悬索桥也能稳稳跑高铁？这座大桥将填补国际空白
◎ 科技日报记者 矫阳
11月30日，顺利结束连(云港)镇(江)高铁联调联试任务后，五峰山长江大桥开始进入年底前的通车准备。
此前几天，在这座轻盈的千米大跨悬索桥上，铁路部门以不同时速、不同车型、多线并行等不同组合反复测试，平稳运行了近百天，创造了高速列车以时速275公里平稳通过的世界纪录，各项指标均达到预期设计目标要求。“这也证明大桥设计方法和理论计算的正确性，同时也表明大桥工程内在质量到达相关技术要求。”全国工程勘察设计大师、中铁大桥勘测设计院集团副总工程师、五峰山长江大桥总设计师徐恭义说。
五峰山长江大桥设计为公铁两用，全长6.409公里，主桥最大单跨1092米。4线铁路+双向8车道高速公路，铁路设计行车时速250公里，高速公路设计时速100公里。
“这座大桥的设计实施，在世界尚无工程先例，整个决策和实施过程，都感到压力巨大。”徐恭义说。
桥梁结构中，悬索桥属于典型的柔性结构。从力学角度看，在上千米的尺度上，悬索桥结构非常轻盈，有很大的变形空间。“通过几吨、几十吨重的汽车，给悬索桥带来的变形几乎忽略不计。”徐恭义说，然而通过百倍于汽车的一列高铁时，相当于给大桥在短时内施加了一个巨大的荷载，给轻盈的悬索桥造成较大的几何变形。而高速运行的列车，必须保持轨道具备相当的刚度，任何一点小小的变形，都可能导致安全隐患。
五峰山长江大桥设计为何采用悬索结构？
“五峰山长江大桥跨江段是江苏省境内河道最窄的位置，也因为水上航道运输繁忙，建桥要求十分苛刻，要求铁路桥梁采用悬索桥实现一跨越江，这对高速铁路技术是巨大的挑战。因此，这个桥位已经预留了半个多世纪，一直未能实施。”徐恭义解释说，如果采用同样跨度的斜拉桥方案，受力要配置较长的平衡边跨，主桥长度将大大增加，不仅大幅增加造价，同时斜拉桥边跨位于岸上，景观效果也差。
用柔性结构悬索桥完成重载高速，突破哪些理论及关键技术？
“设计千米跨度悬索桥跑高铁，体现了中国桥梁设计师的胆识。”中国工程院郑皆连院士表示。
想要建跑高铁的悬索桥，就要把柔软的悬索桥板变“硬”，把原来单薄的扁平桥板给改成立体的桁架。“如此一来，便给本身柔软单薄的悬索桥增加了刚度和通透性，同时由于负担双层桥面荷载，主梁也被加重了许多。所有的桥体重力就要通过索塔，通过锚固于两岸的缆索来承受，进而传给地面。”徐恭义说。
中国铁路总公司、国家铁路局、上海局集团公司、中国中铁股份有限公司等共立项20多项重点科研课题，对千米跨度公铁两用悬索桥关键技术展开科研攻关，突破了千米跨度悬索桥结构构造及合理刚度、千米跨度悬索桥列车系统失稳临界风速与车速限值、千米跨度悬索桥轨道结构适应性及几何形位控制、千米跨度悬索桥设计荷载模式、山壑区倾斜高强岩层中超大基坑的开挖与填筑、超大平面尺寸陆地沉井施工等多项关键技术。
如何在轻盈的悬索桥上保持动车平稳高速行驶？“五峰山长江大桥设计主跨1092米的公铁合建钢桁梁悬索桥方案，竖向与横向均为五跨连续结构，主梁采用新型钢桁加劲梁结构，上层公路8车道桥面总宽46米，下层铁路4线桥面全宽31.7米。”徐恭义说，通过合理的结构设计和准确的理论分析，再辅以有效的阻尼约束和多向支撑体系设置，从根本上保证了结构受力稳定性，解决了悬索桥容易晃动的难题。
业内专家表示，五峰山长江大桥为世界首座高速铁路悬索桥，中国首座公铁两用悬索桥，中国首座铁路悬索桥，首次实现铁路桥梁一跨越过长江天堑。建成后将填补世界高速铁路悬索桥、中国公铁两用悬索桥和中国铁路悬索桥三项空白，并在国际范围率先建立起中国高速铁路悬索桥的设计方法、计算理论和相关技术标准。“五峰山长江大桥铁路悬索桥技术取得了一系列国际性突破、具有开创性意义。”中国工程院院士卢春房说。
