剛?cè)岵?jì)的五峰山長江大橋

馬永紅 田永強(qiáng)

入選“2022中國新時(shí)代100大建筑”的五峰山長江大橋，既是中國第一座公鐵兩用懸索橋，也是世界首座搭載高速鐵路的懸索橋。大橋主跨度1092米，上層是設(shè)計(jì)時(shí)速100千米的雙向8車道高速公路，下層為設(shè)計(jì)時(shí)速250千米的4線高速鐵路。

位于江蘇省鎮(zhèn)江市的五峰山長江大橋，開建于2015年10月，2020年12月投入使用。建成時(shí)，它是世界上設(shè)計(jì)運(yùn)營速度最高、荷載最大的懸索橋，也可以說是目前世界上“力氣”最大的懸索橋。結(jié)構(gòu)簡潔、“身量”纖纖的五峰山長江大橋是如何擁有這般“神力”的呢？而“大跨、高速、重載”的重?fù)?dān)又為何會(huì)落到一座結(jié)構(gòu)簡潔纖細(xì)的懸索橋肩上的？

長江下游江闊水深，但在江蘇省鎮(zhèn)江市與揚(yáng)州市之間，卻有一處江段，像是被無形的巨手捏了一下，正常水位時(shí)江面寬度僅1.2千米，遠(yuǎn)窄于它的上下游。

橋位選擇是橋梁建設(shè)的首要工作。對于跨越江河的橋梁來說，要建在兩岸有山腳、水道狹窄的地方。兩岸有山腳，則河道穩(wěn)定；水道狹窄，則主橋不會(huì)過長，省錢省事。鐵路橋梁對橋位的要求比公路橋梁更多，例如，必須考慮兩岸鐵路線路如何延展，而高速鐵路還要讓軌道更平直、平順。

鎮(zhèn)揚(yáng)江段的最窄處，叫作大港水道，是常年可以通行2.5萬噸巨型海輪的黃金航道。水道南岸的五峰山山腳伸入江底，河道數(shù)十年沒有變化；北岸地勢開闊，便于鐵路線路延伸。這是一處絕佳的鐵路橋梁橋位。

大港水道河床橫斷面呈“V”字形。V形深槽最深處約50米，上口寬約650米。顯然，此處建橋，槽底設(shè)墩成本太高；若有橋墩，只能對稱設(shè)在槽口，那便至少會(huì)有兩墩。

鎮(zhèn)江大港港口是中國第三大內(nèi)河港口，狹窄的江面使水道上的船運(yùn)更顯繁忙，若江中豎起橋墩，這個(gè)天然良港的運(yùn)力會(huì)急轉(zhuǎn)直下。因此，五峰山山腳下規(guī)劃中的鐵路橋遲遲沒有動(dòng)工。

2008年，五峰山長江大橋終于開始勘探設(shè)計(jì)。路橋工程專家、中國工程院院士鄭皆連曾說：“留了幾十年的一個(gè)難得的橋位，是費(fèi)了好大的勁兒保留下來的。這里是我們國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展最熱的長江三角洲，這樣一個(gè)珍貴的通道資源，應(yīng)該讓它用得充分一些，將來對沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用是非常非常大的。”

對橋位的最充分利用，是讓高速鐵路、高速公路、城際鐵路等都能在此過江，還要放眼未來，為今后交通能力升級留下空間。而對航道的最充分保護(hù)，則是建一座沒有水中墩、在水面50米以上，一步“邁”過長江的橋梁。

大港水道河床橫斷面示意圖

在當(dāng)時(shí)，千米大跨的懸索橋雖已不足為奇，但多為公路橋、城市軌道橋或公軌兩用橋，屈指可數(shù)的幾座鐵路懸索橋上，跑的也是普速列車或快速列車——全球范圍內(nèi)尚無高速鐵路懸索橋，更別說千米跨度的了。高速鐵路大跨度斜拉橋雖已出現(xiàn)多座，但跨度沒有超過千米的。因此，五峰山這個(gè)橋位等來的不論是懸索橋還是斜拉橋，都將是橋梁建設(shè)的世界性、歷史性突破。

?斜拉橋示意圖（繪圖/何敏）

?海南省海口市世紀(jì)大橋（斜拉橋）

?浙江省舟山市跨海大橋（懸索橋）

五峰山長江大橋鋼桁加勁梁橫截面示意圖（繪圖/ 何敏）

?架梁施工中的五峰山長江大橋（攝影/崔永興）

相對來說，斜拉橋的剛度（材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力）更大，更能滿足高速鐵路所需的穩(wěn)定性。但是，斜拉橋的斜拉索一般是在橋塔兩側(cè)對稱布置的，因而兩塔之外還有平衡邊跨。越過航道，主塔立于岸邊的斜拉橋，其主塔外側(cè)、跨度也不小的平衡邊跨伸到岸上，將成為無效跨度，還會(huì)影響美觀、提高工程造價(jià)。

因此，五峰山長江大橋只有一個(gè)選擇——懸索橋。

橋梁結(jié)構(gòu)中，懸索橋?qū)儆诘湫偷娜嵝越Y(jié)構(gòu)。在逾千米的尺度上，懸索橋結(jié)構(gòu)輕盈、柔韌，有相當(dāng)大的變形空間。

高速行駛的列車，其軌道必須有足夠的剛度。這是因?yàn)椋旭傔^程中，軌道任何一點(diǎn)小小的變形，都可能造成列車脫軌、翻車的嚴(yán)重后果。

鄭皆連院士評價(jià)五峰山橋采用懸索橋式時(shí)說，用柔性結(jié)構(gòu)懸索橋完成重載高鐵，體現(xiàn)了中國橋梁設(shè)計(jì)師的膽識。

能讓柔性的懸索橋承載起高速鐵路，有膽識的設(shè)計(jì)師們做的大量工作是精準(zhǔn)計(jì)算和穩(wěn)妥設(shè)計(jì)。確保結(jié)構(gòu)安全和行車舒適，是復(fù)雜、繁瑣、巨量、精準(zhǔn)的分析計(jì)算的終極目的。

要想在懸索橋上跑高鐵，首先要把懸索橋的梁變“硬”。設(shè)計(jì)師們?yōu)槲宸迳介L江大橋設(shè)計(jì)了鋼桁（héng）（架）加勁梁。

桁，就是又直又硬的棍子；桁架，是用“桁”組拼而成、架空的立體承重構(gòu)件，以“幾何不變形體系”三角形為基準(zhǔn)區(qū)格。鋼桁梁因結(jié)構(gòu)立體、穩(wěn)定、荷載大，常為鐵路橋、公鐵兩用橋選用。

加勁，僅從字面上就能理解——增加力量。“鋼桁加勁梁”，可以理解為“升級版的鋼桁梁”。經(jīng)過縝密計(jì)算和巧妙設(shè)計(jì)，五峰山長江大橋主梁結(jié)構(gòu)為上寬下窄型，高寬尺寸、比例和斜桿的設(shè)計(jì)，將鋼桁梁的剛度發(fā)揮到了最佳。鋼橋面板，則用一種叫“全熔焊接”的新工藝，與鋼桁加勁梁凝為一體。

鋼桁加勁梁好似護(hù)衛(wèi)高鐵過江的“鋼鐵俠”，高速列車通過時(shí)給它造成的幾何形變極其微弱，保障了橋梁的結(jié)構(gòu)安全性和行車舒適性。當(dāng)然，這樣的鋼梁，自重也達(dá)到了一個(gè)峰值：五峰山長江大橋鋼梁總重17萬噸，相當(dāng)于3艘遼寧艦航母的重量。

遠(yuǎn)眺五峰山長江大橋，最美的曲線來自它的主纜索。從一岸到另一岸，兩道主纜索兩次越過高高的索塔，如綢帶般順滑飄逸。通過吊桿懸掛在主纜索下方的鋼桁加勁梁則顯得玲瓏而穩(wěn)當(dāng)。

梁體的恒定重力和高速列車、汽車造成的活動(dòng)重力，都是由錨碇固定于兩岸的主纜索來承受，然后通過索塔傳遞給大地，由大地化解。主纜索、索塔以及兩岸的錨碇仿佛大力士，剛?cè)岵?jì)、簡單明了地將一切不安全、不舒適化為無形。

有人稱五峰山長江大橋是“未來之橋”。如果你乘坐高速列車從橋上通過，雖只有短短數(shù)十秒鐘，但一定要細(xì)細(xì)體味它的平穩(wěn)和舒適，那里面飽含著智慧和科學(xué)，還有中國橋梁人的驕傲。

?施工中的五峰山長江大橋南岸錨碇基礎(chǔ)（攝影/陳勇 趙融）

（責(zé)任編輯 / 張麗靜? 美術(shù)編輯 / 周游）