如何保障缆索可靠运行——解析首部桥梁承重缆索抗火密封的防护技术规程

现行规范中，对于桥梁缆索防护结构的振动使用工况和火损致灾等问题考虑较少。在实际运营中，作为保护桥梁承重缆索耐久使用和安全使用的关键结构，缆索防护层出现早期开裂导致防腐失效的普遍问题以及受火灾威胁影响使用安全的难题。为确保桥梁缆索长期性能和使用的可靠性，必须在“建养管用”实践和调查研究基础上加以思考，并对防护结构进行功能重构、性能提升和材料、工艺的更新。

针对2008年建成的大跨度悬索桥以及斜拉桥运行10年的观测，思考并反思缆索桥梁及其生命线的长期安全使用问题，从2019年开始，组建研究团队针对维养及使用过程中存在或出现的影响承重缆索耐久密封和抗火隔热一体化问题，从理论、方法、材料、结构等方面开展较为系统的研究和工程应用，并立项、编制、出版了《桥梁承重缆索抗火密封综合防护技术规程》（T/CCTAS61-2023）， 首次为国内外桥梁缆索系统的安全运行与保护提供工程样板和技术参照，如图1所示。

图1 首座采用抗火密封综合防护技术的工程样板

缆索桥梁发展趋势和运行风险

据统计，中国已建成公路桥梁超过91万座，其中，特大桥梁超过6400座，跨度大于400m的缆索桥梁超过450座。从1995年第一座现代悬索桥建成始，在不到30年的时间里，我国建造了一大批桥梁“超级工程”，桥梁建设成就彰显了中国基建水平与实力，成为展示我国新材料、新技术、新装备力量和综合国力的标志。

缆索桥梁发展趋势

随着经济技术的发展进步和交通线路资源的限制，大跨缆索桥梁成为江海河谷交通跨越的主要结构选择。大跨缆索桥梁运行涉及重大公共安全、国防战略安全和经济民生安全，随着服役时间的增长和材料性能老化与结构功能退化，涉及桥梁可靠运行的结构长期性能及安全使用问题将日益突出。防护体系作为保护缆索结构耐久使用和安全使用的最后关键环节，是确保缆索桥梁可靠运行的关键。

造成重大人员伤亡的印度莫尔比悬索桥

台湾南方澳大桥坍塌

图2 缆索结构防腐失效导致钢丝锈蚀断裂

缆索运行风险问题和解决方法

1．主体材料防腐与耐用性。缆索体系中悬索桥主缆的外层防护结构主要采用常温固化聚硫密封胶涂层防护或热固化缠包带防护两大类。两种防护方案由于材料抗拉伸强度低或接缝密封效果较差，在长期振动的使用条件下，缆索外层防护结构容易出现早期开裂，密封防护结构失效造成缆索钢丝较快产生锈蚀的情况。而拉吊索采用高强聚酯纤维带加双层高密度聚乙烯（HDPE）或PVC管防护结构，在通常情况下，缆索外层防护结构在服役超过10年以后会出现加速老化并导致局部开裂等现象（见图3）。因此，防护结构材料耐候性和使用功能性问题必须得以解决。

图3 缆索外层防护结构失效造成锚头积水和钢丝腐蚀

通过管理和技术手段创造可靠使用环境，可以有效解决上述难题。一是强化建设阶段的质量管控（如图4所示），高效率地应用好工程建设知识体系和经过验证的创新成果，克服并避免将建设期的质量问题遗留至运营期（见图5）。二是采用有效的监测手段和实施缆索外部安全可靠柔韧密封防护加抽湿或充填惰性气体等措施（见图6），确保缆索索体结构和锚固体区域不受外部有害环境腐蚀。

图4 缆索架设过程钢丝扭股和保护镀层的脱落

图5 工程建设知识体系

图6 悬索桥缆索内部温湿度测点布置

2．主体结构抗火与安全性。按照现行设计技术标准，在役桥梁缆索外层防护材料为非阻燃的易燃物，一旦桥梁出现交通事故、雷击、电缆电器短路、战争、人为破坏等情况，极容易造成缆索因火致灾的严重事故，如图7所示。基于火灾发生的偶发性和多样性，需要采取可靠的抗爆燃保护方法加以解决，即采用有效的管控手段和安全可靠的抗火防护技术措施，确保缆索索体结构和锚固体区域不受火灾事故影响，实现无灾变的目标。

图7 缆索桥梁火灾造成安全风险

缆索抗火密封综合防护技术

抗火密封综合防护技术是指在满足设计火场环境温度和燃烧时间(通常为1100℃/60min)，缆索防护体系和外部保护结构不燃烧、缆索结构内部钢丝表面温度不超过300℃的使用要求。同时满足设计寿命期防护体系整体抗内外气压差长期大于0.1MPa使用条件的成套技术及方法。

抗火密封综合防护技术采取安全可靠的防腐防火措施，应对缆索使用过程中不确定的外部环境和意外事故的损害。

原理与主要参数

此综合防护技术涉及燃烧时间、火场环境及钢丝表面的温度等下列参数：

1．1100℃火场环境温度。考虑油气和危险品运输火灾CH燃烧的当量、温度场。

2．60min燃烧持续时间。防护结构设计考虑不同车型火场温度、高度和火灾救援条件，进行火灾燃烧持续时间取值。

3．钢丝表面温度不高于300℃。根据不同温度钢材强度折减情况，悲观取值持荷载情况下钢丝强度不衰减。

4．密封结构长期耐压大于0.1MPa。考虑防护体系长期处于使用环境影响、缆索结构内外压力差及温度应力影响等动态工作特征。

高韧耐候防护结构

高韧的耐候防护结构一般包括以下几种类型：

1．外层密封防护结构。采用耐高温强度综合性能优秀的玄武岩纤维专业布作为结构增强材料，以单组份、耐高温纳米阻燃胶作为密封机体，根据保护物体形态的原则，选用现场自然固化工艺形成高强度、高柔韧、无接缝、耐高温的耐候型密封防护结构。

2．内层抗火防护结构。采用高韧抗火隔热合成纤维布，满足现场施工缠绕张拉的机械力学性能和长期振动使用的结构稳定性及1100℃火场环境温度。

3．高韧耐候防护典型结构，如图8、图9所示。

图8 新建桥梁主缆抗火密封综合防护典型图

图9 在役桥梁主缆抗火密封综合防护典型图

结构试验验证

1．抗火燃烧试验

通过在实体索表面开展高韧抗火密封综合防护体系的密闭或半密闭空间有氧燃烧试验，验证该密封防护结构应用于缆索的抗火性能。

试验采用《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》（GB/T 26784-2011）中碳氢（HC）升温曲线，根据实际情况选用标准密闭燃烧炉或半密闭燃烧炉进行试验，见图10。

a.密闭燃烧炉

b.半密闭燃烧炉

图10 缆索抗火燃烧试验

2．气密性抗压力试验

通过在带孔PVC管道表面实施密封防护结构，完成试件养护后进行充气加压试验，验证密封防护结构的密封性能，见图11。

图11 缆索气密性抗压力试验

加载气压不小于0.3MPa，持载共计30min，结合三次试验数据，通过判定，试验结果为合格。

关注应用工程质量

从存在问题和实际需求出发，根据病理特征分析开展应用技术研究、提出解决方法与试验验证方法，到工程应用和推广，展现了创新研发对于提升大跨缆索桥梁耐久使用和安全使用的实际意义。在此过程中，交通主管部门和桥梁建养主体单位的重视起到很好的促进作用，相关企业对新材料应用研究也提供大力支持。然而，在工程实践中，一些单位在选用抗火材料时依然忽视桥梁缆索振动使用工况，并对防护结构中抗火与密封材料层间兼容性问题缺乏考虑，此种现象需要引起各方关注。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2024年 第1期 总第25期

作者 / 张少锦

作者单位 / 扬州大学

编辑 / 陈晖

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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