缆索使用安全问题解决方案

笔者以解决缆索桥梁生命线使用安全问题为导向，针对缆索全生命周期均受到火灾威胁和缆索密封结构过早失效等突出问题，提出了缆索体系耐候密封防护抗腐蚀和耐火隔热保护抗灾变的技术方案。

2013年至2021年，针对桥梁承重缆索结构火损导致的使用安全突出问题，依照抗火密封综合防护的技术路线，笔者所在研究团队应用事故调研分析、数值模拟分析、模型和实体索燃烧试验验证等方法，成功研发了抗火阻燃密封关键材料产品，同时，形成了缆索防火防腐体系和技术标准，并在珠江黄埔大桥悬索桥、斜拉桥等工程中成功应用。

抗火阻燃密封关键材料和产品的研究突破

玄武岩纤维复合增强抗火带

行业内普遍认同，采用在缆索外部施加防护产品的方式，确保火灾发生后及实施有效救援之前，保证缆索结构完好安全，即保证缆索钢丝内部温度不超300摄氏度。分析以往经验和试验研究发现，用于缆索的防护保护产品必须符合以下特点，即可以在高温中使用并保持良好的隔热效果、满足施工时机械缠包和使用过程中抵抗缆索反复振动变形所必须的良好力学性能，因此，笔者所在研究团队通过材料适配性试验，最终选择了力学性能和热稳定性好、具有良好抗火隔热性能，并和不同材料具有良好结合性的玄武岩纤维作为基础性材料。

表3 FCFR抗火带技术指标

玄武岩纤维以天然玄武岩为原料，粉碎并经过1450摄氏度至1500摄氏度高温熔融后，通过特殊金属材料漏板拉丝而成。玄武岩纤维及其复合材料具有轻质绝缘、阻燃隔热、耐高温、抗腐蚀、抗辐射、力学性能好等优点。笔者所在研究团队通过多维度、多工况的原材料与实体模拟实验，验证并改进玄武岩纤维复合材料的耐火性能，以玄武岩纤维为基材，成功研发出契合缆索抗火防护特点的玄武岩纤维复合增强抗火带（Fiber composite fire resistance，以下简称“FCFR抗火带”），如表3所示。

FCFR抗火带是以玄武岩纤维为基础原材料，经特殊纺织、合成、热压等工艺加工制作而成的一种高性能复合纤维带状结构物，其内部呈多孔纤维状结构，具有优异的耐火、阻燃、隔热、防水功能和轻质、柔韧、满足机械拉伸性能等特点。通过对国内外各种耐高温材料的性能对比和试验比较，经过特殊材料合成和特别工艺制成的FCFR抗火带，是目前唯一通过综合验证并可满足缆索抗火结构设计综合性能要求的产品，如表4所示。

表4 国内外各种耐高温材料性能对比

表5 B-FRS密封带主要性能技术指标

玄武岩纤维增强阻燃密封胶带

笔者团队在充分吸收目前主流缆索防护体系经验基础上，以玄武岩复合纤维为基础材料，制作合成了强度高、抗裂性能及密封耐候性能优异，同时兼具耐火阻燃性能的纤维增强密封胶带（Basalt-Fiber reinforced seal，以下简称“B-FRS密封带”）。

B-FRS密封带是采用耐火阻燃纤维密封胶和玄武岩纤维增强专业布，采用多道黏缠一体式自然固化工艺形成的抗力学损伤、拉伸性能、阻燃性能良好和密封效果优秀的防护胶带。B-FRS密封带耐火温度可达到650摄氏度、拉伸强度大于1800牛/25毫米、气密承压性大于0.4兆帕，能够有效承受缆索长期振动和应力伸缩变形，并为主缆除湿系统设计提供强力保障，如表5所示。

耐火阻燃纤维密封胶是单组分材料，中性常温固化，具有防650摄氏度高温、无烟、阻燃（A3级防火、V-0级阻燃）性能。使用时，密封胶在室温下吸收空气中的水分，固化成弹性体，形成有效密封。此外，纤维密封胶还具有耐候性、耐高低温性、黏结性好的优点。

高韧阻燃密封技术设计剖面图

表6 高韧阻燃密封技术推荐设计标准

缆索高韧抗火密封技术体系设计图

抗火密封防护结构实索燃烧实验

玄武岩纤维复合专业布以玄武岩纤维精细纱为主要原材料，通过加捻、纺织、浸润等工艺和特别功能改进复合而成，具有永久的阻燃绝缘性能，在1100摄氏度的火焰作用下，不变形、不爆裂，使用中具有抗拉强度高、不燃性、阻燃无烟、耐高温、无有毒气体排出、绝热性好、无熔融或滴挂、无热收缩现象等优点。试验证明，玄武岩纤维复合专业布拉伸强度为每25毫米1000牛至1600牛，与纤维密封胶具备良好黏合能力，采用纤维复合专业布对纤维密封胶进行物理性加筋分格，在保障两种基础材料性能前提下可使B-FRS密封带抗力学变形、耐气体压力性能得到大幅度提升。

利用新技术方案解决缆索防火防腐问题

高韧阻燃密封技术

高韧阻燃密封技术是指利用B-FRS密封带的阻燃耐候和抗压密封性能,设计满足600摄氏度温度环境、防护结构不燃烧、钢丝表面温度不超300摄氏度要求和耐久密封使用的新型缆索阻燃密封防护结构。高韧阻燃密封技术适用于新建和在役桥梁各类型式缆索的防护设计，如表6所示，能够有效解决各类不利条件所造成的缆索防护结构早期开裂、老化破坏、带火燃烧和锚头防水等问题，与现有各种类型防护结构相比具有明显的优势。

高韧抗火密封技术

高韧抗火密封技术是指利用B-FRS密封带的抗压密封耐候性能和FCFR防火带耐火隔热抗拉伸功能，设计满足1100摄氏度火场环境、燃烧60分钟、缆索钢丝表面温度不超300摄氏度要求和耐久密封使用的新型缆索抗火密封防护结构。采用抗火密封防护结构实索模拟油气车燃烧，结果表明，燃烧60分钟后钢丝表面温度280摄氏度，拆除防护结构缆索钢丝未损伤。利用高韧抗火密封技术设计缆索抗火密封防护结构，能够有效解决桥梁缆索体系使用过程中各类火灾威胁问题。

高韧阻燃密封防护、高韧抗火密封防护与在役桥梁密封防护方案相比，除了特殊的阻燃隔热、耐高温性能和抗力学变形外，其综合经济指标等也具有明显优势，如表7所示。

缆索体系整体与分级防火防腐防护技术标准

通过大量文献分析，结合桥梁火灾事故和桥梁缆索有限元研究分析，以及桥梁缆索火灾模拟分析结果，笔者团队综合考虑缆索火损影响、等级概率、经济和社会成本等因素，在考虑火灾消防救援条件“30分钟响应到场、60分钟实施有效救援”和缆索密封长期处于抽湿或干空气输送压力差“长期不大于0.1兆帕、瞬间不大于0.3兆帕”条件下，确定桥梁缆索体系整体抗火标准，即主缆、斜拉索、吊索在各类车辆火灾影响区域防护范围内，缆索PE护套温度不超350摄氏度和钢丝表面温度不超300摄氏度；无PE护套吊索钢丝表面温度不超400摄氏度。

表7 高韧阻燃密封防护、高韧抗火密封防护与在役桥梁密封防护方案综合指标比较

考虑救援条件和整体抗火标准，计算不同火场形式对应不同温度场，确定防火技术方案，如表8所示。基本原则是600摄氏度以上温度场高度范围内采用高韧抗火密封防护结构；600摄氏度以下至300摄氏度温度场高度范围内采用高韧阻燃密封防护结构；300摄氏度以下温度场高度范围内一般不需要专门防火保护。

表8 不同火场对应温度场高度

根据高韧阻燃密封防护技术与高韧抗火密封防护技术的适应范围，以及不同类型缆索燃烧温度场要求，笔者团队提出了缆索防火防腐分级保护体系技术标准和不同火场缆索结构有效保护的设计方案，同时，确定承重缆索分级防火防腐保护体系技术标准，如表9所示（以200兆瓦油罐车烧为例）。

截至目前，缆索防火防腐防护技术体系已在广东、江苏等省缆索承重桥梁中应用。例如，按照缆索防火防腐分级保护体系技术标准和不同火场缆索结构有效保护的设计方案，计算设计了珠江黄埔大桥南汊悬索桥距桥面高度15米以下范围的主缆和12米以下的吊索实施高韧抗火密封防护技术，主缆和吊索余下范围实施高韧阻燃密封防护技术；珠江黄埔大桥北汊斜拉桥距桥面高度12米以下范围的斜拉索实施高韧抗火密封防护技术，12米至15米范围内斜拉索实施高韧阻燃密封防护技术等。

表9 承重缆索分级防火防腐保护体系技术标准（200兆瓦油罐车烧）