精细化模块设计促进稳定运行

首座高铁跨海大桥:泉州湾跨海大桥

福州至厦门高速铁路(福厦高铁)泉州湾跨海大桥位于福建省泉州市,全长20.29km ,跨海段长8.95km,设计速度350km/h。它是我国首座高铁跨海大桥,也是世界上设计时速最高的跨海大桥。泉州湾跨海大桥主桥区域海况复杂,环境恶劣,海洋腐蚀性极强,经年受到持续的台风季风、潮汐、水流力及波浪力的影响,这些不利因素一方面给高铁施工带来了挑战,另一方面也促进了我国跨海高铁大桥建造技术的进步,为后续类似工程积累了宝贵的经验。

由于复杂的外部环境,设计单位围绕着各种可行的选址和路线进行了激烈的争论。工程师们考虑到现有福厦高铁泉州南站站址的因素,设计了三条主要高铁跨海线路,通过对客流吸引能力、城市规划及城市发展、通航海域、环境保护和环境影响、工程实施难度及工程投资等综合分析,最终确定了现在的并行公路桥下游方案。采用该方案对城市规划影响较小,有利于带动泉州市整体发展,而且对泉州湾河口湿地自然保护区影响小,工程投资最省,工程可实施性好。

采用钢-混组合梁结构加强抵抗海上台风

泉州湾位于福建省东南沿海中部,属强潮海区,潮流性质为正规半日潮,呈往复流特征,潮差大。全年6级及以上风力平均为91 d,桥位处设计基本风速34. 0 m/s,年平均台风5.4次。所以要保证高铁的“高速度”,必须进行严格的防风抗风设计和施工,否则跨海桥梁就会在风力的冲击下产生严重的晃动和上下振幅。

在如此恶劣的环境下,为了保证桥梁的稳固性,铁四院技术团队开发和利用了诸多新结构和新技术,主桥采用( 70+130+400+130+70) m 双塔双索面钢-混结合梁斜拉桥,半漂浮体系,桥长800 m,塔梁之间设置纵向阻尼器,横向与索塔塔柱之间设置抗风支座,这样的设计为国内外铁路斜拉桥首次。

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主桥桥式布置

为了增加风抗能力,设计单位还对桥梁主塔造型进行了创新设计。跨海大桥的并行公路采用的是三柱式门形塔,设计灵感来自泉州历史文化遗产和重要文化元素古牌坊。为了保证和并行公路拥有协调和契合的景观和文化要素,实现桥梁结构和建筑美学的融合,设计了曲线H形塔。曲线H形塔选用了贝壳分瓣的圆弧造型,流线状的造型使得其风阻变小许多,同时它的主梁采取流线箱形结构,结合导流板、减振护栏、拉索电涡流阻尼器等气动设置,使得桥梁整体有效避免了不良风向,减少了复杂环境下发生风振的可能性。根据系列风洞试验和风—车—线—桥耦合振动等专题研究成果,福厦高铁泉州湾跨海大桥可抵抗12级强台风,涡激振动幅度控制在惊人的5毫米以内。

曲线H形塔主桥造型设计

石墨烯重防腐涂装实现30年超长防腐寿命

解决海洋对大桥的腐蚀问题,是设计跨海大桥遇到的一大挑战。海洋环境会使得钢铁表面形成的水膜,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。在加上海水中的大量盐分,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。

一般来说,钢结构的主要防腐方法是选用耐用的重防腐涂层。根据我国铁路和公路桥梁钢结构防腐涂装体系的现行标准,基于传统涂层材料和涂装体系,即使采用知名涂料公司的材料或通过增加涂膜厚度的方法,已建成的钢结构桥梁,最好的设计防护寿命一般也不超过25年。

泉州湾跨海高铁大桥设计标准为100年,什么材料能达到钢结构高防腐要求?

通过多方调研,设计团队把目光瞄向了石墨烯。由此,设计团队借航空石墨烯技术研制出重防腐涂装体系。

纳米级石墨烯的片层结构层层叠加、交错排列,用石墨烯改性防腐涂料,可在涂层中形成‘迷宫式’屏蔽结构,构成一道屏蔽阻隔。这种屏蔽结构能够有效抑制腐蚀介质的浸润、渗透和扩散,提高涂层的物理阻隔性。同时,还可延长腐蚀介质的渗透扩散路径,从而提高涂层的抗渗透性和使用寿命。

薄层石墨烯

按照设计预期,“石墨烯重防腐涂装体系”将为泉州湾跨海高铁大桥建设带来显著效益,按照30年的设计涂装寿命,100年内只需涂装4次,可节约投资45%以上,近5000万元。

这项技术整体实现了各类大气环境下长效防腐和功能化、轻量化及环保性的统一,较传统重防腐涂料防腐性能提高3倍以上,是我国自主知识产权的新一代重防腐涂料的发展方向,并有助于打破国外诸多涂料巨头对我国80%重防腐涂料市场的垄断。

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大桥地处台湾海峡西岸,属地震高烈度区,从概率上具备发生8级强震的可能性。除了主要的抗风和抗腐蚀设计,泉州湾跨海大桥利用多种技术相结合共同提高了跨海大桥的抗震性和稳定性。例如采用了纵向粘滞阻尼器、可剪断的耐候双曲面球型钢支座、金属阻尼器的综合减隔震体系及技术;采用无支座整体刚构桥,实现长联高墩桥梁的柔性高墩、梁部体系协同受力,解决了地震高烈度区长联高墩大跨桥梁的抗震设计难题。

为了促进跨海大桥的协调稳定,又采用无支座整体式连续刚构,结构受力及变形协调性好,无支座耐久性好; 施工中采用了相邻边墩临时固结,全桥悬臂浇筑的施工方法,避免了海上高墩设置临时支架,降低了施工安全风险。跨越高速公路采用主跨160 m 连续刚构拱组合结构,裸梁通行运梁车,解决了海上简支梁运架施工的难题,确保了施工质量,提高了施工工效。

为减少现场高空预应力张拉和斜拉索锚固结构定位的施工难度,钢锚梁结构采用钢锚梁+钢牛腿组合结构,每套钢锚梁锚固1对斜拉索。为适应曲线塔柱,各节段的钢牛腿壁板设计为变角度的等宽平行四边形,以分段取直方式简化了曲线桥塔钢锚梁结构的设计与制造,保证了细节处的平稳和固定。

结语:

泉州湾跨海大桥是福厦高铁的重难点控制性工程,桥塔采用贝壳分瓣造型的曲线H 形塔,融入海洋元素,主桥采用箱形钢-混结合梁,适应了海湾深水强风的建设环境,实现了与并行公路桥的景观协调。

它的建成将为我国跨海高速铁路以及400 m 大跨度高速铁路桥梁建设提供宝贵经验,同时福厦高铁建成通车后,福州至厦门的铁路运行时间将由现在的2小时缩短至1小时,形成以“厦门、漳州、泉州”为中心的半小时金三角交通圈,大大促进了东南沿海城市群的交流与合作,促进东南沿海地区的经济发展。