当桥梁缆索遭遇火灾——南沙大桥缆索火灾防护对策

随着车辆保有量和交通量逐年增加，因交通意外导致的缆索体系桥梁火灾事故时有发生。缆索作为缆索支承体系桥梁的重要受力构件，虽具有相对良好的力学性能和耐候性，但其组成材料中的高强钢丝、聚酯纤维带、PE护套、防腐涂层等的耐火性能较差，当桥面出现火灾事故（特别是油罐车火灾事故）时，极易出现PE护套燃烧，钢丝温度持续升高，防腐层脱落、钢丝性能退化等火灾损伤病害，给桥梁的安全营运造成严重威胁，见表1和图1。目前，行业内还未形成针对承重钢结构的防火设计相关规范，因此缆索等重要钢构件在火灾场景下如何设防还缺乏相应的指导标准。

（a）安徽某斜拉桥火灾

（b）湖北某斜拉桥火灾

（c）江苏某斜拉桥货车自燃斜拉索受损

（d）黑龙江某斜拉桥 斜拉索火灾受损

图 1缆索体系桥梁火灾损伤事故照片

南沙大桥位于粤港澳大湾区，是跨越珠江口连接广州市南沙区与东莞市沙田镇的重要通道，大桥全长12.89km，全线均为桥梁结构形式。其中，坭洲水道桥为主跨1688m的双塔悬索桥；南沙大桥为主跨1200m的双塔悬索桥，如图2所示。

图2 南沙大桥鸟瞰图

自2019年建成通车以来，南沙大桥日均交通流量已达到桥梁远期设计交通量，日均最高交通量达18万辆，每天通行的危险品运输车辆达3000多辆。桥梁运营以来，桥面已发生车辆火灾事故24起，对桥梁缆索正常使用造成严重威胁，亟需桥梁缆索的火灾防护技术，为大桥的安全营运保驾护航。

针对南沙大桥缆索火灾损伤破坏风险，在缆索火灾损伤机理与防护标准、缆索防护体系选择与耐火性能试验、新型防火吊索气动性能等方面开展了系列的技术攻关工作，建立了一套桥梁缆索火灾防护新技术，可有效降低或避免桥面火灾对缆索造成的破坏风险，项目所取得的技术成果对同类型桥梁缆索火灾防护具有重要的借鉴意义。

缆索构件火灾损伤程度与火源功率、燃烧历程及风场环境等密切相关。在各类桥梁火灾事件中，油罐车火灾产生热量集中，燃烧剧烈，温度峰值高，所造成桥梁损伤破坏更为严重的特点。借鉴法国规范CETU(2008)，研究油罐车火灾下缆索构件及空间温度场变化规律，揭示油罐车火灾下缆索构件损伤破坏机理。根据油罐车火灾的特点，基于Froude相似原理开展油罐车火灾下的等效油池燃烧试验与数值仿真（见图3），并对风速、水平间距、吊索类型、吊索尺寸等因素下缆索空间及构件温度场分布对比分析，验证火灾下缆索空间及构件温度场数值仿真参数设置的合理性，形成了火灾下缆索构件温度场数值分析方法。

（a）燃烧试验

（b）数值仿真

图3 油池燃烧试验及数值仿真

借鉴油池燃烧试验数值分析方法，根据缆索与车道之间的相对距离，考虑了风对火势的影响，建立了油罐车火灾下缆索构件温度场分析模型。重点对油罐车火灾在无风环境下，风速在3-4m/s和风速在6-7m/s缆索构件钢丝表面的温度场，随燃烧时间的变化规律进行了数值模拟。参考规范CETU，油罐车火灾的最大热释放速率曲线如下（见图4），拟设计油罐车稳定阶段持续燃烧1小时，火源的有效燃烧面积为7×12m，根据南沙大桥悬索桥加劲梁横断面布置，燃烧区域边缘距缆索1.3m，如图4所示。

火源功率

图4 南沙大桥缆索油罐车火灾模拟设置条件

根据边界条件模拟各个工况下的火焰，在横风作用下,火焰高度会被压低。但同时,风也使火焰产生偏移,使火焰高温区贴近索表面,提高缆索火灾危险高度。根据模拟结果，提取索表面温度随高度的变化规律，如图5所示，为后续缆索火灾防护对策设防高度的取值提供技术依据。

图5 吊索表面温度随高度分布情况

当无防火措施或防护措施不足时，缆索钢丝在火焰持续燃烧下，内部温度持续提升，导致钢丝的力学性能发生改变。当燃烧温度或燃烧时间超出某一范围后，即使火焰扑灭温度降低，钢丝内部结构也可能发生某些不可逆的损伤。因此，开展了钢丝在高温下的损伤系列试验工作，包括钢丝的高温稳态试验、高温蠕变试验、高温后力学试验、应力松弛试验，获取缆索钢丝性能与外部温度的联系，以明确缆索设防关键温度，进而结合温度场仿真结果确定设防高度。

试验结果如图6所示，钢丝在高温下及高温过后的力学性能随温度发生不同程度的变化，高温稳态试验结果显示（见图6（a）），300℃~500℃材性下降显著增快，300℃时力学性能下降1/4，400℃时下降一半以上；钢丝退火后拉伸试验结果显示（见图6（b）），火温度为100℃-300℃时，钢丝强度、塑性基本无变化；400℃时，钢丝强度、塑性开始下降；高温蠕变试验结果显示（见图6（c）），300℃时，0.4和0.5应力比下蠕变总量很小，400℃时显著增大。以上试验结果表明，1960级主缆钢丝的设防温度应控制在300℃左右。

(a) 高温稳态试验结果

(b) 1960Mpa钢丝退火后拉伸性能

(c) 高温蠕变试验曲线

图6 缆索钢丝高温下及高温后力学试验结果

设防温度：根据钢丝高温经历后力学性能和高温材性退化规律，确定1960MPa级5mm直径钢丝火灾设防临界温度为300℃。

设防高度：根据油罐车火灾仿真分析得到的缆索空间温度-高度分布图（图5），按照设防温度300℃确定南沙大桥水道桥及泥洲水道桥缆索火灾防护设防高度，主缆为距桥面高度17m以下范围，吊索为15m以下。

设防时间：结合南沙大桥火灾救援响应时间，吊索设防时间为60分钟，考虑主缆不可更换性，将主缆提高到90分钟。

桥梁缆索防火材料需要兼顾耐火与隔热两大功能要求，同时，为了满足缆索的包裹施工需要，还要求材料具有一定的柔韧性。此外，作为一种桥梁半永久性的防护措施，桥梁缆索防火体系还需考虑耐环境老化的要求，如防紫外线老化、防水、防酸雨腐蚀，以及适应桥梁结构振动等。

经过大量调研和比选，具备缆索防火隔热应用潜力的材料主要为毡类防火材料，如玄武岩纤维针刺毡、陶瓷纤维针刺毡或气凝胶绝热毡。而毡类产品根据力学强度、耐温等级、导热系数等性能参数的不同，还需进一步进行区分。主要防火材料的优缺点如表2所示。

对缆索各类防护材料进行比较分析，并选定了玄武岩纤维毡、陶瓷纤维毡、复合气凝胶毡作为缆索火灾防护的基本材料，制定了10种防护体系模型，如表3所示。在钢丝表面布设了热电偶，采集燃烧过程中钢丝表面温度。

开展了C-H升温曲线下拉索火灾防护体系耐火性能试验，模型受火形态变化如图7所示。统计了各模型钢丝表面温度突破300℃的受火时间，如表4所示。

图7 不同防护体系模型受火形态变化

研究结果表明，自研的耐高温复合气凝胶材料优于陶瓷纤维，陶瓷纤维优于玄武岩纤维布，双层耐高温气凝胶（5+5mm）+3胶2布拉索模型可保证被保护钢丝温度突破300℃的时间大于90分钟，可满足南沙大桥缆索火灾设防时间要求。相同场景下，其他防护体系性能无法保证缆索安全性。

对选用的复合气凝胶材料进行耐湿热、耐水、耐老化试验，测试材料的热导率及拉伸性能变化。试验结果表明，复合气凝胶毡在上述试验场景下，热导率的变化非常小，最大承载力有小幅降低，耐水性能测试后，气凝胶毡的最大承载力降幅较大，达到7.02%，气凝胶毡在实际应用中需特别注意防水问题。

同时，开展了气凝胶毡的高温后性能测试，以评估气凝胶毡在火灾场景后的工作性能。测试结果表明，气凝胶毡在经历高温后，其结构保持稳定，导热系数翻倍，最大承载力有不同幅度的降低，800℃高温退火后最大承载力下降14%，1000℃高温退火后最大承载力下降58%；高温退火后气凝胶毡中气凝胶含量明显减少、高硅氧纤维有断裂倾向。经历800℃以下短时火灾后，气凝胶毡可以继续使用。

采用毡类防火材料，在构造上不可避免地会存在拼缝。前期燃烧试验表明，带有防护体系模型，在燃烧过程中外层阻燃材料逐渐脆化，导致气凝胶毡在对接接口处敞开，使接缝处钢丝失去隔温层保护，直接经历了火焰的温度传递。因此，防火材料的拼缝处处置不当，会使得接口处钢丝在火灾场景下率先发生破坏，无法发挥防火体系预期的功能。

针对防护体系的这一薄弱环节，在接口处采了用搭接或补接方式，验证不同拼缝构造措施对缆索耐火性能的影响。针对南沙大桥主缆设计了4种不同拼接方式模型进行燃烧试验，如表5所示。

试验结果表明，拼接方式防护效果采用内层对接+外层搭接组合 > 单层补接 > 对接，单层补接和搭接的处理效果差别不大，均可显著改善接缝处的防护效果。模型2可保证接缝及非接缝处钢丝表面温度在90分钟内低于300℃，可作为主缆防护形式；模型1可保证接缝及非接缝处钢丝表面温度在60分钟内低于300℃，可作为吊索防护方案，如图8所示。

(a) 主缆

(b) 吊索

图8 缆索防火体系方案

另外，针对吊索抗风性能的影响，悬索桥长吊索或中长吊索较为轻柔，风致敏感性突出，而防火体系的设置，会使吊索的质量和外形发生变化，进而可能影响吊索的气动稳定性。因此，代表性地选取两座悬索桥上若干根长索、中长索、短索，利用数值模拟手段，对设置防火体系后吊索抗风的影响性进行分析。

设置防火体系前后代表性吊索的模拟结果如图9所示，增设防火体系后，吊索气动静三分力，横桥向及顺桥向气动稳定性均无明显变化，研究所提出的防火体系在满足耐火性能要求的同时，吊索气动稳定性未发生明显的变化。

（a）横桥向气动稳定性

（b）纵桥向气动稳定性

图9 吊索横、纵桥向 气动稳定性分析结果

目前，研发团队结合《桥梁缆索火灾防护对策及灾后检测评估技术研究》课题，取得了“一种增强型高硅氧纤维复合气凝胶防火材料及其制备方法”发明专利，在南沙大桥距桥面高度17米以下范围的主缆，和15米以下的吊索实施火灾防护。后续将进一步开展缆索构件火灾后技术状况评定方法研究，制定其火灾后的技术状况评定指南，建立缆索火灾应急救援管理体系，形成缆索火灾防护设计施工及应急抢险救援、管理的一体化技术方法。