大跨徑纜索承重體系橋梁防火設計探討

摘要 火災作為新生災害，正威脅著橋梁的安全及健康運行，特別是大跨徑纜索承重體系橋梁，由于其纜索不可更換，火災可造成橋梁結構的永久損傷或重大安全隱患。目前國內相關行業規范標準沒有規定明確的防火要求，橋梁防火的耐高溫設計指標、設防高度及防火選材等均根據項目具體情況進行選用，并參照國外相關規范標準執行。文章通過對大跨徑纜索承重體系橋梁防火設計進行闡述，并總結國內部分橋梁防火案例，以期為同類型項目提供參考經驗。

關鍵詞 大跨徑纜索承重橋梁；防火設計；防火選材；國內案例

中圖分類號 U442 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0000-03

0 引言

2024年3月31日凌晨5點，一輛裝載百貨的貨車在G60滬昆高速北盤江大橋發生自燃，導致上行55#、56#吊桿PE護套大面積融化，54～56#吊桿間主纜涂層大面積燒毀，造成橋面鋼護欄高溫變形、橋面板熏黑等。該文以G60滬昆高速北盤江大橋為例，對大跨徑纜索承重體系橋梁的火災原因、防火設計方案、防火選材及國內相關案例進行探討。

1 火災原因

引發橋梁火災原因多種多樣，如車輛交通事故、車輛自燃事故、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 防火設計指標

目前，國內相關行業規范標準未對大跨徑纜索承重體系橋梁進行明確的防火和耐高溫指標要求，在實際橋梁設計中缺乏專門抗火設計。按常規消防進行設計、配備常規消防救援設備，一旦橋梁火災發生，橋上交通擁堵，消防人員將難以展開及時救援，必將導致橋梁結構遭受重大損失。因此，橋梁防火需橋梁本身具備一定的抗火韌性。

車輛火災可劃分為小汽車、客車、貨車、油罐車等四個類型[2]。根據橋梁運營期通行車輛的分布情況及流量等，確定一個或多個類型的車輛火災作為設計車輛火災，表1為國內相關項目的研究成果：

根據研究成果，將貨車火災作為該橋的設計車輛火災，火災持續時間取值為60 min。

火場溫度通過典型火災場景的瞬態數值分析方法進行計算，表2為國內相關項目的研究成果：

根據研究成果，當纜索截面溫度小于破壞時的溫度時，可以獲得纜索的火災防護高度為距離橋面12 m[3]。

對于纜索的耐高溫設計指標，國內部分橋梁均參照美國后張法研究所（PTI）發布的《PTI DC45.1-18，Recommendations for Stay Cable Design， Testing， and Installation》中的規定：1 100℃環境下，若纜索內鋼絲溫度不超過300℃可持續90 min。該規范認為溫度場不超過300℃時，鋼絲不會發生損傷。

我國現行技術標準對纜索防火沒有具體要求，在參考以上防火指標的同時，結合主纜、吊索、斜拉索等纜索構件的使用場景要求，考慮后續防火設計的合規性，提出該橋防火設計的量化設防標準：

（1）在600～1 100℃環境下，無應力索體鋼絲表面在60 min內升溫不超過300℃。

（2）錨具達到300℃及在45%Pb（Pb為拉索極限抗拉強度）應力狀態下持荷60 min以上。

3 防火設計方案

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

為提升纜索抗火防護的經濟性，該橋設置兩級抗火防護段，設置高度分別為h≤12 m及12 m≤h≤18 m。設置高度h≤12 m范圍內的纜索時，對應火場溫度在600～1 100℃之間，該區域設置為抗火密封防護段，采用高韌抗火密封防護設計；當設置高度12 m≤h≤18 m范圍內的纜索時，對應火場溫度在600℃以下，該區域設置為阻燃密封防護段，采用高韌阻燃密封防護設計；而對于高度h>18 m范圍內的纜索，對應火場溫度在300℃以下，可不進行防火設計。

纜索高韌抗火密封防護設計方案擬在纜索原界面之上施加以下方案之一，圖1為其防護設計方案圖：

（1）隔離層+8 mm氣凝膠氈+2 mm陶瓷纖維布+外防護層。

（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）耐高溫防護包帶（厚度為單邊10～12 mm）。

（5）高硅氧復合氣凝膠纏包帶。

纜索高韌阻燃密封防護設計方案擬在纜索原界面之上施加以下方案之一，圖2為其防護設計方案圖：

（1）隔離層+4 mm氣凝膠氈+2 mm陶瓷纖維布+外防護層。

（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，同時為滿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措施，橋梁纜索防火體系還需考慮耐環境老化的要求，如防紫外線老化、防水、防酸雨腐蝕，以及適應橋梁結構振動等。

經調研和比選，具備纜索防火隔熱應用潛力的材料主要為氈類防火材料，如玄武巖纖維針刺氈、陶瓷纖維針刺氈及氣凝膠絕熱氈。而氈類產品根據力學強度、耐溫等級、導熱系數等性能參數的不同，還需進一步進行區分，表3為各種主要防火材料的優缺點：

對于氣凝膠絕熱氈，現已研究出高硅氧復合氣凝膠絕熱氈，材料性能優越，已在南沙大橋上進行了應用，效果較好。

5 國內案例

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以下范圍進行了體外耐高溫防護，防護方案（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。主纜采用一體化耐高溫防護，防護方案（圖3所示）：在氯磺化聚乙烯纏包帶內纏繞耐高溫纏包帶。耐高溫技術指標[參照PTI（Post-Tensioning Institute）規范]如下：

（1）在1 100℃環境下，無應力索體表面在30 min內升溫不超過300℃。

（2）拉索錨具在300℃環境及45%Pb應力狀態下持荷30 min以上。

5.2 案例二：洪奇門大橋

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進行耐高溫防護，防護方案（圖4所示）：在繞包帶和黑色HDPE之間增加玄武巖復合纖維耐火隔熱帶，錨固料采用耐高溫錨固料。

耐高溫技術指標[參照PTI（Post-Tensioning Institute）規范]如下：

（1）在1 100℃環境下，索體表面鋼絲在60 min內升溫不超過300℃。

（2）當錨具溫度達到300℃，并在45%Pb應力下持荷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高度為12～15 m，采用后防護施工，防護方案（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、吊索采用高硅氧復合氣凝膠纏包進行防護，防護方案（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℃的時間大于90 min。

6 結語

由于國內相關行業規范標準缺乏橋梁防火要求，部分橋梁防火設計均參照美國后張法研究所（PTI）發布的相關規定執行。近年來，橋梁結構安全已納入國家安全戰略要求，因此行業內相關規范標準有必要增加關于橋梁防火方面的要求及指標，以便國內橋梁在設計階段納入防火設計內容。根據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施性。

參考文獻

[1]陳柔均.隧道內雙火源火焰形態特性及頂棚溫度規律的研究[D].成都：西南交通大學，2021.

[2]劉沐宇，李海洋，田偉.基于熵權模糊綜合評價的橋梁汽車燃燒風險分析[J].土木工程與管理學報，2014（2）：51-55+61.

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