纜索使用安全問題解決方案

筆者以解決纜索橋梁生命線使用安全問題為導(dǎo)向，針對纜索全生命周期均受到火災(zāi)威脅和纜索密封結(jié)構(gòu)過早失效等突出問題，提出了纜索體系耐候密封防護抗腐蝕和耐火隔熱保護抗災(zāi)變的技術(shù)方案。

2013年至2021年，針對橋梁承重纜索結(jié)構(gòu)火損導(dǎo)致的使用安全突出問題，依照抗火密封綜合防護的技術(shù)路線，筆者所在研究團隊應(yīng)用事故調(diào)研分析、數(shù)值模擬分析、模型和實體索燃燒試驗驗證等方法，成功研發(fā)了抗火阻燃密封關(guān)鍵材料產(chǎn)品，同時，形成了纜索防火防腐體系和技術(shù)標準，并在珠江黃埔大橋懸索橋、斜拉橋等工程中成功應(yīng)用。

抗火阻燃密封關(guān)鍵材料和產(chǎn)品的研究突破

玄武巖纖維復(fù)合增強抗火帶

行業(yè)內(nèi)普遍認同，采用在纜索外部施加防護產(chǎn)品的方式，確保火災(zāi)發(fā)生后及實施有效救援之前，保證纜索結(jié)構(gòu)完好安全，即保證纜索鋼絲內(nèi)部溫度不超300攝氏度。分析以往經(jīng)驗和試驗研究發(fā)現(xiàn)，用于纜索的防護保護產(chǎn)品必須符合以下特點，即可以在高溫中使用并保持良好的隔熱效果、滿足施工時機械纏包和使用過程中抵抗纜索反復(fù)振動變形所必須的良好力學性能，因此，筆者所在研究團隊通過材料適配性試驗，最終選擇了力學性能和熱穩(wěn)定性好、具有良好抗火隔熱性能，并和不同材料具有良好結(jié)合性的玄武巖纖維作為基礎(chǔ)性材料。

表3 FCFR抗火帶技術(shù)指標

玄武巖纖維以天然玄武巖為原料，粉碎并經(jīng)過1450攝氏度至1500攝氏度高溫熔融后，通過特殊金屬材料漏板拉絲而成。玄武巖纖維及其復(fù)合材料具有輕質(zhì)絕緣、阻燃隔熱、耐高溫、抗腐蝕、抗輻射、力學性能好等優(yōu)點。筆者所在研究團隊通過多維度、多工況的原材料與實體模擬實驗，驗證并改進玄武巖纖維復(fù)合材料的耐火性能，以玄武巖纖維為基材，成功研發(fā)出契合纜索抗火防護特點的玄武巖纖維復(fù)合增強抗火帶（Fiber composite fire resistance，以下簡稱“FCFR抗火帶”），如表3所示。

FCFR抗火帶是以玄武巖纖維為基礎(chǔ)原材料，經(jīng)特殊紡織、合成、熱壓等工藝加工制作而成的一種高性能復(fù)合纖維帶狀結(jié)構(gòu)物，其內(nèi)部呈多孔纖維狀結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的耐火、阻燃、隔熱、防水功能和輕質(zhì)、柔韌、滿足機械拉伸性能等特點。通過對國內(nèi)外各種耐高溫材料的性能對比和試驗比較，經(jīng)過特殊材料合成和特別工藝制成的FCFR抗火帶，是目前唯一通過綜合驗證并可滿足纜索抗火結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合性能要求的產(chǎn)品，如表4所示。

表4 國內(nèi)外各種耐高溫材料性能對比

表5 B-FRS密封帶主要性能技術(shù)指標

玄武巖纖維增強阻燃密封膠帶

筆者團隊在充分吸收目前主流纜索防護體系經(jīng)驗基礎(chǔ)上，以玄武巖復(fù)合纖維為基礎(chǔ)材料，制作合成了強度高、抗裂性能及密封耐候性能優(yōu)異，同時兼具耐火阻燃性能的纖維增強密封膠帶（Basalt-Fiber reinforced seal，以下簡稱“B-FRS密封帶”）。

B-FRS密封帶是采用耐火阻燃纖維密封膠和玄武巖纖維增強專業(yè)布，采用多道黏纏一體式自然固化工藝形成的抗力學損傷、拉伸性能、阻燃性能良好和密封效果優(yōu)秀的防護膠帶。B-FRS密封帶耐火溫度可達到650攝氏度、拉伸強度大于1800牛/25毫米、氣密承壓性大于0.4兆帕，能夠有效承受纜索長期振動和應(yīng)力伸縮變形，并為主纜除濕系統(tǒng)設(shè)計提供強力保障，如表5所示。

耐火阻燃纖維密封膠是單組分材料，中性常溫固化，具有防650攝氏度高溫、無煙、阻燃（A3級防火、V-0級阻燃）性能。使用時，密封膠在室溫下吸收空氣中的水分，固化成彈性體，形成有效密封。此外，纖維密封膠還具有耐候性、耐高低溫性、黏結(jié)性好的優(yōu)點。

高韌阻燃密封技術(shù)設(shè)計剖面圖

表6 高韌阻燃密封技術(shù)推薦設(shè)計標準

纜索高韌抗火密封技術(shù)體系設(shè)計圖

抗火密封防護結(jié)構(gòu)實索燃燒實驗

玄武巖纖維復(fù)合專業(yè)布以玄武巖纖維精細紗為主要原材料，通過加捻、紡織、浸潤等工藝和特別功能改進復(fù)合而成，具有永久的阻燃絕緣性能，在1100攝氏度的火焰作用下，不變形、不爆裂，使用中具有抗拉強度高、不燃性、阻燃無煙、耐高溫、無有毒氣體排出、絕熱性好、無熔融或滴掛、無熱收縮現(xiàn)象等優(yōu)點。試驗證明，玄武巖纖維復(fù)合專業(yè)布拉伸強度為每25毫米1000牛至1600牛，與纖維密封膠具備良好黏合能力，采用纖維復(fù)合專業(yè)布對纖維密封膠進行物理性加筋分格，在保障兩種基礎(chǔ)材料性能前提下可使B-FRS密封帶抗力學變形、耐氣體壓力性能得到大幅度提升。

利用新技術(shù)方案解決纜索防火防腐問題

高韌阻燃密封技術(shù)

高韌阻燃密封技術(shù)是指利用B-FRS密封帶的阻燃耐候和抗壓密封性能,設(shè)計滿足600攝氏度溫度環(huán)境、防護結(jié)構(gòu)不燃燒、鋼絲表面溫度不超300攝氏度要求和耐久密封使用的新型纜索阻燃密封防護結(jié)構(gòu)。高韌阻燃密封技術(shù)適用于新建和在役橋梁各類型式纜索的防護設(shè)計，如表6所示，能夠有效解決各類不利條件所造成的纜索防護結(jié)構(gòu)早期開裂、老化破壞、帶火燃燒和錨頭防水等問題，與現(xiàn)有各種類型防護結(jié)構(gòu)相比具有明顯的優(yōu)勢。

高韌抗火密封技術(shù)

高韌抗火密封技術(shù)是指利用B-FRS密封帶的抗壓密封耐候性能和FCFR防火帶耐火隔熱抗拉伸功能，設(shè)計滿足1100攝氏度火場環(huán)境、燃燒60分鐘、纜索鋼絲表面溫度不超300攝氏度要求和耐久密封使用的新型纜索抗火密封防護結(jié)構(gòu)。采用抗火密封防護結(jié)構(gòu)實索模擬油氣車燃燒，結(jié)果表明，燃燒60分鐘后鋼絲表面溫度280攝氏度，拆除防護結(jié)構(gòu)纜索鋼絲未損傷。利用高韌抗火密封技術(shù)設(shè)計纜索抗火密封防護結(jié)構(gòu)，能夠有效解決橋梁纜索體系使用過程中各類火災(zāi)威脅問題。

高韌阻燃密封防護、高韌抗火密封防護與在役橋梁密封防護方案相比，除了特殊的阻燃隔熱、耐高溫性能和抗力學變形外，其綜合經(jīng)濟指標等也具有明顯優(yōu)勢，如表7所示。

纜索體系整體與分級防火防腐防護技術(shù)標準

通過大量文獻分析，結(jié)合橋梁火災(zāi)事故和橋梁纜索有限元研究分析，以及橋梁纜索火災(zāi)模擬分析結(jié)果，筆者團隊綜合考慮纜索火損影響、等級概率、經(jīng)濟和社會成本等因素，在考慮火災(zāi)消防救援條件“30分鐘響應(yīng)到場、60分鐘實施有效救援”和纜索密封長期處于抽濕或干空氣輸送壓力差“長期不大于0.1兆帕、瞬間不大于0.3兆帕”條件下，確定橋梁纜索體系整體抗火標準，即主纜、斜拉索、吊索在各類車輛火災(zāi)影響區(qū)域防護范圍內(nèi)，纜索PE護套溫度不超350攝氏度和鋼絲表面溫度不超300攝氏度；無PE護套吊索鋼絲表面溫度不超400攝氏度。

表7 高韌阻燃密封防護、高韌抗火密封防護與在役橋梁密封防護方案綜合指標比較

考慮救援條件和整體抗火標準，計算不同火場形式對應(yīng)不同溫度場，確定防火技術(shù)方案，如表8所示。基本原則是600攝氏度以上溫度場高度范圍內(nèi)采用高韌抗火密封防護結(jié)構(gòu)；600攝氏度以下至300攝氏度溫度場高度范圍內(nèi)采用高韌阻燃密封防護結(jié)構(gòu)；300攝氏度以下溫度場高度范圍內(nèi)一般不需要專門防火保護。

表8 不同火場對應(yīng)溫度場高度

根據(jù)高韌阻燃密封防護技術(shù)與高韌抗火密封防護技術(shù)的適應(yīng)范圍，以及不同類型纜索燃燒溫度場要求，筆者團隊提出了纜索防火防腐分級保護體系技術(shù)標準和不同火場纜索結(jié)構(gòu)有效保護的設(shè)計方案，同時，確定承重纜索分級防火防腐保護體系技術(shù)標準，如表9所示（以200兆瓦油罐車燒為例）。

截至目前，纜索防火防腐防護技術(shù)體系已在廣東、江蘇等省纜索承重橋梁中應(yīng)用。例如，按照纜索防火防腐分級保護體系技術(shù)標準和不同火場纜索結(jié)構(gòu)有效保護的設(shè)計方案，計算設(shè)計了珠江黃埔大橋南汊懸索橋距橋面高度15米以下范圍的主纜和12米以下的吊索實施高韌抗火密封防護技術(shù)，主纜和吊索余下范圍實施高韌阻燃密封防護技術(shù)；珠江黃埔大橋北汊斜拉橋距橋面高度12米以下范圍的斜拉索實施高韌抗火密封防護技術(shù)，12米至15米范圍內(nèi)斜拉索實施高韌阻燃密封防護技術(shù)等。

表9 承重纜索分級防火防腐保護體系技術(shù)標準（200兆瓦油罐車燒）