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(zhǎng)治高速公路有限責(zé)任公司，山西長(zhǎng)治046000)

路面積雪、覆冰均對(duì)公路交通安全和通行能力都產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，采用氯鹽類融雪劑進(jìn)行除雪融冰，不僅對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重，致使后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用增加，嚴(yán)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(dá)到既先進(jìn)、環(huán)保，又不對(duì)既有路橋結(jié)構(gòu)造成腐蝕，是目前亟待解決的問(wèn)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(shè)加熱電纜對(duì)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(jìn)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(shè)方式，即在相鄰兩片T梁之間縱向布設(shè)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(duì)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(dǎo)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(shè)示意

1.2 邊界條件

在進(jìn)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(duì)流換熱系數(shù)和項(xiàng)變邊界取值如下。

(1)對(duì)流換熱系數(shù):參考Saetta試驗(yàn)結(jié)果和Enrigue試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)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(fēng)速。

表1 分析模型材料參數(shù)表

(2)項(xiàng)變邊界:在本課題的分析中，沒(méi)涉及冰雪的項(xiàng)變邊界問(wèn)題，而是參考文獻(xiàn)[9]將冰雪升溫及融化所需的功率P直接計(jì)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(guò)程分為加熱升溫階段和穩(wěn)態(tài)融雪化冰階段。對(duì)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(fēng)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(duì)橋面進(jìn)行加熱時(shí)，加熱后橋面的溫度變化雖然仍可分為3個(gè)階段。第一階段為滯后階段，所需的時(shí)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(shí)間長(zhǎng)得多，在加熱后約6～8 h內(nèi)，橋面溫度幾乎沒(méi)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(shí)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(duì)橋面的升溫有較大的影響，當(dāng)加熱功率過(guò)低時(shí)，由于加熱功率低于熱量損失的速度，橋面永遠(yuǎn)不能升溫至2℃。但由于加熱電纜距離橋面比較遠(yuǎn)，加之瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能比較差，當(dāng)加熱功率過(guò)大時(shí)，加熱功率的大小對(duì)橋面升溫至2℃的時(shí)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(duì)橋面達(dá)到理想融雪溫度所需時(shí)間有較大影響。隨著加熱功率的增加，橋面達(dá)到融雪化冰理想溫度所需的加熱時(shí)間隨之縮短;當(dāng)加熱功率過(guò)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(yuǎn)達(dá)不到理想融雪化冰溫度;當(dāng)加熱功率較低時(shí)，雖然橋面溫度可以達(dá)到0℃以上，但所需加熱時(shí)間隨加熱功率的減小而明顯增加;當(dāng)加熱功率達(dá)到一定限值后，由于瀝青混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低，橋面達(dá)到理想融雪化冰溫度所需的時(shí)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(dāng)橋面升溫至2℃時(shí)，加熱層的溫度已經(jīng)非常高。當(dāng)環(huán)境溫度為－3℃，環(huán)境，風(fēng)速為3.0 m/s時(shí)，加熱功率為200W/m2時(shí)，經(jīng)過(guò)64 h，橋面溫度升至2℃，此時(shí)梁內(nèi)最高溫度達(dá)45℃以上;加熱功率為500W/m2時(shí)，經(jīng)過(guò)24 h，橋面溫度升至2℃，此時(shí)梁內(nèi)最高溫度達(dá)88℃以上。由此可見(jiàn)采用T梁下粘貼保溫板的方式進(jìn)行橋面加熱時(shí)，在加熱升溫過(guò)程中引起的橋面溫差已經(jīng)嚴(yán)重超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的溫度梯度荷載，這對(duì)T梁的受力狀態(tài)會(huì)有較大的影響。

圖2 環(huán)境溫度－3℃，風(fēng)速3.0 m/s橋面升溫至2℃時(shí)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(fēng)速(0.0 m/s、1.5 m/s、3.0 m/s)，無(wú)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(fēng)速3 m/s橋面升溫時(shí)程

圖4 橋面升溫至2℃時(shí)加熱時(shí)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(fēng)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(fēng)速對(duì)橋面穩(wěn)態(tài)溫度影響比較明顯，環(huán)境風(fēng)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(fēng)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(fēng)速的關(guān)系

3 結(jié)論

本文從降低鋪設(shè)橋面加熱電纜的施工成本，減小對(duì)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(shí)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(jìn)行保溫，通過(guò)對(duì)加熱升溫過(guò)程和穩(wěn)態(tài)保溫過(guò)程的詳細(xì)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(duì)橋面進(jìn)行加熱時(shí)，橋面的升溫速度比較慢，第一階段(滯后階段)的時(shí)間比較長(zhǎng)，在加熱后約6～8 h內(nèi)，橋面溫度幾乎沒(méi)變化，第二階段(升溫階段)約需要5 d時(shí)間才能完成。

(2)由于加熱電纜距離橋面比較遠(yuǎn)，瀝青混凝土傳導(dǎo)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(guò)程中，要使得橋面溫度維持2℃以上，當(dāng)加熱功率過(guò)大時(shí)在加熱升溫過(guò)程中引起的橋面溫差已經(jīng)嚴(yán)重超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的溫度梯度荷載，因此會(huì)對(duì)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(duì)橋面進(jìn)行加熱的方式是不可行的。

[1]李炎鋒，胡世陽(yáng)，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(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)，2005:1－7

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