一種新型橋梁除冰雪系統的淺析

魯寬

摘 要：2008年初惡劣的冰雪天氣導致中國大部分地區的運輸系統大面積癱瘓，給人民生活和社會經濟帶來巨大損失，這也表明我國在道路除冰方法的研究方面亟需加強。因此一種經濟有效的除冰雪系統的建立已成為當務之急。本文試提出一種新型橋梁除冰雪系統，以達到提高通行質量，減少事故數量，經濟環保的目的。

關鍵詞：橋梁；除冰雪；發熱電纜；經濟環保

交通運輸業是國民經濟和社會發展的動脈，公路運輸又是交通運輸業的重要組成部分。在冬季，道路橋梁若產生積雪、覆冰對交通安全將會產生嚴重的影響，輕則封路，重則造成重大交通事故，進而會造成巨大的直接經濟損失和不利的社會影響。因此一種經濟環保的高速公路除冰雪系統的建立已成為重中之重，而橋梁系統因其結構特征和施工技術的特殊性，使其系統設計和建設成為關鍵問題。目前國內在橋梁方除冰雪技術方面的研究還比較欠缺。本文結合橋梁結構和現行的除冰雪技術提出一種具有除冰雪功能的橋。

1 道路橋梁除冰雪現狀

目前世界各國采用的融雪技術分為被動抑制路面冰雪技術和主動除雪技術。國內常用的除冰雪為為被動抑制路面冰雪技術，其方法主要有：物理方法除冰雪、化學除冰雪和機械除冰雪。主動除雪技術是指通過道路橋梁的特殊功能去達到除雪的目的。

1.1 被動除雪技術

1.1.1物理方法除冰雪

通過加熱使路面的冰雪融化達到去除冰雪的方法，加熱方式主要有兩種；電加熱和加熱車加熱。電加熱是指在施工過程中預先普通混凝土中添加一定導電組成材料，使之成為通電導體，可通電加熱。當降雪量和薄冰效果較當降雪量較大時，其融化速度慢，效率低，能耗大，且融化出的大量的水又可能會由于清除不及時而再次結冰，影響了清除冰雪的效果，因此實際應用中不常用。加熱車加熱是指吹雪車仍可依靠發動機出風口噴出的幾百攝氏度的高溫氣體來融化冰雪。但這種使用這種加熱車排出高溫氣體來融冰雪的車成本很高，并且容易燒傷路邊綠化帶，不實用。

1.1.2化學方法除冰雪

化學法除冰雪是通過給路面撤布一定量的防凍結化學材料，如鹽（NaCI，CaCl2）或其它新型融雪劑來是路面冰雪融化?；瘜W法使用方便，能同時防凍，但是法學法同樣有很大的不足，如撒融雪劑除冰學對鋼筋混凝土橋梁影響非常大，。美國使用撒融雪劑（除冰鹽）來除冰雪，在橋梁在使用5-10年即發生鋼筋銹蝕，每年維修這些橋梁的費用達幾百億美元。除此之外，融雪劑還對植被、土壤、水源有極大的破壞作用。目前我國很多地區已經限制使用。

1.1.3機械除冰雪

機械除冰法是利用機械裝置對冰雪的直接作用來達到融化冰雪的目的。如滾筒式破冰機、垂片式除冰機、抽打式除冰機和仿生學式除冰機等來清除經過碾壓的積雪以及同路面結合緊密的積冰雪。但是其存在明顯的的缺陷，除靜率低，且對于積冰雪與路面結合緊密時，如果除冰機械的動力太小，不能使冰與路面分離，過大則又易損傷路面。

1.2 主動除雪技術

主動融冰雪技術則是通過路面的特殊功能來除冰雪，如能量轉化型融冰雪技術是指通過能量轉化設備，將其他形式的能量轉化為熱能，達到融雪化冰的目的，可以利用的能量主要有地熱能、工業電能和太陽能等多種能量。但是由于受能量來源的限制，目前在世界范圍內應用較少。

1.3 新型橋梁除雪技術的提出

在車輪跡區預先嵌設有多段蛇形布置的發熱電纜或電阻絲，并在橋梁上設置溫度傳感器，當溫度低于某個限值時，電熱絲可以自動對橋梁進行加熱進而達到除冰雪的目的。這種方法的有點是能夠快速融化冰雪且對橋梁結構無破壞作用，是一種經濟環保的融雪除雪技術。

2 新型除雪技術的具體內容

2.1 新型除雪技術的具體實施

在道路結構層內先鋪設粗礫式瀝青混凝土或類似材料，再根據工藝要求鋪設一定功率的發熱電纜或電阻絲，然后再鋪設厚度為50 mm左右的細礫式瀝青混凝土.在瀝青混凝土層表面上車輪經常碾壓的區域稱為車輪跡區，在瀝青混凝土層內嵌設有多段蛇形布置的加熱絲，每段加熱絲并聯連接，在橋體內嵌設有與車輪跡區相對應的隔熱層，所述隔熱層位于加熱絲下方，在瀝青混凝土層內對應每段加熱絲嵌設有一個或多個溫度傳感器，在橋體的一端設有與加熱絲電連接的加熱控制裝置，加熱控制裝置設有控制模塊，所述控制模塊接收溫度傳感器的溫度信號并根據該溫度信號對加熱絲的加熱狀態進行調控。如前述，當溫度低于某個限值時，溫度傳感器可以自動感溫識別，進而對橋梁進行加熱用于道路融雪化冰。

2.2 新型除雪技術模型

2.2.1工作原理

發熱電纜加熱系統是以電力為能源，發熱電纜或電阻絲為發熱體，將電能轉換為熱能，通過結構層的導熱將熱量傳到橋梁表面，再通過橋梁表面與冰雪之間的顯熱和潛熱交換進行融雪化冰。

當電源連通后，發熱電纜產生熱量，溫度升高，同時熱量通過瀝青混凝土傳遞給冰、雪層，使其吸熱升溫，從而達到融雪化冰的效果.該問題涉及到有關熱傳導的計算，即在一定的控制微分方程和邊界條件下，求解物體內部的溫度場或溫度分布。

2.2.2電熱絲鋪設方式

發熱電纜或電阻絲一般采用蛇形鋪裝方式，如圖1所示。

2.2.3發熱電阻絲規格

查文獻知：當鋪裝功率為250～350w/rm2，即可滿足一般情況下的融雪化冰要求?？紤]一定的熱量損失后確定發熱電纜的設計功率為330W/m2。進而根據電纜生產廠家提供的資料，發熱電纜的線功率為30W/m即可達到除去冰雪的效果。

2.3 新型除雪技術的理論支持

查文獻可知：利用采用 ANSYS 中 FLUENT 模塊進行傳熱的數值模擬， 采用穩態計算方法，綜合考慮主梁位移、 主梁順橋向正應力、主梁橫橋向正應力、 主應力等結構響應等得出結論，電纜融冰雪溫度荷載與規范溫度效應基本相當，因此可初步認為采用本文所述的發熱電纜或電阻絲融冰雪方案產生的溫度荷載不會損壞橋梁結構的安全性。

2.4 新型除雪技術的優點

新型除雪技術通過在橋體內嵌設加熱絲、溫度傳感器及其相配合作用達到了對橋體表面冰雪的實時監測并能夠有效地針對車輪跡區進行集中快速加熱，在保證了原有橋體結構要求的前提下，節約了運營養護成本，從而實現了一種節能環保、維護簡單、夠及時有效地將橋面上的冰雪清除掉而保證正常通車的具有除冰雪功能的橋。

3 結束語

本文簡述了一種新型橋梁除冰雪技術，此技術北歐國家已經有所應用，在我國尚處于理論研究階段。發熱電纜法作為徹底去除冰雪方法的一種，能源供應充足，在冰雪時間長的北方地區，具有很大的適用性。這是一種非常有前景的融雪技術。利用發熱電纜融雪化冰，單位路面鋪裝功率與融雪效果是成比例的，但必須考慮施工的可行性和投資經濟性，因此在保證電纜安全工作前提下，提高融雪效果的同時節約能源、合理投資。這對鋪裝功率的設計及其系統的控制提出要求.將本文給出的電纜融冰雪方法應用于實踐尚需在電纜溫度監測系統、橋面感溫系統、橋面溫度過熱自動斷電保護等方面進行研究。

參考文獻

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