解密秦顺全院士团队攻坚常泰长江大桥“非对称”设计建设奥秘

常泰长江大桥是 长江上首座集高速公路、城际铁路、普通公路三种过江方式于一体的大型通道 。大桥全长10.03公里，其中公铁合建段长5299.2米，由一座主跨1176米的钢桁梁斜拉桥、两座主跨388米的钢桁拱桥和一座3×124米的非通航孔钢桁梁桥组成，创下了 最大跨度斜拉桥、最大跨度公铁两用钢桁拱桥的世界纪录 。

为了节约资源，常泰长江大桥设计为两层。上层的“六车道高速公路”顺接常州至泰兴高速公路；下层的“双向城际铁路”居中顺接常泰铁路，“四车道一级公路”用来满足两岸百姓日常通勤需求。

作为大桥总设计师，秦顺全一直在优化大桥的概念性设计。

大桥是将主梁用许多拉索直接锚在桥塔上的斜拉桥。铁路侧自重约为每米12吨，公路两侧加起来每米重4吨。遵循通用设计惯例，城际铁路居中，普通车道在两侧，形成极其稳定的对称结构。

受地理条件制约，两侧一级公路与地面公路对接时，形成了660亩的夹心地。

为了规避“夹心地”的产生，秦顺全提出一个大胆的设想： 放弃惯用的“对称结构”，把铁路和公路各放一边，形成“非对称”结构 ，“夹心地”问题也就迎刃而解。

“非对称设计”属世界首例，没有现成可用的计算模型 。为了完成计算验证，秦顺全用了几个月的时间，发展自己的 “无应力状态法理论体系” 。在此理论体系的支撑下，秦顺全为非对称设计“量身定制”了一套计算大模型。

桥梁结构无应力状态法理论，填补了分阶段施工桥梁分析领域的世界空白 。在常泰长江大桥设计、建造中，应用无应力状态法理论为“非对称设计”量身定制的“数据分析大模型”，成功论证了“非对称设计”的可行性，为大桥的顺利实施提供了理论支撑。

新模型对“非对称设计”引起的铁路侧重、公路侧轻的问题给出了最优解决方案——通过加大铁路侧的索力，相当于把铁路侧的超重部分拎起来，使其公路侧重量保持一致，以此确保结构上的平衡。

“非对称方案”的成功，不仅解决了“夹心地”问题，还节省工程款3.3亿元，提高了相关桥梁建造技术 。相应地，桥梁安装、钢梁焊接、螺母刻度等全面升级到建造航母的精度要求。

如果说“非对称设计”是一次“看得见的艰辛”，那么，大桥沉井施工则是一场“看不见的凶险”。

斜拉桥承受的重量，除了来自通行的汽车或者火车，主要还是来自自身荷载重量。常泰长江大桥的荷载达 53万吨 ，由两座主塔和斜拉索共同支撑。

如果把常泰长江大桥比作人的身体，两座主塔就是人的两条腿，决定两条腿是否稳健有力的关键，就在主塔梁下半身的水下沉井。

大桥设计初期，通过计算，沉井需要下沉到负90多米，才能站稳脚跟。但脚扎得越深，施工风险就越大。

秦顺全透彻研究了世界所有大桥沉井原理后，提出了 “减冲刷、减自重台阶型沉井” ，成功地给沉井做了“减肥和减高手术”。

“减肥减高”后的沉井一下子敦实了许多，身高减掉30米后，可完美避开深潜最危险的“无人区”。

但即使“减肥减重”后，大桥沉井依然是有着相当于24层楼高、13个篮球场大小的“巨无霸”。要把这个世界级“定海神针”精准下沉到指定位置，下沉过程极其凶险。

沉井下放过程中最怕的是突沉。为了能安全取土，避免突沉，人工取土环节中，秦顺全提出采用 层层剥取法 ，严格控制取土进度和平衡度，绝不急于求成。

泰兴江面繁忙如川流不息的高速公路，江面上的任何障碍物都会直接威胁船只的通行安全。为了把安全留给深水区主航道，秦顺全直接把大桥主跨加长到了 1176米 ，用科技创新来保驾护航。

一跨过江解决了航道通行问题，然而，由此产生的新问题接蹱而至。主桥与拱桥连接时，要产生±140厘米伸缩位移，但世界上可靠的伸缩设备最大位移量也只有±80厘米，下层列车无法安全通行。

当主梁在承受风力、温度和车辆通行时，会产生纵向变形，造成主梁移动。为了阻止主梁移动，导致伸缩缝加大、列车无法通行，秦顺全想利用 “汽车刹车片原理” 形成阻力，以防止主梁移动。

“汽车刹车片”虽然把梁端位移大的问题解决了，但秦顺全考虑到在极端情况下，刹车片会有失灵的风险。他认为还是得从主梁底部用一根钢拉杆将主梁跨中这个温度不动点和桥塔连接起来，拉住这个“巨型秋千”更安全。

钢拉杆绑固法安全有效，但新的问题又显现了：钢拉杆自身热胀冷缩也会产生移位。那么，如何驯服这条“拦路虎”呢？

秦顺全巧妙利用碳纤维复合材料几乎无热胀冷缩的特性，用其制成拉杆，绑住“巨型秋千”，确保桥梁不因为自身和外界干扰而“动摇”。他将这个新方案称为 “温度自适应塔梁纵向约束体系” 。

新的约束体系将常泰长江大桥的梁端位移量降为±76厘米?，确保了城际铁路安全通行。