T梁橋下貼保溫板加熱除冰雪的可行性分析

王春清，朱洪泉

(長治高速公路有限責任公司，山西長治046000)

路面積雪、覆冰均對公路交通安全和通行能力都產(chǎn)生嚴重的影響，采用氯鹽類融雪劑進行除雪融冰，不僅對橋梁結(jié)構(gòu)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(cè)環(huán)境遭到破壞，植被枯死，飲用水遭到污染。采取何種除冰雪方案，達到既先進、環(huán)保，又不對既有路橋結(jié)構(gòu)造成腐蝕，是目前亟待解決的問題。為此本文提出采取橋梁電加熱除冰雪技術(shù)，為減小敷設加熱電纜對交通的影響，降低電纜腐蝕成本，提出在T梁翼緣板下面粘貼加熱電纜方案，降低加熱能耗和在T梁下面粘貼聚苯保溫板進行保溫的具體操作方案。根據(jù)高速公路常用T梁的具體截面型式，提出如圖1所示的布設方式，即在相鄰兩片T梁之間縱向布設7條加熱加熱電纜。

1 模型參數(shù)及邊界條件

1.1 模型參數(shù)

本文分析對象為高速公路30 m的T梁橋，橋面混凝土找平層厚度15 cm，瀝青混凝土橋面鋪裝層厚度10 cm，T梁下貼10 cm厚聚苯保溫板，分析模型中混凝土的導熱系數(shù)如表1所示，分析模型如圖1所示。

圖1 梁底貼保溫板加熱電纜布設示意

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(shù)和項變邊界取值如下。

(1)對流換熱系數(shù):參考Saetta試驗結(jié)果和Enrigue試驗結(jié)果，對流換熱系數(shù)h采用下式模擬。①梁外表面hw=5.6+4Vf;②梁內(nèi)表面hn=2.17+3.5Vf，式中Vf為環(huán)境風速。

表1 分析模型材料參數(shù)表

(2)項變邊界:在本課題的分析中，沒涉及冰雪的項變邊界問題，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(guān)系分析

混凝土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(guān)系分析結(jié)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(guān)系分析結(jié)果如圖2～圖4所示。由此可知:

(1)采用在T梁翼緣板下布置加熱加熱電纜并粘貼保溫板對橋面進行加熱時，加熱后橋面的溫度變化雖然仍可分為3個階段。第一階段為滯后階段，所需的時間明顯比加熱電纜埋深5 cm(埋在瀝青混凝土橋面鋪裝層內(nèi))的滯后時間長得多，在加熱后約6～8 h內(nèi)，橋面溫度幾乎沒變化;第二階段為升溫階段，但橋面的升溫速度非常慢，約需要5 d時間才能完成;第三階段為平衡階段，在加熱約5 d以后橋面溫度趨于平衡。

(2)加熱功率對橋面的升溫有較大的影響，當加熱功率過低時，由于加熱功率低于熱量損失的速度，橋面永遠不能升溫至2℃。但由于加熱電纜距離橋面比較遠，加之瀝青混凝土的導熱性能比較差，當加熱功率過大時，加熱功率的大小對橋面升溫至2℃的時間影響反而比較小。在可能的加熱功率情況下，要想使橋面溫度升至2℃是不可能的。

(3)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(shù)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。

(4)當橋面升溫至2℃時，加熱層的溫度已經(jīng)非常高。當環(huán)境溫度為－3℃，環(huán)境，風速為3.0 m/s時，加熱功率為200W/m2時，經(jīng)過64 h，橋面溫度升至2℃，此時梁內(nèi)最高溫度達45℃以上;加熱功率為500W/m2時，經(jīng)過24 h，橋面溫度升至2℃，此時梁內(nèi)最高溫度達88℃以上。由此可見采用T梁下粘貼保溫板的方式進行橋面加熱時，在加熱升溫過程中引起的橋面溫差已經(jīng)嚴重超過了規(guī)范規(guī)定的溫度梯度荷載，這對T梁的受力狀態(tài)會有較大的影響。

圖2 環(huán)境溫度－3℃，風速3.0 m/s橋面升溫至2℃時的溫度分布云圖

2.2 橋面加熱穩(wěn)態(tài)階段分析

不同環(huán)境溫度(－1℃、－3℃)、風速(0.0 m/s、1.5 m/s、3.0 m/s)，無降雪的情況下，加熱功率與橋面穩(wěn)態(tài)溫度的關(guān)系如圖5和圖6所示，由此可知:

圖3 環(huán)境溫度－3℃，風速3 m/s橋面升溫時程

圖4 橋面升溫至2℃時加熱時間與加熱功率的關(guān)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形規(guī)律增加。

(2)同樣環(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。

圖5 －1℃下橋面穩(wěn)態(tài)平均溫度、溫差與加熱功率、風速的關(guān)系

圖6 －3℃下橋面穩(wěn)態(tài)平均溫度、溫差與加熱功率、風速的關(guān)系

3 結(jié)論

本文從降低鋪設橋面加熱電纜的施工成本，減小對交通的影響角度出發(fā)，提出在T梁翼緣板下面粘貼加熱電纜方案，同時為減少熱量損失，降低加熱能耗，擬在T梁下面粘貼聚苯保溫板進行保溫，通過對加熱升溫過程和穩(wěn)態(tài)保溫過程的詳細分析，可得出如下重要結(jié)論。

(1)采用在T梁翼緣板下布置加熱加熱電纜并粘貼保溫板對橋面進行加熱時，橋面的升溫速度比較慢，第一階段(滯后階段)的時間比較長，在加熱后約6～8 h內(nèi)，橋面溫度幾乎沒變化，第二階段(升溫階段)約需要5 d時間才能完成。

(2)由于加熱電纜距離橋面比較遠，瀝青混凝土傳導熱系數(shù)較低，在可能的加熱功率情況下，要想使橋面溫度升至2℃是不可能的。

(3)在穩(wěn)態(tài)加熱保溫的過程中，要使得橋面溫度維持2℃以上，當加熱功率過大時在加熱升溫過程中引起的橋面溫差已經(jīng)嚴重超過了規(guī)范規(guī)定的溫度梯度荷載，因此會對橋梁的受力狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。

綜上所述，采用在T梁翼緣板下布置加熱電纜并粘貼聚苯保溫板對橋面進行加熱的方式是不可行的。

[1]李炎鋒，胡世陽，武海琴，等.發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰的模型[J].北京工業(yè)大學學報，2008，34(12):1298－1303

[2]武海琴.發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰的技術(shù)研究[D].北京工業(yè)大學，2005:1－7

[3]Sherif Y.，Christopher Y and David F.etal.Conductive concrete overlay for bridge deck deicing:Mixing proportioning，optimizing and properties.ACU Materials Journal.2000，(97):172－181