刚柔并济的五峰山长江大桥

马永红 田永强

入选“2022中国新时代100大建筑”的五峰山长江大桥，既是中国第一座公铁两用悬索桥，也是世界首座搭载高速铁路的悬索桥。大桥主跨度1092米，上层是设计时速100千米的双向8车道高速公路，下层为设计时速250千米的4线高速铁路。

位于江苏省镇江市的五峰山长江大桥，开建于2015年10月，2020年12月投入使用。建成时，它是世界上设计运营速度最高、荷载最大的悬索桥，也可以说是目前世界上“力气”最大的悬索桥。结构简洁、“身量”纤纤的五峰山长江大桥是如何拥有这般“神力”的呢？而“大跨、高速、重载”的重担又为何会落到一座结构简洁纤细的悬索桥肩上的？

长江下游江阔水深，但在江苏省镇江市与扬州市之间，却有一处江段，像是被无形的巨手捏了一下，正常水位时江面宽度仅1.2千米，远窄于它的上下游。

桥位选择是桥梁建设的首要工作。对于跨越江河的桥梁来说，要建在两岸有山脚、水道狭窄的地方。两岸有山脚，则河道稳定；水道狭窄，则主桥不会过长，省钱省事。铁路桥梁对桥位的要求比公路桥梁更多，例如，必须考虑两岸铁路线路如何延展，而高速铁路还要让轨道更平直、平顺。

镇扬江段的最窄处，叫作大港水道，是常年可以通行2.5万吨巨型海轮的黄金航道。水道南岸的五峰山山脚伸入江底，河道数十年没有变化；北岸地势开阔，便于铁路线路延伸。这是一处绝佳的铁路桥梁桥位。

大港水道河床横断面呈“V”字形。V形深槽最深处约50米，上口宽约650米。显然，此处建桥，槽底设墩成本太高；若有桥墩，只能对称设在槽口，那便至少会有两墩。

镇江大港港口是中国第三大内河港口，狭窄的江面使水道上的船运更显繁忙，若江中竖起桥墩，这个天然良港的运力会急转直下。因此，五峰山山脚下规划中的铁路桥迟迟没有动工。

2008年，五峰山长江大桥终于开始勘探设计。路桥工程专家、中国工程院院士郑皆连曾说：“留了几十年的一个难得的桥位，是费了好大的劲儿保留下来的。这里是我们国家经济发展最热的长江三角洲，这样一个珍贵的通道资源，应该让它用得充分一些，将来对沿线经济发展的作用是非常非常大的。”

对桥位的最充分利用，是让高速铁路、高速公路、城际铁路等都能在此过江，还要放眼未来，为今后交通能力升级留下空间。而对航道的最充分保护，则是建一座没有水中墩、在水面50米以上，一步“迈”过长江的桥梁。

大港水道河床横断面示意图

在当时，千米大跨的悬索桥虽已不足为奇，但多为公路桥、城市轨道桥或公轨两用桥，屈指可数的几座铁路悬索桥上，跑的也是普速列车或快速列车——全球范围内尚无高速铁路悬索桥，更别说千米跨度的了。高速铁路大跨度斜拉桥虽已出现多座，但跨度没有超过千米的。因此，五峰山这个桥位等来的不论是悬索桥还是斜拉桥，都将是桥梁建设的世界性、历史性突破。

 斜拉桥示意图（绘图/何敏）

 海南省海口市世纪大桥（斜拉桥）

 浙江省舟山市跨海大桥（悬索桥）

五峰山長江大桥钢桁加劲梁横截面示意图（绘图/ 何敏）

 架梁施工中的五峰山长江大桥（摄影/崔永兴）

相对来说，斜拉桥的刚度（材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力）更大，更能满足高速铁路所需的稳定性。但是，斜拉桥的斜拉索一般是在桥塔两侧对称布置的，因而两塔之外还有平衡边跨。越过航道，主塔立于岸边的斜拉桥，其主塔外侧、跨度也不小的平衡边跨伸到岸上，将成为无效跨度，还会影响美观、提高工程造价。

因此，五峰山长江大桥只有一个选择——悬索桥。

桥梁结构中，悬索桥属于典型的柔性结构。在逾千米的尺度上，悬索桥结构轻盈、柔韧，有相当大的变形空间。

高速行驶的列车，其轨道必须有足够的刚度。这是因为，行驶过程中，轨道任何一点小小的变形，都可能造成列车脱轨、翻车的严重后果。

郑皆连院士评价五峰山桥采用悬索桥式时说，用柔性结构悬索桥完成重载高铁，体现了中国桥梁设计师的胆识。

能让柔性的悬索桥承载起高速铁路，有胆识的设计师们做的大量工作是精准计算和稳妥设计。确保结构安全和行车舒适，是复杂、繁琐、巨量、精准的分析计算的终极目的。

要想在悬索桥上跑高铁，首先要把悬索桥的梁变“硬”。设计师们为五峰山长江大桥设计了钢桁（héng）（架）加劲梁。

桁，就是又直又硬的棍子；桁架，是用“桁”组拼而成、架空的立体承重构件，以“几何不变形体系”三角形为基准区格。钢桁梁因结构立体、稳定、荷载大，常为铁路桥、公铁两用桥选用。

加劲，仅从字面上就能理解——增加力量。“钢桁加劲梁”，可以理解为“升级版的钢桁梁”。经过缜密计算和巧妙设计，五峰山长江大桥主梁结构为上宽下窄型，高宽尺寸、比例和斜杆的设计，将钢桁梁的刚度发挥到了最佳。钢桥面板，则用一种叫“全熔焊接”的新工艺，与钢桁加劲梁凝为一体。

钢桁加劲梁好似护卫高铁过江的“钢铁侠”，高速列车通过时给它造成的几何形变极其微弱，保障了桥梁的结构安全性和行车舒适性。当然，这样的钢梁，自重也达到了一个峰值：五峰山长江大桥钢梁总重17万吨，相当于3艘辽宁舰航母的重量。

远眺五峰山长江大桥，最美的曲线来自它的主缆索。从一岸到另一岸，两道主缆索两次越过高高的索塔，如绸带般顺滑飘逸。通过吊杆悬挂在主缆索下方的钢桁加劲梁则显得玲珑而稳当。

梁体的恒定重力和高速列车、汽车造成的活动重力，都是由锚碇固定于两岸的主缆索来承受，然后通过索塔传递给大地，由大地化解。主缆索、索塔以及两岸的锚碇仿佛大力士，剛柔并济、简单明了地将一切不安全、不舒适化为无形。

有人称五峰山长江大桥是“未来之桥”。如果你乘坐高速列车从桥上通过，虽只有短短数十秒钟，但一定要细细体味它的平稳和舒适，那里面饱含着智慧和科学，还有中国桥梁人的骄傲。

 施工中的五峰山长江大桥南岸锚碇基础（摄影/陈勇 赵融）

（责任编辑 / 张丽静  美术编辑 / 周游）