高铁,中国走向世界的闪耀名片。从引进、消化、吸收再到赶超跨越,中国工程师让中国高铁完成了从时速200公里到时速350公里的跨越。这其中,高速铁路大跨度桥梁技术的突破是关键。
1月19日,“国家工程师奖”表彰大会在人民大会堂隆重举行。这是党中央、国务院首次开展“国家工程师奖”表彰。中铁大桥院高速铁路大跨度桥梁创新团队被授予“国家卓越工程师团队”称号。“沉甸甸的荣誉是对团队20年付出巨大的肯定。”中铁大桥院党委书记、董事长黄燕庆说。
高速铁路大跨度桥梁创新团队是由中国工程院院士、中国中铁首席科学家秦顺全领衔,中铁大桥院和中铁大桥局携手组建的一支具有国际一流科研、设计、施工和装备研发能力的创新团队。团队围绕高铁大跨桥梁建造与运营安全保障的关键核心技术开展系统攻关,尤其在建造新理论、建造新技术、运营安全保障方法等领域取得了重大原创性成果,不仅突破了高铁大跨度桥梁建造技术瓶颈,形成了具有自主知识产权的高铁桥梁建造运维技术体系,更引领世界桥梁不断发展,铸就了“中国桥梁”的国家名片。
大跨桥梁追梦人,让高铁第一次跨越长江
新中国成立之初,为打通南北铁路大通道,中铁大桥院和中铁大桥局的开拓者们修建了万里长江第一桥——武汉长江大桥。
新世纪初,随着京广高速铁路的规划建设,修建中国高速铁路长江第一桥——武汉天兴洲长江大桥的任务又落到了中铁大桥人的肩上。
这座大桥,由于长江航运和过江交通的需求,承载了四线高速铁路和六车道公路,跨度突破了500米,跨度之大、荷载之重,举世前所未有。作为京广高铁的控制性工程,天兴洲大桥建设的成败,直接影响着中国高铁的未来发展。
2003年,设计团队中铁大桥院接到任务,所面对的难题是,传统两片主桁的钢梁结构无法满足高铁线路载荷跨江。在此之前,我国铁路大跨度桥梁最高时速、最大载重仅为天兴洲长江大桥的一半,世界上也没有先例。
天兴洲长江大桥为四线铁路和六车道公路共用的大桥,桥面宽度达到30米。秦顺全经过审慎考虑,认真推演,大胆提出了一个全新的方案——“三索面三主析”结构,即将桥梁横向从30米的简支结构变为2×15米的连续结构,跨度减小了一半,结构变形大大降低。
可方案刚一提出,就遭到了一些同行专家的反对,他们认为这个方案在世界上没有先例,现有的平面分析手段已无法适用,受力都计算不清,何谈设计建造?风险太大。当时,桥梁结构有限元分析软件几乎被国外垄断,但国外软件的研发工程师面对这样的全新结构都不敢拍胸脯、打包票。
争议声中,大桥设计一度陷入进退两难的窘境,是墨守成规,还是勇于创新?作为相识20年的战友,天兴洲长江大桥设计负责人高宗余坚定地与秦顺全一起选择了后者。
之后,高宗余带领十几名团队骨干,一头扎进机房,经过数月通宵达旦的奋战,在秦顺全创立的无应力状态理论和前期平面杆系分析软件的基础上,研发出了具有自主知识产权的桥梁空间有限元分析软件3DBridge。
经过长达半年的算例验证和反复试验,团队得出结论认为“三索面三主桁”结构完全可行。实践证明,与传统的双索面结构相比,三索面三主桁桥梁结构可节省工程造价1.1亿元,并且能够承受时速250公里动车组呼啸而过。
武汉天兴洲长江大桥的建成通车,让高铁第一次跨越了长江。该桥主跨504米,超越丹麦海峡大桥,成为当时世界公铁两用斜拉桥中跨度最大的桥梁,获2010年国际桥梁大会乔治·理查德森奖。“三索面三主桁公铁两用斜拉桥建造技术”获2014年国家科技进步一等奖。
20载矢志不渝攻坚,一座座“中国桥”串起“八纵八横”高铁网
从天兴洲长江大桥起步,中铁大桥院高速铁路大跨度桥梁创新团队的研究成果,让一座座跨度更大、设计更精美的铁路桥一次次跨越天堑和高山峡谷。一座座“中国桥”,串起中国“八纵八横”高铁网。
2020年7月,世界首座跨度超千米的公铁两用斜拉桥一一沪苏通长江公铁大桥建成通车,这座集高速铁路(通苏嘉甬高铁)、城际铁路(沪苏通铁路)、高速公路“三位一体”的世界最大跨度公铁大桥,从方案研究到建成通车,历经了15年。回想起来,团队成员、全国工程勘察设计大师张敏感慨地说道:“为了选择合适的桥位,我们前后踏勘了近50次,几乎用双脚走完了桥位上下游30公里的长江两岸。”功夫不负有心人,团队研究的轨道形位多目标控制设计理论、新型铁路整体桥面、深水基础建造技术等多项成果将中国高铁桥梁建造技术提升到新的高度。
2020年12月,建成通车的连镇铁路五峰山长江大桥,为主跨1092米公铁两用悬索桥。团队成员、全国工程勘察设计大师徐恭义介绍,五峰山长江大桥是世界第一座高速铁路悬索桥。该桥首次实现重载铁路桥梁一跨越过长江,率先为我国开启了大跨度悬索桥用于铁路桥梁建设的全新技术时代。
2020年12月,合福高铁平潭海峡公铁大桥通车。施工期间,海底地质凹凸不平,且多为坚硬的花岗岩,想要在这种条件下把钻孔桩牢牢地嵌入海床下,无疑是给建筑工程师们出难题。科研团队和国内顶尖钻机制造机构联合科研,自主研发出一种适合海底地面的钻机,这种钻机可以在海底的石头缝里打孔,最大的打孔直径可以达到5米,钻孔深度可以达到180米,再坚硬的海底花岗岩也统统变成听话的“软豆腐”。
近年来,该团队持续在大跨度斜拉桥、大跨度悬索桥、多塔桥梁、复合体系桥梁及公铁两用桥、跨海长桥、山区桥梁等领域深耕,如正在修建的世界最大跨度公铁两用斜拉桥——常泰长江大桥(主跨1208米)、世界最大跨度三塔公铁斜拉桥——巢马铁路马鞍山长江大桥(主跨1120+1120米)、世界最大跨度公铁两用桥(主跨1488米)——甬舟铁路西堠门公铁大桥等,实现了多项桥梁原创技术的突破与应用,全面推广智能建造、数字建造和绿色建造技术。
一座座“飞虹”见证了时代的进步,也昭示着中国工程师们的“荣耀”。黄燕庆说,高速铁路大跨度桥梁创新团队二十年来的矢志不渝、攻坚克难,使铁路大跨度桥梁实现了列车通行时速从200公里到350公里、通行能力从双线到六线、跨度从312米到1176米、桥梁施工从散拼到整孔制造安装、材料和装备从依赖进口到全面国产的巨大跨越,对我国高速铁路建设起到了巨大的推动作用,成为“中国建造”享誉世界的亮点。
截至目前,该团队参与设计主跨400米以上高铁大桥20余座,在建的有10余座。先后获国家科技进步奖6项、国家技术发明奖2项、国际桥梁奖5项、省部级科技奖励23项,出版著作10部,发表论文311篇,授权国际专利、5项国家发明专利445项、国家级工法15项,制定国家及行业标准12部。 曹雪 王梦宇 孙彦宁