CN111364360B - 一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构的施工方法，对斜拉索进行分区域防护，包括：一级防护区域，距桥面垂直距离11m～20m，采用满足防护标准A的隔热抗火防护；二级防护区域，距桥面垂直距离11m以下，采用同时满足防护标准A和防护标准B的隔热抗火防护。隔热抗火防护结构A与B中纤维复合材料缠包带的缠绕方向分别为30°＜α₁≤35°、15°≤α₂≤30°。与现有技术相比，本发明具中的桥梁斜拉索隔热抗火的防护方法，可以根据斜拉索在不同类型车辆火灾下的受火性能特点，沿拉索高度设置不同防护等级区域，以较少的防护材料用量实现斜拉索“油罐车火灾不破坏，小汽车、客车、货车火灾不损伤”的目标需求，显著地提高防护体系的经济性。

Description

一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程缆索系统防护技术领域，尤其是涉及一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构及其施工方法。

背景技术

桥梁火灾给人们的生命和财产带来的损失是巨大的，尤其一些作为交通咽喉的大型斜拉桥，一旦火灾发生，势必会在一定的时间内停止使用，造成巨大的经济损失和社会影响。斜拉索作为斜拉桥中重要部件在运营过程中起着关键作用，将主梁巨大拉力荷载传递给桥塔。由于斜拉索位于桥面以上部位，通常情况下离行车道距离较近，一旦斜拉桥发生火灾，可能对斜拉索造成影响。目前斜拉桥拉索通常采用高强钢丝或者钢绞线外包高密度聚乙稀(HDPE)护套形式，聚乙稀护套熔点低，在火灾下很容易燃烧造成钢丝裸露，难以在采取有效的抗火措施前，保证结构体系完整。

目前，国内外对于斜拉索的抗火防护以喷涂各种防火涂料和用防火板、混凝土、砖、砂浆等包裹构件的包封方法两种手段为主。由于应用包封方法更多的是出于对防爆的考虑，因此抗火防护是以喷涂、覆裹防火材料为主。

国内外建筑结构领域防火技术方案很多，但涉及桥梁尤其是斜拉索方面的，国内外基本没有。N210066489U公开了一种拉索护套结构，其套置在钢丝束外，包括从内到外依次分层套置的聚酯纤维带、内层聚乙烯护套、钢丝网、外层聚乙烯护套和隔热材料层，隔热材料层外设置抗风雨振螺旋线。上述技术方案中的拉索护套结构就有较好的隔热、放紫外线、防风化等优点，但其在火灾现场温度中仍然会产生严重的结构失效。

国内外主流的抗火防护方法是在一定高度范围内一致性地喷涂或覆裹防火材料，尽管满足了拉索隔热抗火要求，但却忽略了拉索不同高度受火性能及抗火需求存在差异。这就使得相对昂贵的抗火材料的应用存在浪费，管养成本大大增加。同时，如前所述当前对于斜拉索的一致性防护并未考虑不同车型火灾的影响，防护方法单一、笼统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构及其施工方法，基于性能理念，为实现桥梁斜拉索“油罐车火灾不破坏，小汽车、客车、货车火灾不损伤”的管养需求，根据斜拉索在不同类型车辆火灾下的受火性能特点，沿拉索高度设置不同防护等级，实现斜拉索“油罐车火灾不破坏，小汽车、客车、货车火灾不损伤”的目标需求，进而减少防护材用量，提高了防护体系的经济性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构的施工方法，对斜拉索进行分区域防护，包括：

一级防护区域，距桥面垂直距离11m～20m，采用满足防护标准A的隔热抗火防护结构A；

二级防护区域，距桥面垂直距离11m以下，采用同时满足防护标准A和防护标准B的隔热抗火防护结构B；

所述的隔热抗火防护结构A与隔热抗火防护结构B均包括纤维复合材料缠包层，所述的纤维复合材料缠包层由宽度为30～50cm、厚度为7mm～30mm的纤维复合材料缠包带缠绕斜拉索护套而成；

所述的隔热抗火防护结构A中纤维复合材料缠包带的缠绕方向为30°＜α₁≤35°，所述的隔热抗火防护结构B中纤维复合材料缠包带的缠绕方向为15°≤α₂≤30°。缠绕角度即缠绕时纤维复合材料缠包带的边沿与斜拉索截面间角度所呈角度。

进一步地，所述的防护标准A为，小汽车、客车、货车火灾发生90分钟内，斜拉索钢束不出现高温损伤。

进一步地，隔热抗火防护结构A的隔热系数小于等于0.3。

进一步地，所述的防护标准B为，油罐车火灾发生60分钟内，斜拉索钢束不出现失效断裂。

进一步地，隔热抗火防护结构A的隔热系数小于等于0.2。

进一步地，抗火防护结构A与隔热抗火防护结构B的施工过程为：

(1)对斜拉索护套表面进行预处理；

(2)将纤维复合材料缠包带叠压缠绕于斜拉索护套表面，逐卷缠绕直至覆盖至目标高度，得到纤维复合材料缠包层，缠绕过程中，纤维复合材料缠包带需要续接时，采用叠压粘接的方式完成续接；

(3)在纤维复合材料缠包层表面涂覆防水密封耐候层，得到斜拉索隔热抗火防护结构。

进一步地，步骤(2)中从锚头处开始至其上1m范围内采用手动缠绕的方式，之后采用缠包机完成。

进一步地，步骤(2)中叠压粘接的方式为，缠绕包覆至上一卷纤维复合材料缠包带用完后，保持上一卷纤维复合材料缠包带的缠绕位置与缠绕张紧度，并摊平其末端，剪短下一卷纤维复合材料缠包带的首端，将下一卷纤维复合材料缠包带的首端叠压在上一卷纤维复合材料缠包带末端上方，并固定粘结。

进一步地，所述的纤维复合材料缠包带为玄武岩纤维复合材料。

进一步地，所述的纤维复合材料缠包层表面涂覆有防水密封耐候层，所述的涂密水耐候层为氟碳漆层。

进一步地，所述的缠包带缠绕角度根据隔热抗火需求计算得出，将斜拉索钢束温度与缠包带表面温度之比记为该缠绕方式下隔热系数β，满足

式中，β——缠绕方式隔热系数，D——斜拉索直径(cm)，t——缠包带厚度(cm)，b——缠包带宽度(cm)，α——缠绕角度(缠包带与斜拉索截面间角度)。

与现有技术相比，本发明中具有以下优点：

1)的桥梁斜拉索隔热抗火的防护方法，可以根据斜拉索在不同类型车辆火灾下的受火性能特点，沿拉索高度设置不同防护等级区域，其中11m～20m、11m以下这个两个分区实现了斜拉索“油罐车火灾不破坏，小汽车、客车、货车火灾不损伤”的目标需求，显著地减少了防护材料用量，提高了防护体系的经济性。

2)本发明中利用纤维复合材料实现桥梁斜拉索的隔热抗火防护，分段式的采用了最优的材料尺寸范围、缠包工艺参数和工艺方法，可以使玄武岩纤维复合材料缠包带保证良好隔热性能的同时，减少材料用量，降低成本，且便于施工，防水、防腐性能优异。

3)本发明中纤维复合材料缠包带在30～50cm的宽度范围、7mm～30mm的厚度范围、两级式30°＜α₁≤35°、15°≤α₂≤30°缠绕方向的参数设定下，可与原有护套结构紧密结合，可取到最优的隔热抗火性能，同时保证了材料的利用率，可广泛的应用于大型桥梁工程的施工过程。

4)本发明中叠压粘接的方式与30～50cm的宽度范围、7mm～30mm厚度范围的缠包带更加适配，同时使得两级式30°＜α₁≤35°、15°≤α₂≤30°缠绕后的防护结构更加稳定，无论是在火灾场合和非火灾场合，均可保持严密的抗火防护结构。

附图说明

图1为斜拉索分区分级防护区域示意图；

图2为实施例1中80MW货车火灾下护套温度沿高度分布图；

图3为实施例1中200MW油罐车火灾下钢丝束温度沿高度分布图；

图4为实施例2中150MW货车火灾下护套温度沿高度分布图；

图5为实施例2中300MW油罐车火灾下钢丝束温度沿高度分布；

图6为一级防护区域斜拉索钢丝最大温度时程曲线；

图7为二级防护区域斜拉索钢丝最大温度时程曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例中的斜拉桥，斜拉索为标准热挤聚乙烯高强钢丝索结构，镀锌钢丝束外包HDPE护套。根据管养单位交通量统计数据及车辆载重分析，若发生小汽车火灾，最大热释放率为10MW，火焰高度为11m；若发生客车火灾，最大热释放率为30MW，火焰高度为12m；若发生货车火灾，最大热释放率为80MW，火焰高度为24m；若发生油罐车火灾，最大热释放率为200MW，火焰高度为28m。

首先根据小汽车、客车、货车火灾下斜拉索护套外表面温度不超过护套燃点的原则，确定斜拉索需要防护的总体范围。由于货车火灾热释放率与高度均大于小汽车和客车车辆火灾，因此，取货车火灾作为代表。斜拉索护套为HDPE材料，燃点为350℃。根据有限元模拟结果，绘制拉索护套表面温度分布图见图2。

由图2可知，80MW货车火灾下，距桥面16m以上区域斜拉索护套温度低于350℃。此时，斜拉索需防护的总体范围为16m。防护总体范围约为火焰高度的2/3。

即：

式中，h₁——总体防护高度，h_f——火焰计算高度。

其次，将16m防护范围内分为两级防护。根据防护标准B，即油罐车火灾发生60分钟内，斜拉索钢束不出现失效断裂，确定二级防护区域临界高度。根据斜拉索钢束设计安全系数和Eurocode3规范碳钢高温强度折减规律，斜拉索钢丝束温度高于630℃，将发生失效断裂。根据有限元模拟结果，绘制拉索护套表面温度分布图见图3。

由图3可知，200MW油罐车火灾下，距桥面8m以下区域斜拉索钢丝温度高于630℃，存在失效断裂风险。此时，斜拉索二级防护区域范围为8m以下。二级防护临界高度约为火焰高度的2/7。即：

式中，h₂——二级防护区域高度，h_f——火焰计算高度。

综上所述，本实施例中斜拉索需防护总体范围为16m以下区域，16m以上区域无需额外防护。总体防护范围内，8m以下范围为二级防护区域，需采取防护措施以同时满足防护标准A和防护标准B，即在小汽车、客车、货车火灾发生90分钟内，斜拉索钢束不出现高温损伤；在油罐车火灾发生60分钟内，斜拉索钢束不出现失效断裂。最终实现“油罐车火灾不破坏，小汽车、客车、货车火灾不损伤”的目标。

实施例2

本实施例中的斜拉桥，斜拉索为标准热挤聚乙烯高强钢丝索结构，镀锌钢丝束外包HDPE护套。根据管养单位交通量统计数据及车辆载重分析，若发生小汽车火灾，最大热释放率为10MW，火焰高度为11m；若发生客车火灾，最大热释放率为30MW，火焰高度为12m；若发生货车火灾，最大热释放率为150MW，火焰高度为30m；若发生油罐车火灾，最大热释放率为300MW，火焰高度为39m。

首先根据小汽车、客车、货车火灾下斜拉索护套外表面温度不超过护套燃点的原则，确定斜拉索需要防护的总体范围。由于货车火灾热释放率与高度均大于小汽车和客车车辆火灾，因此，取货车火灾作为代表。斜拉索护套为HDPE材料，燃点为350℃。根据有限元模拟结果，绘制拉索护套表面温度分布图见图4。

由图4可知，150MW货车火灾下，距桥面20m以上区域斜拉索护套温度低于350℃。此时，斜拉索需防护的总体范围为20m。防护总体范围约为火焰高度的2/3。

即：

式中，h₁——总体防护高度，h_f——火焰计算高度。

其次，将20m防护范围内分为两级防护。根据防护标准B，即油罐车火灾发生60分钟内，斜拉索钢束不出现失效断裂，确定二级防护区域临界高度。根据斜拉索钢束设计安全系数和Eurocode3规范碳钢高温强度折减规律，斜拉索钢丝束温度高于630℃，将发生失效断裂。根据有限元模拟结果，绘制拉索护套表面温度分布图见图5。

由图5可知，300MW油罐车火灾下，距桥面11m以下区域斜拉索钢丝温度高于630℃，存在失效断裂风险。此时，斜拉索二级防护区域范围为11m以下。二级防护临界高度约为火焰高度的2/7。即：

式中，h₂——二级防护区域高度，h_f——火焰计算高度。

综上所述，本实施例中斜拉索需防护总体范围为20m以下区域，20m以上区域无需额外防护。总体防护范围内，11m以下范围为二级防护区域，需采取防护措施以同时满足防护标准A和防护标准B，即在小汽车、客车、货车火灾发生90分钟内，斜拉索钢束不出现高温损伤；在油罐车火灾发生60分钟内，斜拉索钢束不出现失效断裂。最终实现“油罐车火灾不破坏，小汽车、客车、货车火灾不损伤”的目标。

实施例3

在满足本发明中的防护划分：一级防护区域，距桥面垂直距离11m～20m，采用满足防护标准A的隔热抗火防护；二级防护区域，距桥面垂直距离11m以下，采用同时满足防护标准A和防护标准B的隔热抗火防护，本实施例对具体的缠包工艺进行具体试验。

本实施例的斜拉索直径117mm，最内层为钢束，外层为HDPE护套，HDPE护套内层为PVF缠包带。

利用玄武岩纤维复合材料的桥梁斜拉索隔热抗火防护方法，包括以下步骤：

(1)为便于施工，取缠包带宽度为40cm、厚度为14mm，制备玄武岩纤维复合材料缠包带；

(2)根据要求，施加防护后斜拉索钢束温度与缠包带表面温度之比应为0.2，即隔热系数β＝0.2，由

可知，缠绕角度α＝30°(缠包带与斜拉索截面间角度)。

注：上式中，β——缠绕方式隔热系数，D——斜拉索直径(cm)，t——缠包带厚度(cm)，b——缠包带宽度(cm)，α——缠绕角度(°)。

(3)斜拉索护套表面清理修复，外涂自粘胶；

(4)从锚头处开始，其上1m范围内采用手动缠包，将玄武岩纤维复合材料缠包带斜拉叠压缠绕包覆于斜拉索护套表面，逆时针缠绕，缠绕角度为30°，然后使用缠包装置继续缠绕；

(5)缠绕包覆至上一卷缠包带卷用完后，保持上一卷缠包带卷上的缠包带位置与张紧度，并摊平其末端，剪短下一卷缠包带的首端，将下一卷缠包带的首端叠压在上一卷缠包带末端上方，并固定粘结；

(6)以此类推，直至缠绕覆盖至目标高度15m；

(7)缠包带表面胶结氟碳漆，防水防腐效果良好。

效果评价：

本实施例中，在斜拉索直径117mm、缠包带宽度40cm、厚度14mm组合下，采用30°缠绕角度施工，可保证隔热系数为0.2，较玄武岩复合材料本身隔热系数0.4降低50％，即同样缠包带表面温度之下，斜拉索钢束温度降低50％。隔热抗火效果明显。

缠绕角度越小，缠包带重叠越多，缠绕方式隔热系数就越大。在斜拉索直径117mm、缠包带宽度40cm、厚度14mm组合下，若采用25°缠绕角度，隔热系数变为0.19，较缠绕角度30°时仅降低5％，隔热抗火性能提升并不明显。但玄武岩纤维复合材料用量却由沿斜拉索每延米0.51m²增至0.68m²，增加33％。

可见，在斜拉索直径117mm、缠包带宽度40cm、厚度14mm组合下，采用30°缠绕角度施工，在保证隔热系数不大于0.2的同时，最大程度节省了材料。

之后，同时按照本实施例中的上述方法进行了多个缠绕角度的测试，最终得到15°～35°的缠包范围为保证性能前提下最大程度节省了材料的最优范围。

可见在防护标准A和防护标准B的隔热抗火防护施工时，根据在15°～35°的缠包范围内进行调变，以此满足具体的标准要求。

实施例4

在满足本发明中的防护划分：一级防护区域，距桥面垂直距离11m～20m，采用满足防护标准A的隔热抗火防护；二级防护区域，距桥面垂直距离11m以下，采用同时满足防护标准A和防护标准B的隔热抗火防护，本实施例对具体的缠包工艺进行具体试验。

本实施例的斜拉索直径117mm，最内层为钢束，外层为HDPE护套，HDPE护套内层为PVF缠包带。

利用玄武岩纤维复合材料的桥梁斜拉索隔热抗火防护方法，包括以下步骤：

(1)为便于施工，两级防护区域均取缠包带宽度为40cm、厚度为14mm，制备玄武岩纤维复合材料缠包带；

(2)一级防护区域，需满足防护标准A，施加防护后斜拉索钢束温度与缠包带表面温度之比应为0.3，即隔热系数β＝0.3，由

可知，缠绕角度α＝35°(缠包带与斜拉索截面间角度)。

注：上式中，β——缠绕方式隔热系数，D——斜拉索直径(cm)，t——缠包带厚度(cm)，b——缠包带宽度(cm)，α——缠绕角度(°)。

(3)二级防护区域，需同时满足防护标准A和标准B，施加防护后斜拉索钢束温度与缠包带表面温度之比应为0.2，即隔热系数β＝0.2，由上式计算可知，缠绕角度α＝30°。

(4)斜拉索护套表面清理修复，外涂自粘胶；

(5)从锚头处开始，其上1m范围内采用手动缠包，将玄武岩纤维复合材料缠包带斜拉叠压缠绕包覆于斜拉索护套表面，逆时针缠绕，缠绕角度为30°，然后使用缠包装置继续缠绕；

(5)缠绕包覆至上一卷缠包带卷用完后，保持上一卷缠包带卷上的缠包带位置与张紧度，并摊平其末端，剪短下一卷缠包带的首端，将下一卷缠包带的首端叠压在上一卷缠包带末端上方，并固定粘结；

(6)以此类推，直至缠绕覆盖至目标高度11m；

(7)自11m高度开始，采用缠绕角度35°，同样方式缠绕至目标高度20m。

(8)缠包带表面胶结氟碳漆，防水防腐效果良好。

效果评价：

本实施例中，斜拉索直径117mm、缠包带宽度40cm、厚度14mm，一级防护区域内采用35°缠绕角度施工，可保证隔热系数为0.3，二级防护区域内采用30°缠绕角度施工，可保证隔热系数为0.2。应用本实例采取的缠绕方式对斜拉索隔热抗火性能进行模拟计算，得到不同防护区域斜拉索钢丝升温曲线如图6所示。

由图7可知，一级防护区域在应用本实例的防护缠绕方式后，在货车火灾作用持续90min(5400s)时，斜拉索钢丝最大温度未超过400℃，满足防护标准A。

二级防护区域在应用本实例的防护缠绕方式后，在货车火灾作用持续90min(5400s)时，斜拉索钢丝最大温度未超过400℃，满足防护标准A；在油罐车火灾作用持续60min(3600s)时，斜拉索钢丝最大温度未超过630℃，满足防护标准B。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构的施工方法，其特征在于，对斜拉索进行分区域防护，包括：

一级防护区域，距桥面垂直距离11m～20m，采用满足防护标准A的隔热抗火防护结构A；

二级防护区域，距桥面垂直距离11m以下，采用同时满足防护标准A和防护标准B的隔热抗火防护结构B；

所述的隔热抗火防护结构A与隔热抗火防护结构B均包括纤维复合材料缠包层，所述的纤维复合材料缠包层由宽度为30～50cm、厚度为7mm～30mm的纤维复合材料缠包带缠绕斜拉索护套而成；

所述的隔热抗火防护结构A中纤维复合材料缠包带的缠绕方向为30°＜α₁≤35°，所述的隔热抗火防护结构B中纤维复合材料缠包带的缠绕方向为15°≤α₂≤30°；

隔热抗火防护结构A的隔热系数小于等于0.3，隔热抗火防护结构B的隔热系数小于等于0.2；

抗火防护结构A与隔热抗火防护结构B的施工过程为：

(1)对斜拉索护套表面进行预处理；

(2)将纤维复合材料缠包带叠压缠绕于斜拉索护套表面，逐卷缠绕直至覆盖至目标高度，得到纤维复合材料缠包层，缠绕过程中，纤维复合材料缠包带需要续接时，采用叠压粘接的方式完成续接；

(3)在纤维复合材料缠包层表面涂覆防水密封耐候层，得到斜拉索隔热抗火防护结构；

步骤(2)中叠压粘接的方式为，缠绕包覆至上一卷纤维复合材料缠包带用完后，保持上一卷纤维复合材料缠包带的缠绕位置与缠绕张紧度，并摊平其末端，剪短下一卷纤维复合材料缠包带的首端，将下一卷纤维复合材料缠包带的首端叠压在上一卷纤维复合材料缠包带末端上方，并固定粘结；

所述的缠包带缠绕角度根据隔热抗火需求计算得出，将斜拉索钢束温度与缠包带表面温度之比记为该缠绕方式下隔热系数β，满足

式中，β——缠绕方式隔热系数，D——斜拉索直径(cm)，t——缠包带厚度(cm)，b——缠包带宽度(cm)，α——缠绕角度。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构的施工方法，其特征在于，所述的防护标准A为，小汽车、客车、货车火灾发生90分钟内，斜拉索钢束不出现高温损伤。

3.根据权利要求1所述的一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构的施工方法，其特征在于，所述的防护标准B为，油罐车火灾发生60分钟内，斜拉索钢束不出现失效断裂。

4.根据权利要求1所述的一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构的施工方法，其特征在于，步骤(2)中从锚头处开始至其上1m范围内采用手动缠绕的方式，之后采用缠包机完成。

5.根据权利要求1所述的一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构的施工方法，其特征在于，所述的纤维复合材料缠包带为玄武岩纤维复合材料。

6.根据权利要求1所述的一种桥梁斜拉索隔热抗火分级防护结构的施工方法，其特征在于，所述的纤维复合材料缠包层表面涂覆有防水密封耐候层。

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