瀝青混凝土橋面輪跡帶電加熱可行性分析

朱洪泉，王春清

路面積雪、覆冰均對高速公路的通行能力和交通安全產生嚴重影響，輕則封路，重則造成嚴重的交通事故，甚至影響國防安全，進而造成巨大的直接經濟損失和不良的社會影響。據統計，全國每年高等級公路因冰、雪引起的直接經濟損失數億元。如2008年初的雪災，僅京珠高速公路粵北段就損毀里程約30 km，經濟損失達30 854萬元。目前我國路面除雪融冰技術仍以人工、化學和機械方式為主，而這些方式既污染環境，又容易引起橋梁結構腐蝕，縮短橋梁壽命，還會造成路面橋面的損壞，增加后期養護成本。因此如何解決目前公路除冰雪問題，既不腐蝕道路結構，又不破壞環境，同時節約運營養護成本是目前亟待解決的問題。為減少加熱能耗，降低加熱成本，本文提出采用在行車道輪跡帶鋪設加熱電纜進行加熱，對瀝青混凝土橋面進行物理融雪。

1 橋面帶電加熱的物理模型

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60－2004)規定，車輛中后輪的著地寬度及長度為60 cm×20 cm，根據調查一般情況下車道輪跡線的寬度在80 cm以內，因此設置加熱電纜寬度為80 cm。以瀝青混凝土橋面鋪裝為分析對象，瀝青混凝土橋面鋪裝厚度為10 cm，加熱電纜埋設深度為5 cm，間距為15 cm，每條輪跡線布設6條加熱電纜。為了保證橋面加熱對橋梁工作狀態的影響控制在規范允許范圍內，盡可能降低加熱階段的能耗，縮短加熱階段的時間，應進行橋面升溫速度與加熱功率的關系分析。在融雪化冰階段應根據環境溫度、環境風速和降雪速度等確定合理的加熱功率，達到既能起到理想的融雪化冰，滿足交通安全需求，又盡可能降低能耗的效果。因此，對橋面加熱功率的優化問題，具體優化分析情況如下。

2 橋面升溫速度與加熱功率的關系分析

分析在不同環境溫度下(－1℃、－3℃、－5℃)、風速(0.0m/s、1.5m/s、3.0m/s)，無降雪的情況下，橋面升溫速度與加熱功率的關系，分析結果如圖1～圖4所示。

由圖1可知:采取只對輪跡帶進行加熱時，加熱后橋面的溫度變化仍可分為3個階段，第一階段為滯后階段，在加熱后約2 h內，無論加熱功率多大，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。加熱功率相對較低的情況下(小于100 W/m2)，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;當加熱功率較大時(一般大于200 W/m2)，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。

通過以上分析可知，在不同環境下，橋面的合理加熱功率隨環境溫度的降低而增大，隨環境風速的增加而增大，為在3～5 h內將橋面溫度加熱至2℃以上，具體環境下的合理加熱功率和所需的加熱時間如表1所示。

圖1 環境溫度－3℃，風速3.0m/s不同加熱功率的升溫

圖2 環境溫度－1℃時升溫速度與加熱功率關系

圖3 環境溫度－3℃升溫速度與加熱功率關系圖

圖4 環境溫度－5℃升溫速度與加熱功率關系圖

表1 不同環境溫度下合理的加熱功率表

3 橋面穩態溫度與環境因素、加熱功率的關系分析

分析在不同環境溫度(－1℃、－3℃、－5℃)、風速(0.0m/s、1.5m/s、3.0m/s)，無降雪的情況下，加熱功率與橋面穩態溫度的關系，分析結果如圖5、圖6所示。

由圖5可知，采用輪跡線加熱方式后，橋面溫度呈現出近似正弦曲線規律變化，輪跡線中間溫度略高于輪跡線兩側，當輪跡線處橋面溫度達到2℃時，輪跡線以外的溫度多處在0℃以下。

在一定的環境溫度和環境風速情況下，橋面穩態溫度隨加熱功率的增加而呈線形規律增加。環境風速對橋面穩態溫度影響比較明顯，環境風速越大，在相同加熱功率情況下，橋面溫度越低。

在給定的橋梁結構形式和無降雪情況下，橋面加熱后的穩態溫度Tq與加熱功率Q、環境風速Vf的關系分別符合如下關系:

由此可得出在降雪情況下，計入單純融雪功率P后的理想加熱功率為:

式中:Te為環境溫度，℃;Tq為橋面溫度，℃;Vf為環境風速，m/s;P為單純融雪功率，W/m2;k為帶狀加熱調整系數，與加熱寬度br和橋面寬度b的比之有關，在本分析中取1.2。

通過以上分析，在不同環境溫度和環境風速下，維持橋面理想融雪化冰溫度(+2℃)的合理加熱功率如表2所示。

表2 不同環境下維持橋面理想融雪化冰溫度的合理加熱功率表

4 結論

(1)通過各種影響橋面輪跡線加熱除冰雪參數的綜合分析，得出在不同環境下，理想的橋面輪跡線加熱融冰雪過程分為橋面加熱升溫階段和穩態融冰雪階段。

(2)采用只對輪跡帶加熱的方式，不論是加熱升溫過程，還是穩態加熱保溫過程均是可行的，而且可以減少加熱電纜的鋪設成本。但這種加熱方式與全車道加熱方式相比，對車輛的通行能力有一定的影響。

(3)為了在給定環境下使加熱升溫過程既滿足具體工程對升溫時間(一般要求3～5 h)的要求，又要滿足橋梁工作狀態的要求，不因加熱引起超過規范規定的溫差，同時使整個加熱融冰雪過程的能耗最低，橋面加熱除冰雪在各加熱階段的理想加熱功率如表3所示。

表3 不同環境下各加熱階段的理想加熱功率表

［1］ 唐祖全，李卓球．導電混凝土電熱除冰化雪的功率分析［J］．重慶建筑大學學報，2002，24(3):102－105

［2］ 國銳．發熱電纜用于橋面融雪化冰的系統研究［D］．北京建筑工程學院，2006