长沙桥梁缆索防火材料(桥梁拉索防火隔热系统的试验研究及应用)
长沙桥梁缆索防火材料(桥梁拉索防火隔热系统的试验研究及应用)钢结构防火涂料分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料。膨胀型防火涂料(薄型防火涂料)涂层厚度不小于1.5mm,遇火后能发泡膨胀形成保护层。非膨胀型防火涂料(厚型防火涂料)涂层厚度不小于7mm,遇火不膨胀,依靠材料自身耐火隔热性能发挥防护作用。防火涂料施工简单,简单和复杂的钢结构均可适用,但是成本偏高。(1)防火涂料目前越来越多桥梁工程提出拉索应具备防火功能的要求,国际规范PTI DC45.1-12对桥梁拉索的防火隔热性能提出规定:拉索外部在1100℃条件下,持续时间不小于30min过程中,拉索钢绞线表面温度不超过300℃。而研究依托的埃及Rod EI Farag桥工程,提出了更高的防火隔热性能要求:拉索外部在1100℃条件下,持续时间不小于90min过程中,拉索钢绞线表面温度不超过300℃。钢结构防火隔热措施主要有屏蔽法、浇注混凝土或砌筑耐火砖、包覆耐火轻质板材、涂抹防火涂料、包覆柔性毡状隔
庞锐剑 雷欢 韦耀淋 覃磊 朱永权 石伟柳州欧维姆机械股份有限公司摘 要:拉索作为缆索类桥梁的关键受力构件,在无防护条件下,一旦发生火灾事故将给桥梁带来严重的安全隐患。研究桥梁拉索的火灾防护系统具有重要意义。依托埃及Rod EI Farag桥工程,对拉索防火隔热系统进行试验研究,试验结果满足拉索外部在1100℃环境下,持续90min(国际PTI规范要求30min)时间内,拉索钢绞线表面的温度不超过300℃的要求,并对防火隔热系统进行安装工艺可靠性试验研究。研究的防火隔热系统满足埃及Rod EI Farag桥工程要求,并已成功应用于该工程中。
关键词:缆索类桥梁;桥梁拉索;防火隔热系统;钢绞线表面温度;
1 概述1.1 火灾对桥梁拉索影响桥梁作为主要交通线的枢纽,在军事交通和国民经济中具有至关重要的地位和作用。随着交通量的日益增加和复杂化,桥梁发生火灾的概率极大上升,每年因火灾造成垮塌的桥梁是地震造成的2.7倍[1]。2008年12月,鹤洞大桥西塔南侧边跨和中跨拉索上的彩灯起火,导致十多根拉索发生起火,拉索彩灯装饰烧毁严重。2011年8月,一辆装载24t汽油的油罐车,在210国道K314 836的榆林市榆阳区草沟大桥与另一辆拉煤货车发生追尾,油罐罐体严重破坏,汽油大量泄漏,并引发大火[2]。2018年3月20日,一辆载有大量蚊香、灭蚊剂等物品的货车在鄂黄长江公路大桥突发大火,造成7根拉索不同程度受损,需要更换其中部分受损拉索,除造成直接的经济损失外,还给桥梁的正常运营带来较大影响。因此,火灾引起的桥梁结构安全问题日渐受到关注。
在缆索类桥梁中,拉索是桥梁主要受力构件,而拉索主要受力件由钢丝或钢绞线等钢构件组成。钢材导热系数大,火灾下钢结构升温快,钢材强度随温度升高而迅速降低。当钢构件的温度分别达到350℃、500℃和600℃时,其强度分别下降1/3、1/2和2/3。无防护条件下,一般15~20min左右就会因其承载力不足而破坏。一般火灾的温度通常会达到800~1000℃,短时间内很快达到极限状态进而造成钢构件破坏[3 4 5 6 7]。
1.2 防火隔热要求目前越来越多桥梁工程提出拉索应具备防火功能的要求,国际规范PTI DC45.1-12对桥梁拉索的防火隔热性能提出规定:拉索外部在1100℃条件下,持续时间不小于30min过程中,拉索钢绞线表面温度不超过300℃。而研究依托的埃及Rod EI Farag桥工程,提出了更高的防火隔热性能要求:拉索外部在1100℃条件下,持续时间不小于90min过程中,拉索钢绞线表面温度不超过300℃。
1.3 防火隔热措施钢结构防火隔热措施主要有屏蔽法、浇注混凝土或砌筑耐火砖、包覆耐火轻质板材、涂抹防火涂料、包覆柔性毡状隔热材料、复合防火保护[8]。本文根据拉索的结构特性(内部为钢材、外部为HDPE材料),采用涂抹防火涂料[9]、包覆柔性毡状隔热材料方法对拉索防火隔热系统进行试验研究。
2 拉索防火隔热系统试验研究为提高研究效率,先对拉索防火隔热系统进行小模型试验研究,从中选取合适的防火隔热材料、防火结构和试验方案,再进行实际模型试验研究。并对防火隔热系统进行实际模型安装工艺试验研究。
2.1 小模型试验研究2.1.1 防火隔热材料分析(1)防火涂料
钢结构防火涂料分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料。膨胀型防火涂料(薄型防火涂料)涂层厚度不小于1.5mm,遇火后能发泡膨胀形成保护层。非膨胀型防火涂料(厚型防火涂料)涂层厚度不小于7mm,遇火不膨胀,依靠材料自身耐火隔热性能发挥防护作用。防火涂料施工简单,简单和复杂的钢结构均可适用,但是成本偏高。
由于桥梁拉索的工况为室外环境,应考虑选用具有良好耐候性的室外防火涂料,同时应选用满足耐高温1100℃以上的防火涂料。
(2)柔性毡状隔热材料
柔性毡状隔热材料(柔性防火毡)为无机材料,依靠材料本身的不燃性和超低的导热系数,延缓热量传递速度而发挥其防护作用。柔性毡状隔热材料,具有材料化学稳定性及热稳定性好的特点。具有较好的柔韧性和经济性,适宜应用在外形为柱状或规则的结构上。
桥梁拉索应用在室外环境,工作时为倾斜或竖直状态。选用柔性毡状隔热材料应考虑对其进行防水保护和机械损伤保护,及其自重对安装的影响。
2.1.2 试验研究根据不同防火材料,制作好相应结构的防火试件(如图1所示),并把试件安装到加热炉内。按照ANSI/UL1709标准升温曲线进行升温:即5min内,炉内平均温度为2000F±100F(1093℃±56℃),之后整个试验过程保持在该温度上。对不同的防火涂料、柔性防火毡进行试验,测试不同材料的防火时间(防火时间是指炉内温度达到1100℃之后,试件温度达到300℃之前的时间)。采用热电偶和热电偶采集仪进行数据采集和记录,试件表面的热电偶温度到达300℃时停止试验。
2.1.3 试验结果与分析在1100℃条件下,对不同防火材料的隔热性能进行了测试,薄型防火涂料和厚型防火涂料的测试结果分别如表1、表2所示,不同型号柔性防火毡的测试结果如表3所示。
从试验结果可知,在1100℃条件下,一定厚度范围内,防火涂料的防火时间与防火材料的厚度成线性关系。其中薄型防火涂料的防火时间最短,隔热性能不能满足试验要求。厚型防火涂料厚度大于一定值后,隔热性能可满足试验要求。柔性防火毡的防火时间与材料类型相关,受材料成分、工艺和厚度影响较大,部分类型柔性防火毡隔热性能可满足试验要求。
图1 不同防火材料隔热试验 下载原图
表1 薄型防火涂料测试结果 下载原图
表2 厚型防火涂料测试结果 下载原图
表3 柔性防火毡防火材料测试结果 下载原图
由于拉索的外观为圆形或多边形,且拉索外部材料为HDPE,从适用性、美观性、经济性综合考虑,以及结合上述防火材料隔热性能测试的基础,最终选用包覆柔性毡状隔热材料方法,进行1∶1实际尺寸模型的1100℃高温防火隔热试验及安装工艺试验研究。
2.2 实际模型试验研究2.2.1 防火隔热系统制作以73孔的OVM250钢绞线拉索为研究对象,对其防火隔热系统进行试验研究。
用铁丝把73根表面无HDPE护套的Φ15.7-1860钢绞线捆绑组成拉索。
在拉索表面不同位置均匀布置8个热电偶,并用铁丝把热电偶与拉索相对固定。
把柔性防火毡缠包在钢绞线拉索表面,柔性防火毡分两层安装,每层防火结构由若干片柔性防火毡组成。
把上述组装的拉索放入到一端封闭的钢管内,即完成拉索防火隔热系统的试件制作。
2.2.2 隔热试验研究根据PTI规范和埃及Rod EI Farag桥工程要求,设计如图2所示试验方案。
图2 拉索防火隔热系统试验方案 下载原图
将按图组装好的拉索防火隔热系统安装到高温燃气炉的炉膛上,并用防火棉封堵炉子两端安装孔与钢管之间的缝隙。将拉索隔热系统的热电偶与热电偶采集仪连接并调试。检查燃气炉各阀门和接头的气密性,确保无漏气,同时检查各气表,确保运行正常与安全。
点火升温,待燃气炉内热电偶平均温度达到1100℃及以上,开始进行保温,持续不小于90min(本次试验保温了95min),观察布置在拉索表面热电偶的温度变化,如图3所示。达到保温时间后,关闭燃气炉及相关气阀,切断电源。
图3 拉索防火系统测试中 下载原图
2.2.3 试验结果和分析图4 防火隔热试验数据记录 下载原图
从图4可知:高温燃气炉在试验开始约5min,炉内8个热电偶温度平均温度升至1100℃,之后,试验保持炉温在1100℃以上持续了95min。整个试验共进行了100min,拉索表面钢绞线的8个热电偶的最高温度为206.5℃。
2.3 防火隔热系统安装工艺试验研究OVM250钢绞线拉索体系的安装工艺比较成熟,已经在国内外多座桥梁工程中得到成功应用。而OVM250钢绞线拉索体系增加防火隔热系统后还未见有实例,为了确保防火隔热系统在拉索体系中能正常安装和运营,需对其匹配性和可靠性进行安装工艺试验研究。
根据OVM250钢绞线拉索体系和防火隔热系统的结构特点,试验包括:柔性防火毡的缠包安装工艺;柔性防火毡与减振器、拉索耦合安装;钢管的连接过渡安装;钢管与柔性防火毡、拉索的匹配性安装;防水罩与柔性防火毡、拉索的匹配性安装。
在工厂内,使用航吊进行辅助吊装,其余主要通过人工进行安装试验。通过反复试验,模拟实际工况安装,充分验证了安装的可行性和可靠性,如图5所示。
图5 拉索防火隔热系统安装工艺试验过程 下载原图
3 拉索防火隔热系统工程应用埃及Rod EI Farag桥工程(世界最宽梁面斜拉桥)是埃及政府重点工程,同时是中东地区的焦点项目之一。全桥共160根斜拉索,采用OVM250钢绞线拉索体系。要求斜拉索在垂直桥面高度8m范围内具有防火隔热性能:即拉索1100℃高温环境下,持续90min过程中,钢绞线表面温度不超过300℃。2019年5月,拉索防火隔热系统在埃及Rod EI Farag桥工程中完成安装和应用,如图6所示。
4 结论完成了桥梁拉索防火材料的防火隔热性能试验研究,从中选用经济性较好的防火材料构成拉索防火隔热系统,并进行了实际模型试验研究,研究的拉索防火隔热系统成功应用在埃及Rod EI Farag桥工程中,从中得出如下结论:
(1)防火涂料和柔性防火毡是适用于桥梁拉索结构的防火材料。防火材料在一定的厚度范围内,其防火时间与防火材料的厚度呈线性比例关系。
(2)由柔性防火毡和钢管组成的拉索防火隔热系统,进行的实际模型试验研究,试验升温过程满足ANSI/UL1709标准要求,试验结果满足埃及Rod EI Farag桥工程要求。
图6 拉索防火隔热系统在埃及Rod EI Farag桥工程应用 下载原图
试验升温曲线满足:5min内炉内平均温度升温至1100℃,之后整个试验过程保持在1100℃以上。
拉索防火隔热系统满足:拉索表面在1100℃以上的环境下,持续95min过程中,钢绞线表面最高温度为206.5℃,远高于PTI规范和埃及埃及Rod EI Farag桥工程的要求。
(3)拉索表面包覆柔性防火毡、外加钢管防护的防火隔热系统,满足实际使用要求:柔性防火毡发挥了其自身高性能防火隔热性能,钢管能对柔性防火毡进行防水保护和机械损伤防护。
(4)拉索防火隔热系统经过安装工艺试验研究,及其在埃及REF斜拉桥工程中大批量成功安装使用,充分验证了该系统在桥梁拉索的适用性和可靠性,值得在工程中推广应用。
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