陆地或一般跨度桥上采用的无砟轨道结构。通过无数次方案研究、理论分析、计算机模拟及模型实验验证，设计人员找到了一种方案，即在钢筋混凝土底座与钢筋混凝土道床之间，设置隔离缓冲垫层，替代传统设计采用土工布(一种纤维织物)的方案。课题组同时研究形成了大跨度桥上无砟轨道线型控制技术和轨道平顺性验收标准。
“设置隔离缓冲垫层，不仅起到钢筋混凝土底座与钢筋混凝土道床之间的隔离作用，还实现了变形协调功能，也便于运营期道床损坏时整治维修。”朱彬说。
“创新研发的现浇双块式无砟轨道，解决了大跨桥上铺设无砟轨道的难题，首次实现了在时速350公里高铁，跨度300米级的大跨度跨海桥上铺设现浇双块式无砟轨道。”铁四院副总工程师李秋义说。
“福厦高铁跨海过江，正线全长277.42公里，设计时速350公里，上跨多条高等级公路和既有铁路，正线新建桥梁170座，长度共计181公里，占比65.3%。”铁四院桥梁院福厦高铁主管工程师王德志说，全线复杂桥梁“一桥一策”，设计人员画了四万张图纸，涵盖了多项先进技艺和工法。
(记者矫阳)
