高铁列车如何通过对变形极其敏感的悬索桥?

　　在过去，几公里宽的长江就是一道天堑，无数英雄豪杰面对长江也只得折戟沉沙。不过如今，在先进工程技术的加持下，越来越多的大桥飞架南北，让天堑变成通途。

　　2016年开始建造的连淮扬镇五峰山公铁大桥，作为八车道高速公路和四线高铁过江的大运量综合铁路通道，就是长江上的第三座公铁两用大桥。

　　大桥建设单位——上海铁路局；

　　大桥设计单位——中铁大桥院负责设计，全国工程设计大师、我国悬索桥著名专家徐恭义担任总设计师；

　　大桥施工单位——第一标工程段：中交第二航务工程局(包含五峰山长江大桥悬索桥北锚碇、北岸边墩、北岸辅助墩、北塔基础、北塔、北岸主缆锚固系统、北岸主索鞍塔顶格栅及顶推架的预埋件等。)；第二标工程段：中铁大桥局(包含五峰山长江大桥悬索桥南锚碇、主桥南岸边墩、南岸辅助墩、南塔基础、南塔，悬索桥主缆及主桥钢桁梁，以及南岸主缆锚固系统、南岸主索鞍塔顶格栅及顶推架的预埋件等。)

　　五峰山长江大桥的单列列车设计荷载35590kN，列车设计荷载集度为64kN/m，铁路运行速度达到250km/h，将超过目前世界上跨度最大的公铁两用悬索桥—日本濑户大桥中的南备赞大桥，成为世界上荷载和设计速度均为第一的公铁两用悬索桥。

　　(一)悬索桥上跑高铁

　　悬索桥是以通过索塔悬挂并锚固于两岸的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。靠着缆索承力，悬索桥将桥面本身的重量和交通工具的荷载通过细细的吊索吊在“粗绳”上。这样。桥面的重力与交通的载荷就沿着这根吊索传到了两端高耸的索塔上，进而传给地面。

　　悬索桥属于典型的柔性结构。虽然在我们看来，它与其它大桥一样，都是无比坚硬的。但从力学的角度来看，在上千米的尺度上，悬索桥是一种非常轻盈的结构，有很大的变形空间。

　　对于公路桥来说，这种柔性是一件好事，它会使得悬索桥在内、外力的作用下“宁弯不折”，即使遭遇地震、沉降等自然灾害也不易损坏；并且，对于只有几吨、几十吨重的汽车来说，它们所造成的悬索桥变形是微不足道的，不会影响通行。

　　(悬索桥受力变形夸张示意图。它的抗变形能力很强)

　　然而，一列高铁的重量百倍于汽车。当它通过时，相当于给大桥在短时间内施加了一个巨大的荷载，这时轻盈的悬索桥就有些吃不消了，通常会产生较大的变形。

　　(上面跑汽车，下面跑高铁)

　　可高铁的运行恰恰对变形还特别敏感：由于需要高速运行，高铁道路必须保持相当的刚度，任何一点小小的变形都可能会导致高铁的运行不稳甚至事故。

　　悬索桥和高铁“五行犯冲”，但工程师们又不得不选择它。这是为什么呢?

　　“由于五峰山大桥所处位置航运繁忙，水深流急，不适宜建桥墩，而相对其他桥梁结构，悬索桥更容易做大跨度，且桥位南岸是山坡，适合修建悬索桥专属结构的锚碇，所以大桥设计为一跨过江的悬索桥。”中铁大桥院副总工程师徐恭义介绍。

　　悬索桥因结构特点以公路桥居多，在荷载作用下相对容易变形而较少在铁路桥上采用。五峰山长江大桥是公铁两用的双层悬索桥，八车道公路和四线铁路全部使用后，荷载将是普通悬索桥的数倍。

　　对于这座迄今世界上荷载最大的公铁两用悬索桥，中铁大桥局五峰山长江大桥项目总工程师冯广胜解释说，悬索桥的主要承重结构是悬链线形状的主缆，要拉起巨龙般的钢铁桥身，还要承受高铁过桥时带来的结构变形，五峰山长江大桥建设过程中采用一系列新结构、新材料、新工艺、新技术、新装备，获得数十项专利，与同类桥梁相比，它还在主缆直径、沉井规模等方面创造多项世界纪录。

　　(五峰山大桥主桥长达1.4公里，这一长度的大桥很难有悬索桥以外的选择)

　　(二)支撑高铁的唯一办法：把柔软的大桥变“硬”

　　想要修能跑高铁的悬索桥，就要强行把柔软的悬索桥板给变“硬”。说的直观一点，就是把原来单薄的桥板给改成桁架。

　　(桁架悬索桥示意图)

　　(一处典型的桁架桥)

　　大桥全桥钢桁梁节段共53个，其中中跨钢桁梁37个，两侧边跨钢桁梁各8个。中跨首节段钢梁长14米、宽30米、高16米，重约700吨，相当于466辆小汽车重量之和。五峰山长江大桥中跨钢梁为全焊接钢桁梁结构，除跨中3个单节段钢梁采用单台缆载起重机作业外，其余34个节段均采用两台缆载起重机整体吊装，最重钢梁节段达1432吨，为目前国内最重悬索桥钢桁梁。

　　就这样，利用桁架+悬索，五峰山公铁大桥变不可能为可能，成为了世界首座高速铁路悬索桥。

　　(三)变“硬”的悬索桥重量增加好几倍，如何吊起?

　　桁架有多好，地球工程师都知道。既然如此，那高铁悬索大桥岂不是就没问题了吗?不不不，用了桁架之后，大桥的难度值更高了，其中最重要的，就是原本轻盈的悬索桥变重了许多。

　　中铁大桥局五峰山长江大桥项目部经理陈明说，大桥采用两根直径各1.3米的主缆，为目前世界范围内最大直径主缆，每根主缆由352根索股合成，每根索股又由127丝直径5.5毫米镀锌铝高强度钢丝组成，单根主缆拉力高达9万吨，足以吊起1.5艘满载的“辽宁”号航空母舰。如果将2根主缆的钢丝首尾相接，总长约1.7亿米，可绕地球赤道约4.5圈。

　　(大桥的主缆)

　　(紧缆机)

　　悬索可以加粗，索塔可以加重。这些对于中国经验丰富的工程师来说都不是什么大问题。但是，悬索的两端是要通过锚碇埋在两岸的土体里的，这些锚碇如同大桥的“秤砣”，需要平衡整座大桥的重量。但这些锚碇始终受到的是向侧方向外拔的力，它的稳定要受到自重、地基稳定性等多方面的影响。

　　比较要命的是，长江两岸还多为疏松的软塑状淤泥，锚碇很难固定住。锚碇是悬索桥的重中之重，要是锚碇发生了松动，悬索掉了下来，那整个大桥就会完全失去支撑，直至垮塌。

　　为了增强锚碇的稳定性，工程师们采用沉井法对锚碇基础进行施工。所谓沉井法，是将井筒状的基础结构物预先放在基础设计的指定地点，在井内进行挖土，依靠井筒基础的自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后用混凝土封底，将井填满，这样，沉井就成为了所设计结构的基础。

　　中铁大桥局五峰山长江大桥项目部一分部总工程师张家伦介绍，锚碇是大桥重要受力结构，该桥北锚碇沉井平面尺寸约7000平方米，相当于16.7个篮球场大小，深56米，为目前世界最大陆地沉井。

　　中铁大桥局五峰山长江大桥项目部一分部项目经理牟翔说，南岸主塔所处地层中岩石岩性差别大，软硬度不均，基础采用了高低群桩结构，桩深最浅50米，最深达138米，相当于46层楼房的高度，为国内最长桩。

　　五峰山长江大桥特点

　　结构新

　　相对其它桥梁结构，容易做到大跨度，因此悬索桥能在较深或较急的水流上建造。但悬索桥在荷载作用下相对容易变形而较少在铁路桥上采用，以公路桥居多，五峰山长江大桥是我国首座公铁两用悬索桥。

　　荷载大

　　该桥为八车道公路和四线铁路，荷载是普通悬索桥的数倍，也是世界上荷载最大的公铁两用悬索桥。

　　主缆拉力大

　　为保证大桥的稳固，在建设中，大桥主缆直径1.3米，为目前世界范围内最大直径主缆，单根主缆拉力高达9万吨，足以吊起1.5艘满载的“辽宁”号航空母舰。

　　五峰山长江大桥视频

　　素材来源：网易新闻/作者：须臾千秋，清华大学土木工程博士、施工充电桩、扬州交通广播、镇江新区网

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