高宗余:沪通大桥是我们为长三角定制的
2020-05-13 06:44:20 作者:郑蔚

200811京沪高铁南京大胜关长江大桥.jpg

世界排名前十的斜拉桥(均含在建)中,有7座在中国,其中3座是中铁大桥院设计的;世界排名前十的铁路斜拉桥中,9座在中国,9座都是大桥院设计的;世界排名前十的公路悬索桥中,有5座在中国,大桥院设计了其中的2座。

中国是世界桥梁设计和建造的第一梯队,名副其实。今夏将通车的沪通长江公铁两用大桥,在世界排名前十的公铁两用斜拉桥中,位居榜首。“公铁两用桥的设计和建造,比纯公路桥难度要大很多。”沪通大桥总设计师、中国中铁大桥勘测设计院集团有限公司总工程师、教授级高工高宗余说。

高宗余,全国工程勘察设计大师,曾先后获得国家科技进步特等奖和一等奖。

1772316396.jpg

“沪通大桥,这桥建得不容易”

“沪通长江大桥是2005年正式开始研究的,此后整整5年,我们都在论证桥位。这5年非常痛苦,因为此处长江已近入海口,江面宽,又是黄金水道,通航要求高,而且好的桥位早就被选完了。”高宗余介绍说。

2009年末,“(南)通-苏(州)-嘉(兴)-甬(宁波)”城际铁路规划确定了,开始做前期设计,而高速公路的跨江“锡通通道”(无锡-南通)也要过江,于是决定沪通铁路、“通-苏-嘉-甬”城际铁路跨江通道和“锡通通道”三者共享一座跨江大桥,铁路由原来的双线改为4线,一增一减,仅此就可为国家省下至少100亿元建桥投入,还大大节省了土地和岸线。于是,2010年2月,在苏通大桥上游40公里处建设沪通公铁两用桥的方案得以确定,国家发改委将此列为“多通道合建”的范例。

2013年12月,铁总和江苏省政府下达了《新建南通到上海铁路沪通长江大桥工程初步设计的批复》,仅3个月,大桥院在高宗余的带领下,开足马力,将大桥所有的施工图出完——2014年3月,沪通大桥正式开工。

1829020085.jpg

沪通大桥通航孔主跨为1092米,将是国内最大的公铁两用斜拉桥。“为什么主跨要1092米?桥梁设计师开始设计桥梁跨度和桥塔时,首先要考虑哪些因素?”记者请教他。

“最重要的是两大要素:外部条件和地质缺陷点。”高宗余说,“以沪通大桥为例,外部条件首先要满足交通部门规定的长江通航净宽要求,长江这一段航道宽度要求是900米;其次,因为这里临近长江出海口,水流还受涨潮落潮的影响,夏季和冬季的江水流向也不同,大桥不可能总是正对着主航道,所以还要加上大桥轴线和流向的夹角;再者,还要将桥墩的宽度和防撞设施考虑进去,因为通航的要求是必须满足10万吨船的航行需求,所以桥墩必须足够坚固,能承受10万吨船舶的撞击。沪通大桥的跨度是经过精确计算得出来的。”

为确保10万吨船的通航,交通部门规定从江阴到出海口的长江大桥净空高度为62米。“在净空高度之上,桥塔从桥面到塔顶的高度有个大致合理的比例,就是大桥跨度的四分之一。跨度1092米,桥塔上部至少250-270米,再加上桥面下的净空高度、承台高度,所以最后确定塔高325米。”高宗余说,“简单来说,就是江宽和航道、防洪要求决定了跨度,跨度和净空高度又决定了桥塔的高度。”

20191209-世界大跨度拱桥建设技术大会-02.jpg

全世界荷载最重的大桥

沪通长江大桥是铁路4线通行,而1957年通车的武汉长江大桥和1968年通车的南京长江大桥,铁路还只是双线通行。直到40多年后,2009年建成通车的京广高铁跨江通道——武汉天兴洲公铁两用大桥才首次采用4线通行,总设计师高宗余因“三索面三主桁公铁两用斜拉桥建造技术”于2013年获得了国家科技进步一等奖。

但天兴洲桥的跨度仅504米,沪通大桥主跨是1092米,这意味着什么?

“首先是桥梁的载重量大大提高了。”高宗余说,“按设计规范,客货兼运的干线铁路每线的荷载是8吨/米,只走旅客列车的客运专线的每线荷载是6.4吨/米,而公路桥每一车道的荷载标准是1.05吨/米,三者相加就可以算出2条干线铁路、2条客运专线和公路6条车道的沪通大桥荷载,已经是世界之最:35吨/米。”

由此可见,公路桥的荷载与公铁两用桥的荷载完全不是一个数量级。记者请教中铁大桥院副总工程师肖海珠,桥梁的跨度越大、荷载越重,对桥梁设计带来的难度是什么?

肖海珠说:“大跨度桥的特点是‘柔’,就是在重力作用下,两座桥塔最中间的桥面变形会比较大,工程上叫‘挠跨比’。沪通大桥的挠跨比不能超过千分之二,也就是桥面跨度1092米,最中间部分上下变形的绕度不能超过2米。”

将来列车驶过沪通大桥中间时,桥面竟然会上下移动将近2米?这是记者事先没想到的。如此幅度,客运专列的时速又高达250公里,会不会因轨道变形而危及行车安全?

200909在京沪高铁大胜关长江大桥和方秦汉院士等同事在一起-01.jpg

▲高宗余(右)和方秦汉(中)院士一起探讨桥梁建设工作。

“这确实带来了沪通大桥必须攻克的诸多难点,也是高总带领我们攻关的几个重大创新点。高总首创了轨道形位研究,明确了桥上线路轨距差、轨道高差等十多项关键控制指标,形成了高铁大跨度桥梁形位控制设计方法,破解了列车高速通过大桥时轨道平顺不平顺、旅客舒适不舒适的难题。”肖海珠说。

高宗余还带领设计团队通过建立计算机空间模型,对桥梁钢结构和斜拉索的稳定性进行分析,以最大可能地减少桥面的挠动幅度。之前的斜拉桥,大多是大桥两侧各有一排斜拉索系在桥塔上,这在桥梁专业上叫“两索面两主桁”。而沪通大桥荷载太重,高宗余决定采用“三索面三主桁”,也就是在桥的双主桁的钢桁梁和两侧的斜拉索之外,在桥中间再加一个钢桁梁和再拉一排斜拉索,用三排斜拉索牢牢拉住桥面。高宗余还提出,仅仅结构上加强还不够,还必须采用强度更大、更耐久的桥梁钢和斜拉索才行。

“当时我们已有Q420桥梁钢和1860兆帕斜拉索,这在国际上已经领先了,国外至今也没有造过大跨度的4线铁路桥。”肖海珠说,“但高总提出要研制屈服强度500兆帕的Q500桥梁钢和应力可达2000兆帕的新型斜拉索。”

根据大桥设计团队提出的技术要求,在宝武和鞍钢的大力支持下,这2款世界上强度最高的桥梁专用钢材终于先后合作研制成功。这不仅提高了桥梁钢和斜拉索的强度,还使整座桥梁的结构支撑变轻了,沪通大桥的自重也大大减轻了。

“沪通大桥的‘钢筋铁骨’,都是我们中国人自主创新研制的。”高宗余很自豪地说。

“造桥时遇到什么情况,您作为设计师最紧张?”记者问。

“那就是大桥即将合龙前一刻,因为桥梁悬臂伸出去最远,”高宗余说,“那时桥面所有的重量都在斜拉索上,前一天晚上会反复地思考:桥梁和桥塔的固结是否可靠?每根斜拉索的力是不是计算准确……”

合龙时,通常会举行一个庆祝仪式,真没想到这彩旗飘扬的时刻,竟然是设计师心情最紧张的时刻。

“我们做工程的,讲假话没有用的,实践会立刻让你现原形。大桥顺利合龙了,我们才真的放心了。”他说。

沪通大桥-2.jpg

“‘大概’?工程师没有‘大概’”

高宗余是南京六合人,虽然父母两家世代农民,但南京长江大桥的北引桥离他家不远。小时候,他每次去舅舅家都要走过北引桥。站在桥下,仰首望去,南京长江大桥格外巍峨壮观。记得有一次,还正赶上有一列火车越江而来,虽然因桥下视角遮挡,他不知道那火车是客车还是货车,但铿锵的轰鸣声由远而近、越来越响,给这位少年郎前所未有的震撼。

现在的家长常说“不辅导作业母慈子孝,一辅导作业鸡飞狗跳”,而高宗余回想起来,他读书时简直太自觉了,父母整天种地喂猪,劳碌辛苦,从没为他辅导过什么功课。而他就读的瓜埠中学远在3公里外的镇上,是南京市重点中学,夏天每天6点50分到校;冬天7点10分进校。所以他天不亮就起床,走半小时赶到学校。那时瓜埠中学对农村学生有助学金,但他不好意思说家里困难没去申请,是班主任陆秀生老师主动帮他办了助学金,虽然只有区区1.5元,今天听来这点钱怎么称得上“助学”,但那时已足够交学校一个月午餐的菜金。午餐是米饭加菜汤,间或还真有点肉,令高宗余感恩在心。

1981年高考时,高宗余一时拿不定主意怎么填志愿。陆老师建议他报考西南交通大学铁道桥梁专业。西南交大虽然离家乡远点,但这个专业有前途啊,中国还要造多少铁路啊,铁路桥可是造不完的!“铁路桥梁”,这一下子唤醒了高宗余脑海深处的记忆,那列从南京长江大桥上奔驰而来的列车,如同迈向全新的未知世界的召唤。

20191209-参观世界最大跨度拱桥-和交通部原总工程师凤懋润 (1).jpg

▲高宗余(左)和交通部原总工程师凤懋润在桥梁建设现场。

1985年从西南交大本科毕业,高宗余分到中铁大桥局技术处。最初,他做的是编制计算机桥梁结构分析软件,这两年的“萝卜干饭”为他打下了扎实的基础,1987年,他调入大桥局设计院。在上世纪90年代初,他参与了武汉长江二桥的设计工作。当时国内还没有桥梁结构设计软件,他只能一边编软件、一边做计算,一边做桥梁设计。“现在再也不可能这样设计桥梁了,”高宗余笑着说。

他回忆说:“我的博导是方秦汉院士,他是行业里有名的‘钢霸’,是业内桥梁钢结构研究的巨擘。方老作风非常严谨,80多岁了还能随口背出大学教科书上的力学公式。做他的学生,要有随时被‘考试’的准备。上世纪90年代,在九江长江大桥的工地现场,他突然问我,‘钢桁梁在伸臂施工中的实际变形会比计算的要小,这是为什么?’‘钢桁梁的次应力有多大?’当场回答出来是必须的。他说的一句话,我永远铭记在心:‘我们做工程师的人,要学习别人的长处,也要吸取别人的教训,但不能成为别人的教训。’”

“不能成为别人的教训”,这句话现在大桥院的设计师都知道。

“过去是大家‘怕’方院士,现在是我们‘怕’高总。”肖海珠对记者说,“高总有个规矩,对进院不满3年的年轻人一般不批评,他说,年轻人是为我国未来的桥梁事业储备的人才,要允许他犯错。那年轻人错了怎么办?他批评室主任。但如果是室主任再犯错,那他批评得非常严厉。他的理由是,‘年轻人错了,你们可以把关;你们犯错,后果太严重。’所以我们这里是年资越高,越怕向高总汇报,每一个数据都要弄清楚。”

中铁大桥院第二设计院副院长、高工张燕飞说:“有件事给我印象很深。有一次,一个工程师向他汇报时说桥塔的某个数据‘大概’是多少,高总立刻神情严肃地打断他的话说,什么是‘大概’?工程师没有‘大概’。从此,项目组向他汇报时,没有人再敢说‘大概’两字。”

201811某次学术交流会上.jpg

“工程师不能失败!”

“科学家可以失败,但工程师不能失败。科学家要苦思冥想,说不定失败反而会激发出智慧的火花;而我们是工程师,工程师失败了,工程就失败了,这国家的损失就太大了。”高宗余多次对团队同事说。

做工程的,决不允许失败。这是高宗余和他团队的执念。

沪通大桥遇到的一大难题是砂土地基。地质勘探发现,桥塔所在的位置再往下二三百米,仍是砂土层。通常建桥是在河床上打桩,桩要一直打到岩石层站住,然后在桩上造桥塔,找不到岩石层可怎么办?

682200827.jpg

▲高宗余与妻子。

此关必破。高宗余和他的设计团队反复研讨,最后他拍板确定了一根桩也不打的“沉井方案”。这是个超巨型的“钢壳+钢筋混凝土”组合式沉井,平面尺寸相当于12个篮球场,是世界上规模最大的深水沉井基础。沉井分为上下两部分,各有将近20层楼这么高,下部是钢壳沉井,在南通制造基地焊接完成后,浮运到现场,全部打进江底的砂土层后,底部再用近10多米厚的混凝土封住,形成一个超5000平方米的承重平面;然后上面再加混凝土沉井,混凝土沉井高出江面,上部形成一个高8米的承重平台,桥塔就站在承重平台上。”高宗余说,“我们用这项世界首创的巨型组合沉井技术,将基础打得牢牢的,确保沪通大桥可以抵御8级地震和13级台风侵袭。”

要不是他揭开这水下的秘密,还真不知道沪通大桥与南京长江大桥在江底下有这么大的不同。

“对我们设计师来说,每一座大桥都是不同的,都是根据功能要求和各种环境限制条件专门定制的。沪通长江大桥,就是我们为服务长三角定制的。”高宗余说。

2014年,我国宣布援建马尔代夫中马友谊大桥,它将寸土寸金的马累岛和机场岛连接了起来,意义重大。

这是大桥院第一次在印度洋中设计桥梁。马尔代夫的海水平均盐度是33.1‰,这在全球海洋中是较高的,好在大桥院已经有造东海大桥、平潭海峡大桥的经验,再加上采用了加强钢梁和混凝土的海洋环境耐久性设计等新技术,可以确保大桥100年的寿命。“我们第一次遇到的情况是,那里的海床是由生成年代还不太久的珊瑚礁构成的,它的特点是虽然硬,但是太脆,一打桩就崩。”高宗余说。

“世界上还没有在珊瑚礁上建跨海大桥的经验,曾有外国专家说要把珊瑚礁炸平,但我们团队商量,保护海洋环境非常重要,我们不能把珊瑚礁给炸了。”高宗余说,“那里的水深是46米,我们就先在珊瑚礁上打桩,打下去10米后,钢管桩站住了,再打钻,钻深50-60米后,再放钢筋笼子,灌注混凝土,桩就能承重了,这座桥最深的桩有118米长。”

如今,中马友谊大桥早已建成开通,成为马尔代夫新的景观。

971309654.jpg

▲中马友谊大桥。

记者手记:“我就是个工程师”

2011年,高宗余荣膺全国桥梁界的设计大师,但这个荣誉称号的学名实际上要复杂专业得多:“全国工程勘察设计大师”。按理说,谁评上都是很高的荣誉,没想到这个荣誉给高宗余带来的首先是“尴尬”。

高宗余说:“之前,我们单位也有前辈评上设计大师的,我们都习惯尊称他们为‘大师’。我评上这个‘大师’后,同事也改称我‘高大师’了。真没想到的是,我突然觉得十分尴尬。我觉得老一辈确实是‘大师’,而我就是个小字辈的工程师,工程师是我的本分,一叫我‘大师’我反而尴尬了。所以,刚开始同事叫我‘高大师’,我不习惯回应,但马上发现不回应不行,刚评上就不回应更不行。人家会想:高宗余怎么一评上‘大师’就变得叫他也不睬了?那误会就更大了,所以最后我只好硬着头皮回应了。”

高宗余为人儒雅随和,但遇到困难又特别硬气。有的大桥在建造过程中遇到了困难,甚至出了事故,有的人就躲得远远的,而高宗余从不这样,施工遇到困难,他会盯在现场,一定要和大家一起想出办法,解决了难题才离开。这样的设计师,大家觉得贴心、放心。

高宗余还很少参加大桥竣工通车典礼。2005年12月,东海大桥开通时,他在南通忙着为沪通大桥选址;去年9月,福建平潭海峡大桥合龙之时,他正奔走在四川大渡河两岸,为川藏铁路建桥踏勘。

从业35年来,他主持设计过30多座大型桥梁。记者请他说说总共参加过几次通车典礼,他掐着指头算了好一会,说好像仅仅参加过2次。

“我就是做桥梁设计的工程师,设计做完,桥造好,我的本职工作就基本完成了。”他为自己为什么屡屡缺席通车庆典“辩解”说。


作者:郑蔚
编辑:范菁
*文汇独家稿件,转载请注明出处。

热门评论
打开文汇APP,查看更多精彩评论
Logo

文汇报

源于事实 来自眼界
DownLoad