橋梁拉索防火隔熱系統(tǒng)的試驗(yàn)研究及應(yīng)用

龐銳劍，雷 歡，韋耀淋，覃 磊，朱永權(quán)，石 偉

(柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司 柳州市 545006)

1 概述

1.1 火災(zāi)對(duì)橋梁拉索影響

橋梁作為主要交通線的樞紐，在軍事交通和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有至關(guān)重要的地位和作用。隨著交通量的日益增加和復(fù)雜化，橋梁發(fā)生火災(zāi)的概率極大上升，每年因火災(zāi)造成垮塌的橋梁是地震造成的2.7倍[1]。2008年12月，鶴洞大橋西塔南側(cè)邊跨和中跨拉索上的彩燈起火，導(dǎo)致十多根拉索發(fā)生起火，拉索彩燈裝飾燒毀嚴(yán)重。2011年8月，一輛裝載24t汽油的油罐車，在210國(guó)道K314+836的榆林市榆陽區(qū)草溝大橋與另一輛拉煤貨車發(fā)生追尾，油罐罐體嚴(yán)重破壞，汽油大量泄漏，并引發(fā)大火[2]。2018年3月20日，一輛載有大量蚊香、滅蚊劑等物品的貨車在鄂黃長(zhǎng)江公路大橋突發(fā)大火，造成7根拉索不同程度受損，需要更換其中部分受損拉索，除造成直接的經(jīng)濟(jì)損失外，還給橋梁的正常運(yùn)營(yíng)帶來較大影響。因此，火災(zāi)引起的橋梁結(jié)構(gòu)安全問題日漸受到關(guān)注。

在纜索類橋梁中，拉索是橋梁主要受力構(gòu)件，而拉索主要受力件由鋼絲或鋼絞線等鋼構(gòu)件組成。鋼材導(dǎo)熱系數(shù)大，火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)升溫快，鋼材強(qiáng)度隨溫度升高而迅速降低。當(dāng)鋼構(gòu)件的溫度分別達(dá)到 350℃、500℃和 600℃時(shí)，其強(qiáng)度分別下降 1/3、1/2 和2/3。無防護(hù)條件下，一般15～20min左右就會(huì)因其承載力不足而破壞。一般火災(zāi)的溫度通常會(huì)達(dá)到 800～1000℃，短時(shí)間內(nèi)很快達(dá)到極限狀態(tài)進(jìn)而造成鋼構(gòu)件破壞[3-7]。

1.2 防火隔熱要求

目前越來越多橋梁工程提出拉索應(yīng)具備防火功能的要求，國(guó)際規(guī)范PTI DC45.1-12對(duì)橋梁拉索的防火隔熱性能提出規(guī)定：拉索外部在1100℃條件下，持續(xù)時(shí)間不小于30min過程中，拉索鋼絞線表面溫度不超過300℃。而研究依托的埃及Rod EI Farag橋工程，提出了更高的防火隔熱性能要求：拉索外部在1100℃條件下，持續(xù)時(shí)間不小于90min過程中，拉索鋼絞線表面溫度不超過300℃。

1.3 防火隔熱措施

鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱措施主要有屏蔽法、澆注混凝土或砌筑耐火磚、包覆耐火輕質(zhì)板材、涂抹防火涂料、包覆柔性氈狀隔熱材料、復(fù)合防火保護(hù)[8]。本文根據(jù)拉索的結(jié)構(gòu)特性(內(nèi)部為鋼材、外部為HDPE材料)，采用涂抹防火涂料[9]、包覆柔性氈狀隔熱材料方法對(duì)拉索防火隔熱系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 拉索防火隔熱系統(tǒng)試驗(yàn)研究

為提高研究效率，先對(duì)拉索防火隔熱系統(tǒng)進(jìn)行小模型試驗(yàn)研究，從中選取合適的防火隔熱材料、防火結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)方案，再進(jìn)行實(shí)際模型試驗(yàn)研究。并對(duì)防火隔熱系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際模型安裝工藝試驗(yàn)研究。

2.1 小模型試驗(yàn)研究

2.1.1防火隔熱材料分析

(1)防火涂料

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料。膨脹型防火涂料(薄型防火涂料)涂層厚度不小于1.5mm，遇火后能發(fā)泡膨脹形成保護(hù)層。非膨脹型防火涂料(厚型防火涂料)涂層厚度不小于7mm，遇火不膨脹，依靠材料自身耐火隔熱性能發(fā)揮防護(hù)作用。防火涂料施工簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單和復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)均可適用，但是成本偏高。

由于橋梁拉索的工況為室外環(huán)境，應(yīng)考慮選用具有良好耐候性的室外防火涂料，同時(shí)應(yīng)選用滿足耐高溫1100℃以上的防火涂料。

(2)柔性氈狀隔熱材料

柔性氈狀隔熱材料(柔性防火氈)為無機(jī)材料，依靠材料本身的不燃性和超低的導(dǎo)熱系數(shù)，延緩熱量傳遞速度而發(fā)揮其防護(hù)作用。柔性氈狀隔熱材料，具有材料化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。具有較好的柔韌性和經(jīng)濟(jì)性，適宜應(yīng)用在外形為柱狀或規(guī)則的結(jié)構(gòu)上。

橋梁拉索應(yīng)用在室外環(huán)境，工作時(shí)為傾斜或豎直狀態(tài)。選用柔性氈狀隔熱材料應(yīng)考慮對(duì)其進(jìn)行防水保護(hù)和機(jī)械損傷保護(hù)，及其自重對(duì)安裝的影響。

2.1.2試驗(yàn)研究

根據(jù)不同防火材料，制作好相應(yīng)結(jié)構(gòu)的防火試件(如圖1所示)，并把試件安裝到加熱爐內(nèi)。按照ANSI/UL1709標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫：即5min內(nèi)，爐內(nèi)平均溫度為2000F±100F(1093℃±56℃)，之后整個(gè)試驗(yàn)過程保持在該溫度上。對(duì)不同的防火涂料、柔性防火氈進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試不同材料的防火時(shí)間(防火時(shí)間是指爐內(nèi)溫度達(dá)到1100℃之后，試件溫度達(dá)到300℃之前的時(shí)間)。采用熱電偶和熱電偶采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，試件表面的熱電偶溫度到達(dá)300℃時(shí)停止試驗(yàn)。

圖1 不同防火材料隔熱試驗(yàn)

2.1.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

在1100℃條件下，對(duì)不同防火材料的隔熱性能進(jìn)行了測(cè)試，薄型防火涂料和厚型防火涂料的測(cè)試結(jié)果分別如表1、表2所示，不同型號(hào)柔性防火氈的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表1 薄型防火涂料測(cè)試結(jié)果

表2 厚型防火涂料測(cè)試結(jié)果

表3 柔性防火氈防火材料測(cè)試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可知，在1100℃條件下，一定厚度范圍內(nèi)，防火涂料的防火時(shí)間與防火材料的厚度成線性關(guān)系。其中薄型防火涂料的防火時(shí)間最短，隔熱性能不能滿足試驗(yàn)要求。厚型防火涂料厚度大于一定值后，隔熱性能可滿足試驗(yàn)要求。柔性防火氈的防火時(shí)間與材料類型相關(guān)，受材料成分、工藝和厚度影響較大，部分類型柔性防火氈隔熱性能可滿足試驗(yàn)要求。

由于拉索的外觀為圓形或多邊形，且拉索外部材料為HDPE，從適用性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，以及結(jié)合上述防火材料隔熱性能測(cè)試的基礎(chǔ)，最終選用包覆柔性氈狀隔熱材料方法，進(jìn)行1∶1實(shí)際尺寸模型的1100℃高溫防火隔熱試驗(yàn)及安裝工藝試驗(yàn)研究。

2.2 實(shí)際模型試驗(yàn)研究

2.2.1防火隔熱系統(tǒng)制作

以73孔的OVM250鋼絞線拉索為研究對(duì)象，對(duì)其防火隔熱系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

用鐵絲把73根表面無HDPE護(hù)套的Φ15.7-1860鋼絞線捆綁組成拉索。

在拉索表面不同位置均勻布置8個(gè)熱電偶，并用鐵絲把熱電偶與拉索相對(duì)固定。

把柔性防火氈纏包在鋼絞線拉索表面，柔性防火氈分兩層安裝，每層防火結(jié)構(gòu)由若干片柔性防火氈組成。

把上述組裝的拉索放入到一端封閉的鋼管內(nèi)，即完成拉索防火隔熱系統(tǒng)的試件制作。

2.2.2隔熱試驗(yàn)研究

根據(jù)PTI規(guī)范和埃及Rod EI Farag橋工程要求，設(shè)計(jì)如圖2所示試驗(yàn)方案。

圖2 拉索防火隔熱系統(tǒng)試驗(yàn)方案

將按圖組裝好的拉索防火隔熱系統(tǒng)安裝到高溫燃?xì)鉅t的爐膛上，并用防火棉封堵爐子兩端安裝孔與鋼管之間的縫隙。將拉索隔熱系統(tǒng)的熱電偶與熱電偶采集儀連接并調(diào)試。檢查燃?xì)鉅t各閥門和接頭的氣密性，確保無漏氣，同時(shí)檢查各氣表，確保運(yùn)行正常與安全。

點(diǎn)火升溫，待燃?xì)鉅t內(nèi)熱電偶平均溫度達(dá)到1100℃及以上，開始進(jìn)行保溫，持續(xù)不小于90min(本次試驗(yàn)保溫了95min)，觀察布置在拉索表面熱電偶的溫度變化，如圖3所示。達(dá)到保溫時(shí)間后，關(guān)閉燃?xì)鉅t及相關(guān)氣閥，切斷電源。

圖3 拉索防火系統(tǒng)測(cè)試中

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果和分析

從圖4可知：高溫燃?xì)鉅t在試驗(yàn)開始約5min，爐內(nèi)8個(gè)熱電偶溫度平均溫度升至1100℃，之后，試驗(yàn)保持爐溫在1100℃以上持續(xù)了95min。整個(gè)試驗(yàn)共進(jìn)行了100min，拉索表面鋼絞線的8個(gè)熱電偶的最高溫度為206.5℃。

圖4 防火隔熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

2.3 防火隔熱系統(tǒng)安裝工藝試驗(yàn)研究

OVM250鋼絞線拉索體系的安裝工藝比較成熟，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外多座橋梁工程中得到成功應(yīng)用。而OVM250鋼絞線拉索體系增加防火隔熱系統(tǒng)后還未見有實(shí)例，為了確保防火隔熱系統(tǒng)在拉索體系中能正常安裝和運(yùn)營(yíng)，需對(duì)其匹配性和可靠性進(jìn)行安裝工藝試驗(yàn)研究。

根據(jù)OVM250鋼絞線拉索體系和防火隔熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，試驗(yàn)包括：柔性防火氈的纏包安裝工藝；柔性防火氈與減振器、拉索耦合安裝；鋼管的連接過渡安裝；鋼管與柔性防火氈、拉索的匹配性安裝；防水罩與柔性防火氈、拉索的匹配性安裝。

在工廠內(nèi)，使用航吊進(jìn)行輔助吊裝，其余主要通過人工進(jìn)行安裝試驗(yàn)。通過反復(fù)試驗(yàn)，模擬實(shí)際工況安裝，充分驗(yàn)證了安裝的可行性和可靠性，如圖5所示。

圖5 拉索防火隔熱系統(tǒng)安裝工藝試驗(yàn)過程

3 拉索防火隔熱系統(tǒng)工程應(yīng)用

埃及Rod EI Farag橋工程(世界最寬梁面斜拉橋)是埃及政府重點(diǎn)工程，同時(shí)是中東地區(qū)的焦點(diǎn)項(xiàng)目之一。全橋共160根斜拉索，采用OVM250鋼絞線拉索體系。要求斜拉索在垂直橋面高度8m范圍內(nèi)具有防火隔熱性能：即拉索1100℃高溫環(huán)境下，持續(xù)90min過程中，鋼絞線表面溫度不超過300℃。2019年5月，拉索防火隔熱系統(tǒng)在埃及Rod EI Farag橋工程中完成安裝和應(yīng)用，如圖6所示。

圖6 拉索防火隔熱系統(tǒng)在埃及Rod EI Farag橋工程應(yīng)用

4 結(jié)論

完成了橋梁拉索防火材料的防火隔熱性能試驗(yàn)研究，從中選用經(jīng)濟(jì)性較好的防火材料構(gòu)成拉索防火隔熱系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)際模型試驗(yàn)研究，研究的拉索防火隔熱系統(tǒng)成功應(yīng)用在埃及Rod EI Farag橋工程中，從中得出如下結(jié)論：

(1)防火涂料和柔性防火氈是適用于橋梁拉索結(jié)構(gòu)的防火材料。防火材料在一定的厚度范圍內(nèi)，其防火時(shí)間與防火材料的厚度呈線性比例關(guān)系。

(2)由柔性防火氈和鋼管組成的拉索防火隔熱系統(tǒng)，進(jìn)行的實(shí)際模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)升溫過程滿足ANSI/UL1709標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)結(jié)果滿足埃及Rod EI Farag橋工程要求。

試驗(yàn)升溫曲線滿足：5min內(nèi)爐內(nèi)平均溫度升溫至1100℃，之后整個(gè)試驗(yàn)過程保持在1100℃以上。

拉索防火隔熱系統(tǒng)滿足：拉索表面在1100℃以上的環(huán)境下，持續(xù)95min過程中，鋼絞線表面最高溫度為206.5℃，遠(yuǎn)高于PTI規(guī)范和埃及埃及Rod EI Farag橋工程的要求。

(3)拉索表面包覆柔性防火氈、外加鋼管防護(hù)的防火隔熱系統(tǒng)，滿足實(shí)際使用要求：柔性防火氈發(fā)揮了其自身高性能防火隔熱性能，鋼管能對(duì)柔性防火氈進(jìn)行防水保護(hù)和機(jī)械損傷防護(hù)。

(4)拉索防火隔熱系統(tǒng)經(jīng)過安裝工藝試驗(yàn)研究，及其在埃及REF斜拉橋工程中大批量成功安裝使用，充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)在橋梁拉索的適用性和可靠性，值得在工程中推廣應(yīng)用。