張文學， 李 茜， 楊 璐

(北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京100124)

0 引言

路面積雪、覆冰均對公路通行能力和交通安全產生嚴重的影響，輕則封路，重則造成嚴重的交通事故，進而造成巨大的直接經濟損失和不利的社會影響。目前我國多采用氯鹽類融雪劑進行除雪融冰，每年有數千萬噸的氯鹽類融雪劑撒在公路上，流入公路兩側，不僅對橋梁結構腐蝕嚴重，致使后期養(yǎng)護費用增加，嚴重降低橋梁的使用壽命，而且造成公路兩側環(huán)境遭到破壞，植被枯死，飲用水遭到污染。

我國目前高速公路里程達到7.41萬km，居世界第二位，且幅員遼闊，3/4的國土處于降雪、冰凍覆蓋區(qū)。因此采取何種除冰雪方案，達到即先進、環(huán)保，又不對既有路橋結構造成腐蝕，是目前亟待解決的問題。本文提出采取在橋面鋪裝層內敷設加熱電纜的方式進行物理除冰雪技術方案。雖然此方案在國外已經得到了成功的應用，但在國內還處于前期理論研究及試驗階段［1-3］，為此以常用的30 m T梁、瀝青混凝土橋面的橋梁結構為分析對象，建立分析模型，分別進行了瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析，得出了一些有意義的研究結論。

1 模型參數及邊界條件

1.1 模型參數

本文分析對象為高速公路30 m T梁橋，單側橋面寬度為11.49 m，橋面混凝土找平層厚度15 cm，瀝青混凝土橋面鋪裝厚度10 cm，加熱電纜的埋設深度為距瀝青表面5 cm，布置間距位15 cm，分析模型中各材料參數如表1所示［4-6］。

表1 分析模型材料參數表

1.2 邊界條件

在進行橋面加熱分析中，假定橋梁的初始溫度等于環(huán)境溫度，對流換熱系數和相變邊界取值如下［7］。

(1)對流換熱系數。雖然在工程應用中經常將綜合換熱系數作為常數處理［8-9］，但考慮到本文所分析的模型形狀比較復雜，參考Saetta試驗結果和Enrigue試驗結果，對流換熱系數h采用下式模擬。梁外表面hw=5.6+4Vf;梁內表面hn=2.17+3.5Vf，其中，Vf為環(huán)境風速。

(2)相變邊界。融雪或化冰過程存在相變問題，一方面是冰或雪融化為水的“固-液”相變，另一方面是水蒸發(fā)的“液-氣”相變。但由于冰、雪融化后一部分以液態(tài)方式流走;一部分通過相變，以氣態(tài)方式蒸發(fā)掉，這使得橋梁表面的邊界條件十分復雜，很難準確模擬。因此，在本課題的分析中，沒計及冰雪的相變邊界問題，而是參考文獻［9］將冰雪升溫及融化所需的功率P直接計入到穩(wěn)態(tài)加熱功率中。

2 加熱功率與環(huán)境因素關系分析

橋面采用電加熱物理除冰雪過程分為加熱升溫階段和穩(wěn)態(tài)融雪化冰階段。對橋面加熱功率與環(huán)境因素的關系分析結果如下。

2.1 橋面加熱升溫階段

在不同環(huán)境溫度(－1℃、－3℃)、風速(0.0 m/s、1.5 m/s、3.0 m/s)情況下，加熱功率與橋面升溫速度的關系分析結果如圖1～圖3所示，由此可知:

圖1 環(huán)境溫度－3℃，風速3 m/s橋面升溫時程

圖2 橋面升溫至2℃時能耗耗與加熱功率的關系

(1)加熱后橋面的溫度變化可劃分為3個階段，第一階段為滯后階段，在加熱后約2 h內，橋面溫度幾乎沒變化;第二階段為升溫階段，在加熱后2～24 h內，橋面溫度上升較快;第三階段為平衡階段，在加熱約24 h以后橋面溫度趨于平衡。

(2)在加熱功率相對較低的情況下，加熱功率對第一階段的時間有所影響，加熱功率越低，第一階段的時間越長;隨著加熱功率的增加，加熱功率對第一階段時間長短影響較小，也即通過增大加熱功率來縮短加熱滯后階段的時間效果不明顯。

(3)加熱功率的大小雖然對第二階段橋面升溫速度影響較大，但對第二階段的時間長短影響較小。

(4)環(huán)境溫度越低，在相同風速和相同加熱功率情況下，達到理想融雪化冰溫度所需要的時間越長。風速越大熱交換系數越大，在相同環(huán)境溫度和加熱功率的情況下，達到理想融雪化冰溫度所需的時間也就越長。

圖3 橋面升溫至2℃所需加熱時間與加熱功率關系

(5)加熱功率對橋面達到理想融雪溫度時所消耗的能量有較大影響。當加熱功率較低時，加熱升溫節(jié)段所消耗的能量隨加熱功率的減小而明顯增加;但當加熱功率過高時，由于瀝青混凝土傳導熱系數較低，當橋面達到理想融雪化冰溫度時，加熱電纜所在的加熱層的溫度升溫過高，致使加熱所需的能量反而有所增加。

(6)加熱功率對橋面達到理想融雪溫度所需時間有較大影響，隨著加熱功率的增加，橋面達到融雪化冰理想溫度所需的加熱時間隨之縮短;當加熱功率過低的情況下，由于加熱功率小于橋梁熱量散失功率，因此橋面永遠達不到理想融雪化冰溫度;當加熱功率較低時，雖然橋面溫度可以達到0℃以上，但所需加熱時間隨加熱功率的減小而明顯增加;當加熱功率達到一定限值后，由于瀝青混凝土導熱系數較低，橋面達到理想融雪化冰溫度所需的時間雖然隨著加熱功率的增加而有所減小，但減小的幅度非常小。

2.2 橋面加熱穩(wěn)態(tài)階段分析

在不同環(huán)境溫度(－1℃、－3℃)、風速(0.0 m/s、1.5 m/s、3.0 m/s)情況下，加熱功率與橋面穩(wěn)態(tài)溫度關系分析結果如圖4所示，由此可知:

圖4 橋面穩(wěn)態(tài)溫度與加熱功率的關系

(1)在一定的環(huán)境溫度和環(huán)境風速情況下，橋面穩(wěn)態(tài)溫度隨加熱功率的增加而呈線性規(guī)律增加。環(huán)境風速對橋面穩(wěn)態(tài)溫度影響比較明顯，環(huán)境風速越大，在相同加熱功率情況下，橋面溫度越低。

(2)對常用的30 m T梁結構橋面加熱后的穩(wěn)態(tài)溫度Tq與加熱功率Q、環(huán)境風速Vf的關系符合如下關系

式中，Te為環(huán)境溫度;Tq為橋面溫度;Vf為環(huán)境風速;P為單純融雪功率。

3 結論

提出在橋梁瀝青路面鋪裝層內敷設加熱電纜進行除冰雪的技術方案，為了達到理想的除冰雪效果，分析了加熱階段和穩(wěn)態(tài)階段加熱功率與環(huán)境溫度和環(huán)境風速之間的關系，由分析結果可知:

橋面加熱升溫過程明顯地分為滯后、升溫和穩(wěn)態(tài)三個階段，具體設計時，應滿足橋梁受力要求的前提下，盡可能降低加熱階段的能耗，縮短加熱階段的時間。在穩(wěn)態(tài)融雪化冰階段應根據環(huán)境溫度、環(huán)境風速和降雪速度等確定合理的加熱功率，達到即能起到理想的融雪化冰效果，滿足交通安全需求，又盡可能降低能耗。因此，采取橋面電加熱物理除冰雪時，存在對橋面加熱功率的優(yōu)化問題，應根據具體的環(huán)境因素進行分析確定。

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