大跨徑纜索承重體系橋梁防火設(shè)計(jì)探討

摘要 火災(zāi)作為新生災(zāi)害，正威脅著橋梁的安全及健康運(yùn)行，特別是大跨徑纜索承重體系橋梁，由于其纜索不可更換，火災(zāi)可造成橋梁結(jié)構(gòu)的永久損傷或重大安全隱患。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有規(guī)定明確的防火要求，橋梁防火的耐高溫設(shè)計(jì)指標(biāo)、設(shè)防高度及防火選材等均根據(jù)項(xiàng)目具體情況進(jìn)行選用，并參照國(guó)外相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。文章通過(guò)對(duì)大跨徑纜索承重體系橋梁防火設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，并總結(jié)國(guó)內(nèi)部分橋梁防火案例，以期為同類(lèi)型項(xiàng)目提供參考經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 大跨徑纜索承重橋梁；防火設(shè)計(jì)；防火選材；國(guó)內(nèi)案例

中圖分類(lèi)號(hào) U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）17-0000-03

0 引言

2024年3月31日凌晨5點(diǎn)，一輛裝載百貨的貨車(chē)在G60滬昆高速北盤(pán)江大橋發(fā)生自燃，導(dǎo)致上行55#、56#吊桿PE護(hù)套大面積融化，54～56#吊桿間主纜涂層大面積燒毀，造成橋面鋼護(hù)欄高溫變形、橋面板熏黑等。該文以G60滬昆高速北盤(pán)江大橋?yàn)槔?，?duì)大跨徑纜索承重體系橋梁的火災(zāi)原因、防火設(shè)計(jì)方案、防火選材及國(guó)內(nèi)相關(guān)案例進(jìn)行探討。

1 火災(zāi)原因

引發(fā)橋梁火災(zāi)原因多種多樣，如車(chē)輛交通事故、車(chē)輛自燃事故、電路電器短路、雷電、易燃易爆物、施工用電用火、人為燃燒等[1]。

2 防火設(shè)計(jì)指標(biāo)

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)大跨徑纜索承重體系橋梁進(jìn)行明確的防火和耐高溫指標(biāo)要求，在實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)中缺乏專(zhuān)門(mén)抗火設(shè)計(jì)。按常規(guī)消防進(jìn)行設(shè)計(jì)、配備常規(guī)消防救援設(shè)備，一旦橋梁火災(zāi)發(fā)生，橋上交通擁堵，消防人員將難以展開(kāi)及時(shí)救援，必將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)遭受重大損失。因此，橋梁防火需橋梁本身具備一定的抗火韌性。

車(chē)輛火災(zāi)可劃分為小汽車(chē)、客車(chē)、貨車(chē)、油罐車(chē)等四個(gè)類(lèi)型[2]。根據(jù)橋梁運(yùn)營(yíng)期通行車(chē)輛的分布情況及流量等，確定一個(gè)或多個(gè)類(lèi)型的車(chē)輛火災(zāi)作為設(shè)計(jì)車(chē)輛火災(zāi)，表1為國(guó)內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目的研究成果：

根據(jù)研究成果，將貨車(chē)火災(zāi)作為該橋的設(shè)計(jì)車(chē)輛火災(zāi)，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間取值為60 min。

火場(chǎng)溫度通過(guò)典型火災(zāi)場(chǎng)景的瞬態(tài)數(shù)值分析方法進(jìn)行計(jì)算，表2為國(guó)內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目的研究成果：

根據(jù)研究成果，當(dāng)纜索截面溫度小于破壞時(shí)的溫度時(shí)，可以獲得纜索的火災(zāi)防護(hù)高度為距離橋面12 m[3]。

對(duì)于纜索的耐高溫設(shè)計(jì)指標(biāo)，國(guó)內(nèi)部分橋梁均參照美國(guó)后張法研究所（PTI）發(fā)布的《PTI DC45.1-18，Recommendations for Stay Cable Design， Testing， and Installation》中的規(guī)定：1 100℃環(huán)境下，若纜索內(nèi)鋼絲溫度不超過(guò)300℃可持續(xù)90 min。該規(guī)范認(rèn)為溫度場(chǎng)不超過(guò)300℃時(shí)，鋼絲不會(huì)發(fā)生損傷。

我國(guó)現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)纜索防火沒(méi)有具體要求，在參考以上防火指標(biāo)的同時(shí)，結(jié)合主纜、吊索、斜拉索等纜索構(gòu)件的使用場(chǎng)景要求，考慮后續(xù)防火設(shè)計(jì)的合規(guī)性，提出該橋防火設(shè)計(jì)的量化設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：

（1）在600～1 100℃環(huán)境下，無(wú)應(yīng)力索體鋼絲表面在60 min內(nèi)升溫不超過(guò)300℃。

（2）錨具達(dá)到300℃及在45%Pb（Pb為拉索極限抗拉強(qiáng)度）應(yīng)力狀態(tài)下持荷60 min以上。

3 防火設(shè)計(jì)方案

該橋防火設(shè)計(jì)方案總體思路：（1）在纜索原界面增加隔離層+氣凝膠氈+陶瓷纖維布+外防護(hù)層。（2）在纜索原界面纏包耐高溫防護(hù)包帶。（3）在纜索原界面纏包增強(qiáng)型高硅氧纖維復(fù)合氣凝膠氈+纖維布+阻燃密封膠。

為提升纜索抗火防護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，該橋設(shè)置兩級(jí)抗火防護(hù)段，設(shè)置高度分別為h≤12 m及12 m≤h≤18 m。設(shè)置高度h≤12 m范圍內(nèi)的纜索時(shí)，對(duì)應(yīng)火場(chǎng)溫度在600～1 100℃之間，該區(qū)域設(shè)置為抗火密封防護(hù)段，采用高韌抗火密封防護(hù)設(shè)計(jì)；當(dāng)設(shè)置高度12 m≤h≤18 m范圍內(nèi)的纜索時(shí)，對(duì)應(yīng)火場(chǎng)溫度在600℃以下，該區(qū)域設(shè)置為阻燃密封防護(hù)段，采用高韌阻燃密封防護(hù)設(shè)計(jì)；而對(duì)于高度h>18 m范圍內(nèi)的纜索，對(duì)應(yīng)火場(chǎng)溫度在300℃以下，可不進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。

纜索高韌抗火密封防護(hù)設(shè)計(jì)方案擬在纜索原界面之上施加以下方案之一，圖1為其防護(hù)設(shè)計(jì)方案圖：

（1）隔離層+8 mm氣凝膠氈+2 mm陶瓷纖維布+外防護(hù)層。

（2）3.5 mm玄武巖纖維抗火隔熱帶+4 mm纖維阻燃密封膠帶。

（3）3.5 mm玄武巖纖維抗火隔熱帶+2 mm纖維阻燃密封膠帶+1層耐高溫型密封纏包帶。

（4）耐高溫防護(hù)包帶（厚度為單邊10～12 mm）。

（5）高硅氧復(fù)合氣凝膠纏包帶。

纜索高韌阻燃密封防護(hù)設(shè)計(jì)方案擬在纜索原界面之上施加以下方案之一，圖2為其防護(hù)設(shè)計(jì)方案圖：

（1）隔離層+4 mm氣凝膠氈+2 mm陶瓷纖維布+外防護(hù)層。

（2）4 mm纖維阻燃密封膠帶。

（3）2 mm纖維阻燃密封膠帶+1層耐高溫型密封纏包帶。

4 防火選材

橋梁纜索防火材料需要兼顧耐火與隔熱兩大功能要求，同時(shí)為滿(mǎn)足纜索的包裹施工需要，材料還需具有一定的柔韌性。此外，作為一種橋梁半永久性的防護(hù)措施，橋梁纜索防火體系還需考慮耐環(huán)境老化的要求，如防紫外線(xiàn)老化、防水、防酸雨腐蝕，以及適應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)等。

經(jīng)調(diào)研和比選，具備纜索防火隔熱應(yīng)用潛力的材料主要為氈類(lèi)防火材料，如玄武巖纖維針刺氈、陶瓷纖維針刺氈及氣凝膠絕熱氈。而氈類(lèi)產(chǎn)品根據(jù)力學(xué)強(qiáng)度、耐溫等級(jí)、導(dǎo)熱系數(shù)等性能參數(shù)的不同，還需進(jìn)一步進(jìn)行區(qū)分，表3為各種主要防火材料的優(yōu)缺點(diǎn)：

對(duì)于氣凝膠絕熱氈，現(xiàn)已研究出高硅氧復(fù)合氣凝膠絕熱氈，材料性能優(yōu)越，已在南沙大橋上進(jìn)行了應(yīng)用，效果較好。

5 國(guó)內(nèi)案例

5.1 案例一：濤源金沙江大橋

主跨636 m的單跨鋼箱懸索橋，204根吊索距離橋面高度8 m以下范圍進(jìn)行了體外耐高溫防護(hù)，防護(hù)方案（圖3所示）：吊索外纏繞耐高溫纏包帶，并在最外層焊接不銹鋼管防護(hù)。主纜采用一體化耐高溫防護(hù)，防護(hù)方案（圖3所示）：在氯磺化聚乙烯纏包帶內(nèi)纏繞耐高溫纏包帶。耐高溫技術(shù)指標(biāo)[參照PTI（Post-Tensioning Institute）規(guī)范]如下：

（1）在1 100℃環(huán)境下，無(wú)應(yīng)力索體表面在30 min內(nèi)升溫不超過(guò)300℃。

（2）拉索錨具在300℃環(huán)境及45%Pb應(yīng)力狀態(tài)下持荷30 min以上。

5.2 案例二：洪奇門(mén)大橋

主跨520 m雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，全橋共128根拉索距離橋面12 m以下垂直高度范圍內(nèi)進(jìn)行耐高溫防護(hù)，防護(hù)方案（圖4所示）：在繞包帶和黑色HDPE之間增加玄武巖復(fù)合纖維耐火隔熱帶，錨固料采用耐高溫錨固料。

耐高溫技術(shù)指標(biāo)[參照PTI（Post-Tensioning Institute）規(guī)范]如下：

（1）在1 100℃環(huán)境下，索體表面鋼絲在60 min內(nèi)升溫不超過(guò)300℃。

（2）當(dāng)錨具溫度達(dá)到300℃，并在45%Pb應(yīng)力下持荷30 min以上。

5.3 案例三：黃埔大橋

主纜、吊索及斜拉橋的斜拉索防護(hù)高度為12～15 m，采用后防護(hù)施工，防護(hù)方案（圖5所示）：密封帶+防火帶（玄武巖纖維基材料）+阻燃密封膠。

5.4 案例四：南沙大橋

主纜、吊索采用高硅氧復(fù)合氣凝膠纏包進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)方案（圖6所示）：雙層耐高溫氣凝膠（5 mm+5 mm）+3膠2布，保證鋼絲溫度突破300℃的時(shí)間大于90 min。

6 結(jié)語(yǔ)

由于國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)缺乏橋梁防火要求，部分橋梁防火設(shè)計(jì)均參照美國(guó)后張法研究所（PTI）發(fā)布的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。近年來(lái)，橋梁結(jié)構(gòu)安全已納入國(guó)家安全戰(zhàn)略要求，因此行業(yè)內(nèi)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有必要增加關(guān)于橋梁防火方面的要求及指標(biāo)，以便國(guó)內(nèi)橋梁在設(shè)計(jì)階段納入防火設(shè)計(jì)內(nèi)容。根據(jù)目前部分橋梁防火案例，橋梁纜索的防火方案、防火選材除需兼顧耐火與隔熱兩大基本功能要求外，還需考慮施工期的可實(shí)施性。

參考文獻(xiàn)

[1]陳柔均.隧道內(nèi)雙火源火焰形態(tài)特性及頂棚溫度規(guī)律的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2021.

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[3]王瑩，劉沐宇.大跨徑懸索橋纜索抗火模擬方法[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（6）：2091-2099.