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導(dǎo)語：8月6日，設(shè)計時速350公里的國內(nèi)首座跨海高鐵泉州灣跨海大橋主橋成功合龍。福廈高鐵泉州灣大橋一經(jīng)上線便奪下三項(xiàng)世界紀(jì)錄，即使在高速抗風(fēng)環(huán)境下依然能做到硬幣不倒，同時采用特殊材料抵抗高鹽高腐蝕的海底環(huán)境，實(shí)現(xiàn)超長使用壽命，以毫米級建造精度要求達(dá)到了超強(qiáng)抗震，成為世界上橋梁工程的里程碑。
首座高鐵跨海大橋：泉州灣跨海大橋
福州至廈門高速鐵路（福廈高鐵）泉州灣跨海大橋位于福建省泉州市，全長20.29km ，跨海段長8.95kｍ，設(shè)計速度350kｍ/ｈ。它是我國首座高鐵跨海大橋，也是世界上設(shè)計時速最高的跨海大橋。泉州灣跨海大橋主橋區(qū)域海況復(fù)雜，環(huán)境惡劣，海洋腐蝕性極強(qiáng)，經(jīng)年受到持續(xù)的臺風(fēng)季風(fēng)、潮汐、水流力及波浪力的影響，這些不利因素一方面給高鐵施工帶來了挑戰(zhàn)，另一方面也促進(jìn)了我國跨海高鐵大橋建造技術(shù)的進(jìn)步，為后續(xù)類似工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
由于復(fù)雜的外部環(huán)境，設(shè)計單位圍繞著各種可行的選址和路線進(jìn)行了激烈的爭論。工程師們考慮到現(xiàn)有福廈高鐵泉州南站站址的因素，設(shè)計了三條主要高鐵跨海線路，通過對客流吸引能力、城市規(guī)劃及城市發(fā)展、通航海域、環(huán)境保護(hù)和環(huán)境影響、工程實(shí)施難度及工程投資等綜合分析，最終確定了現(xiàn)在的并行公路橋下游方案。采用該方案對城市規(guī)劃影響較小，有利于帶動泉州市整體發(fā)展，而且對泉州灣河口濕地自然保護(hù)區(qū)影響小，工程投資最省，工程可實(shí)施性好。
采用鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)加強(qiáng)抵抗海上臺風(fēng)
泉州灣位于福建省東南沿海中部，屬強(qiáng)潮海區(qū)，潮流性質(zhì)為正規(guī)半日潮，呈往復(fù)流特征，潮差大。全年6級及以上風(fēng)力平均為91 d，橋位處設(shè)計基本風(fēng)速34. 0 m/s，年平均臺風(fēng)5.4次。所以要保證高鐵的“高速度”，必須進(jìn)行嚴(yán)格的防風(fēng)抗風(fēng)設(shè)計和施工，否則跨海橋梁就會在風(fēng)力的沖擊下產(chǎn)生嚴(yán)重的晃動和上下振幅。
在如此惡劣的環(huán)境下，為了保證橋梁的穩(wěn)固性，鐵四院技術(shù)團(tuán)隊開發(fā)和利用了諸多新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)，主橋采用( 70+130+400+130+70) m 雙塔雙索面鋼-混結(jié)合梁斜拉橋，半漂浮體系，橋長800 m，塔梁之間設(shè)置縱向阻尼器，橫向與索塔塔柱之間設(shè)置抗風(fēng)支座，這樣的設(shè)計為國內(nèi)外鐵路斜拉橋首次。
主橋橋式布置
為了增加風(fēng)抗能力，設(shè)計單位還對橋梁主塔造型進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計?？绾４髽虻牟⑿泄凡捎玫氖侨介T形塔，設(shè)計靈感來自泉州歷史文化遺產(chǎn)和重要文化元素古牌坊。為了保證和并行公路擁有協(xié)調(diào)和契合的景觀和文化要素，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)和建筑美學(xué)的融合，設(shè)計了曲線Ｈ形塔。曲線Ｈ形塔選用了貝殼分瓣的圓弧造型，流線狀的造型使得其風(fēng)阻變小許多，同時它的主梁采取流線箱形結(jié)構(gòu)，結(jié)合導(dǎo)流板、減振護(hù)欄、拉索電渦流阻尼器等氣動設(shè)置，使得橋梁整體有效避免了不良風(fēng)向，減少了復(fù)雜環(huán)境下發(fā)生風(fēng)振的可能性。根據(jù)系列風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)—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(qiáng)臺風(fēng)，渦激振動幅度控制在驚人的5毫米以內(nèi)。
曲線Ｈ形塔主橋造型設(shè)計
石墨烯重防腐涂裝實(shí)現(xiàn)30年超長防腐壽命
解決海洋對大橋的腐蝕問題，是設(shè)計跨海大橋遇到的一大挑戰(zhàn)。海洋環(huán)境會使得鋼鐵表面形成的水膜，水膜會溶解大氣中的二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體，使水膜中含有一定量的氫離子，形成含有電解質(zhì)溶液的薄膜，恰與鋼鐵中的鐵和少量的碳構(gòu)成原電池。在加上海水中的大量鹽分，促使電子在溶液中快速移動，這種導(dǎo)電作用，加快了鋼鐵的腐蝕速度。
一般來說，鋼結(jié)構(gòu)的主要防腐方法是選用耐用的重防腐涂層。根據(jù)我國鐵路和公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，基于傳統(tǒng)涂層材料和涂裝體系，即使采用知名涂料公司的材料或通過增加涂膜厚度的方法，已建成的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，最好的設(shè)計防護(hù)壽命一般也不超過25年。
泉州灣跨海高鐵大橋設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100年，什么材料能達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)高防腐要求？
通過多方調(diào)研，設(shè)計團(tuán)隊把目光瞄向了石墨烯。由此，設(shè)計團(tuán)隊借航空石墨烯技術(shù)研制出重防腐涂裝體系。
納米級石墨烯的片層結(jié)構(gòu)層層疊加、交錯排列，用石墨烯改性防腐涂料，可在涂層中形成'迷宮式’屏蔽結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一道屏蔽阻隔。這種屏蔽結(jié)構(gòu)能夠有效抑制腐蝕介質(zhì)的浸潤、滲透和擴(kuò)散，提高涂層的物理阻隔性。同時，還可延長腐蝕介質(zhì)的滲透擴(kuò)散路徑，從而提高涂層的抗?jié)B透性和使用壽命。
薄層石墨烯
按照設(shè)計預(yù)期，“石墨烯重防腐涂裝體系”將為泉州灣跨海高鐵大橋建設(shè)帶來顯著效益，按照30年的設(shè)計涂裝壽命，100年內(nèi)只需涂裝4次，可節(jié)約投資45%以上，近5000萬元。
這項(xiàng)技術(shù)整體實(shí)現(xiàn)了各類大氣環(huán)境下長效防腐和功能化、輕量化及環(huán)保性的統(tǒng)一，較傳統(tǒng)重防腐涂料防腐性能提高3倍以上，是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代重防腐涂料的發(fā)展方向，并有助于打破國外諸多涂料巨頭對我國80%重防腐涂料市場的壟斷。
精細(xì)化模塊設(shè)計促進(jìn)穩(wěn)定運(yùn)行
大橋地處臺灣海峽西岸，屬地震高烈度區(qū)，從概率上具備發(fā)生8級強(qiáng)震的可能性。除了主要的抗風(fēng)和抗腐蝕設(shè)計，泉州灣跨海大橋利用多種技術(shù)相結(jié)合共同提高了跨海大橋的抗震性和穩(wěn)定性。例如采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(shù)；采用無支座整體剛構(gòu)橋，實(shí)現(xiàn)長聯(lián)高墩橋梁的柔性高墩、梁部體系協(xié)同受力，解決了地震高烈度區(qū)長聯(lián)高墩大跨橋梁的抗震設(shè)計難題。
鋼錨梁結(jié)構(gòu)
為了促進(jìn)跨海大橋的協(xié)調(diào)穩(wěn)定，又采用無支座整體式連續(xù)剛構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力及變形協(xié)調(diào)性好，無支座耐久性好; 施工中采用了相鄰邊墩臨時固結(jié)，全橋懸臂澆筑的施工方法，避免了海上高墩設(shè)置臨時支架，降低了施工安全風(fēng)險。跨越高速公路采用主跨160 m 連續(xù)剛構(gòu)拱組合結(jié)構(gòu)，裸梁通行運(yùn)梁車，解決了海上簡支梁運(yùn)架施工的難題，確保了施工質(zhì)量，提高了施工工效。
為減少現(xiàn)場高空預(yù)應(yīng)力張拉和斜拉索錨固結(jié)構(gòu)定位的施工難度，鋼錨梁結(jié)構(gòu)采用鋼錨梁＋鋼牛腿組合結(jié)構(gòu)，每套鋼錨梁錨固１對斜拉索。為適應(yīng)曲線塔柱，各節(jié)段的鋼牛腿壁板設(shè)計為變角度的等寬平行四邊形，以分段取直方式簡化了曲線橋塔鋼錨梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造，保證了細(xì)節(jié)處的平穩(wěn)和固定。
結(jié)語：
泉州灣跨海大橋是福廈高鐵的重難點(diǎn)控制性工程，橋塔采用貝殼分瓣造型的曲線Ｈ 形塔，融入海洋元素，主橋采用箱形鋼－混結(jié)合梁，適應(yīng)了海灣深水強(qiáng)風(fēng)的建設(shè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了與并行公路橋的景觀協(xié)調(diào)。
它的建成將為我國跨海高速鐵路以及400 m 大跨度高速鐵路橋梁建設(shè)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，同時福廈高鐵建成通車后，福州至廈門的鐵路運(yùn)行時間將由現(xiàn)在的2小時縮短至1小時，形成以“廈門、漳州、泉州”為中心的半小時金三角交通圈，大大促進(jìn)了東南沿海城市群的交流與合作，促進(jìn)東南沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
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