桥梁拉索防火隔热系统的试验研究及应用

庞锐剑，雷 欢，韦耀淋，覃 磊，朱永权，石 伟

(柳州欧维姆机械股份有限公司 柳州市 545006)

1 概述

1.1 火灾对桥梁拉索影响

桥梁作为主要交通线的枢纽，在军事交通和国民经济中具有至关重要的地位和作用。随着交通量的日益增加和复杂化，桥梁发生火灾的概率极大上升，每年因火灾造成垮塌的桥梁是地震造成的2.7倍[1]。2008年12月，鹤洞大桥西塔南侧边跨和中跨拉索上的彩灯起火，导致十多根拉索发生起火，拉索彩灯装饰烧毁严重。2011年8月，一辆装载24t汽油的油罐车，在210国道K314+836的榆林市榆阳区草沟大桥与另一辆拉煤货车发生追尾，油罐罐体严重破坏，汽油大量泄漏，并引发大火[2]。2018年3月20日，一辆载有大量蚊香、灭蚊剂等物品的货车在鄂黄长江公路大桥突发大火，造成7根拉索不同程度受损，需要更换其中部分受损拉索，除造成直接的经济损失外，还给桥梁的正常运营带来较大影响。因此，火灾引起的桥梁结构安全问题日渐受到关注。

在缆索类桥梁中，拉索是桥梁主要受力构件，而拉索主要受力件由钢丝或钢绞线等钢构件组成。钢材导热系数大，火灾下钢结构升温快，钢材强度随温度升高而迅速降低。当钢构件的温度分别达到 350℃、500℃和 600℃时，其强度分别下降 1/3、1/2 和2/3。无防护条件下，一般15～20min左右就会因其承载力不足而破坏。一般火灾的温度通常会达到 800～1000℃，短时间内很快达到极限状态进而造成钢构件破坏[3-7]。

1.2 防火隔热要求

目前越来越多桥梁工程提出拉索应具备防火功能的要求，国际规范PTI DC45.1-12对桥梁拉索的防火隔热性能提出规定：拉索外部在1100℃条件下，持续时间不小于30min过程中，拉索钢绞线表面温度不超过300℃。而研究依托的埃及Rod EI Farag桥工程，提出了更高的防火隔热性能要求：拉索外部在1100℃条件下，持续时间不小于90min过程中，拉索钢绞线表面温度不超过300℃。

1.3 防火隔热措施

钢结构防火隔热措施主要有屏蔽法、浇注混凝土或砌筑耐火砖、包覆耐火轻质板材、涂抹防火涂料、包覆柔性毡状隔热材料、复合防火保护[8]。本文根据拉索的结构特性(内部为钢材、外部为HDPE材料)，采用涂抹防火涂料[9]、包覆柔性毡状隔热材料方法对拉索防火隔热系统进行试验研究。

2 拉索防火隔热系统试验研究

为提高研究效率，先对拉索防火隔热系统进行小模型试验研究，从中选取合适的防火隔热材料、防火结构和试验方案，再进行实际模型试验研究。并对防火隔热系统进行实际模型安装工艺试验研究。

2.1 小模型试验研究

2.1.1防火隔热材料分析

(1)防火涂料

钢结构防火涂料分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料。膨胀型防火涂料(薄型防火涂料)涂层厚度不小于1.5mm，遇火后能发泡膨胀形成保护层。非膨胀型防火涂料(厚型防火涂料)涂层厚度不小于7mm，遇火不膨胀，依靠材料自身耐火隔热性能发挥防护作用。防火涂料施工简单，简单和复杂的钢结构均可适用，但是成本偏高。

由于桥梁拉索的工况为室外环境，应考虑选用具有良好耐候性的室外防火涂料，同时应选用满足耐高温1100℃以上的防火涂料。

(2)柔性毡状隔热材料

柔性毡状隔热材料(柔性防火毡)为无机材料，依靠材料本身的不燃性和超低的导热系数，延缓热量传递速度而发挥其防护作用。柔性毡状隔热材料，具有材料化学稳定性及热稳定性好的特点。具有较好的柔韧性和经济性，适宜应用在外形为柱状或规则的结构上。

桥梁拉索应用在室外环境，工作时为倾斜或竖直状态。选用柔性毡状隔热材料应考虑对其进行防水保护和机械损伤保护，及其自重对安装的影响。

2.1.2试验研究

根据不同防火材料，制作好相应结构的防火试件(如图1所示)，并把试件安装到加热炉内。按照ANSI/UL1709标准升温曲线进行升温：即5min内，炉内平均温度为2000F±100F(1093℃±56℃)，之后整个试验过程保持在该温度上。对不同的防火涂料、柔性防火毡进行试验，测试不同材料的防火时间(防火时间是指炉内温度达到1100℃之后，试件温度达到300℃之前的时间)。采用热电偶和热电偶采集仪进行数据采集和记录，试件表面的热电偶温度到达300℃时停止试验。

图1 不同防火材料隔热试验

2.1.3试验结果与分析

在1100℃条件下，对不同防火材料的隔热性能进行了测试，薄型防火涂料和厚型防火涂料的测试结果分别如表1、表2所示，不同型号柔性防火毡的测试结果如表3所示。

表1 薄型防火涂料测试结果

表2 厚型防火涂料测试结果

表3 柔性防火毡防火材料测试结果

从试验结果可知，在1100℃条件下，一定厚度范围内，防火涂料的防火时间与防火材料的厚度成线性关系。其中薄型防火涂料的防火时间最短，隔热性能不能满足试验要求。厚型防火涂料厚度大于一定值后，隔热性能可满足试验要求。柔性防火毡的防火时间与材料类型相关，受材料成分、工艺和厚度影响较大，部分类型柔性防火毡隔热性能可满足试验要求。

由于拉索的外观为圆形或多边形，且拉索外部材料为HDPE，从适用性、美观性、经济性综合考虑，以及结合上述防火材料隔热性能测试的基础，最终选用包覆柔性毡状隔热材料方法，进行1∶1实际尺寸模型的1100℃高温防火隔热试验及安装工艺试验研究。

2.2 实际模型试验研究

2.2.1防火隔热系统制作

以73孔的OVM250钢绞线拉索为研究对象，对其防火隔热系统进行试验研究。

用铁丝把73根表面无HDPE护套的Φ15.7-1860钢绞线捆绑组成拉索。

在拉索表面不同位置均匀布置8个热电偶，并用铁丝把热电偶与拉索相对固定。

把柔性防火毡缠包在钢绞线拉索表面，柔性防火毡分两层安装，每层防火结构由若干片柔性防火毡组成。

把上述组装的拉索放入到一端封闭的钢管内，即完成拉索防火隔热系统的试件制作。

2.2.2隔热试验研究

根据PTI规范和埃及Rod EI Farag桥工程要求，设计如图2所示试验方案。

图2 拉索防火隔热系统试验方案

将按图组装好的拉索防火隔热系统安装到高温燃气炉的炉膛上，并用防火棉封堵炉子两端安装孔与钢管之间的缝隙。将拉索隔热系统的热电偶与热电偶采集仪连接并调试。检查燃气炉各阀门和接头的气密性，确保无漏气，同时检查各气表，确保运行正常与安全。

点火升温，待燃气炉内热电偶平均温度达到1100℃及以上，开始进行保温，持续不小于90min(本次试验保温了95min)，观察布置在拉索表面热电偶的温度变化，如图3所示。达到保温时间后，关闭燃气炉及相关气阀，切断电源。

图3 拉索防火系统测试中

2.2.3试验结果和分析

从图4可知：高温燃气炉在试验开始约5min，炉内8个热电偶温度平均温度升至1100℃，之后，试验保持炉温在1100℃以上持续了95min。整个试验共进行了100min，拉索表面钢绞线的8个热电偶的最高温度为206.5℃。

图4 防火隔热试验数据记录

2.3 防火隔热系统安装工艺试验研究

OVM250钢绞线拉索体系的安装工艺比较成熟，已经在国内外多座桥梁工程中得到成功应用。而OVM250钢绞线拉索体系增加防火隔热系统后还未见有实例，为了确保防火隔热系统在拉索体系中能正常安装和运营，需对其匹配性和可靠性进行安装工艺试验研究。

根据OVM250钢绞线拉索体系和防火隔热系统的结构特点，试验包括：柔性防火毡的缠包安装工艺；柔性防火毡与减振器、拉索耦合安装；钢管的连接过渡安装；钢管与柔性防火毡、拉索的匹配性安装；防水罩与柔性防火毡、拉索的匹配性安装。

在工厂内，使用航吊进行辅助吊装，其余主要通过人工进行安装试验。通过反复试验，模拟实际工况安装，充分验证了安装的可行性和可靠性，如图5所示。

图5 拉索防火隔热系统安装工艺试验过程

3 拉索防火隔热系统工程应用

埃及Rod EI Farag桥工程(世界最宽梁面斜拉桥)是埃及政府重点工程，同时是中东地区的焦点项目之一。全桥共160根斜拉索，采用OVM250钢绞线拉索体系。要求斜拉索在垂直桥面高度8m范围内具有防火隔热性能：即拉索1100℃高温环境下，持续90min过程中，钢绞线表面温度不超过300℃。2019年5月，拉索防火隔热系统在埃及Rod EI Farag桥工程中完成安装和应用，如图6所示。

图6 拉索防火隔热系统在埃及Rod EI Farag桥工程应用

4 结论

完成了桥梁拉索防火材料的防火隔热性能试验研究，从中选用经济性较好的防火材料构成拉索防火隔热系统，并进行了实际模型试验研究，研究的拉索防火隔热系统成功应用在埃及Rod EI Farag桥工程中，从中得出如下结论：

(1)防火涂料和柔性防火毡是适用于桥梁拉索结构的防火材料。防火材料在一定的厚度范围内，其防火时间与防火材料的厚度呈线性比例关系。

(2)由柔性防火毡和钢管组成的拉索防火隔热系统，进行的实际模型试验研究，试验升温过程满足ANSI/UL1709标准要求，试验结果满足埃及Rod EI Farag桥工程要求。

试验升温曲线满足：5min内炉内平均温度升温至1100℃，之后整个试验过程保持在1100℃以上。

拉索防火隔热系统满足：拉索表面在1100℃以上的环境下，持续95min过程中，钢绞线表面最高温度为206.5℃，远高于PTI规范和埃及埃及Rod EI Farag桥工程的要求。

(3)拉索表面包覆柔性防火毡、外加钢管防护的防火隔热系统，满足实际使用要求：柔性防火毡发挥了其自身高性能防火隔热性能，钢管能对柔性防火毡进行防水保护和机械损伤防护。

(4)拉索防火隔热系统经过安装工艺试验研究，及其在埃及REF斜拉桥工程中大批量成功安装使用，充分验证了该系统在桥梁拉索的适用性和可靠性，值得在工程中推广应用。