發(fā)熱電纜融冰溫度荷載對混凝土T梁受力的影響

林 穎, 袁銅森, 鄭 輝

(1.保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015；3.湖南工業(yè)大學，湖南 株洲 412007)

0 引言

橋梁屬于公路交通的“咽喉”，相比路面更容易結冰，目前常用的方法主要有如人工清掃、機械清除、撒鹽融化、撒砂抗滑等被動技術措施，但是這些措施都具有滯后性[1-6]。路面黑冰(薄冰)是我國中西部山區(qū)高速公路的災害性氣象之一，黑冰是由“凍雨”凝聚于低溫路面產(chǎn)生的冰層。凍雨黑冰具有面積大、硬度高、厚度薄、不易鏟除、不易察覺等特點，對交通具有嚴重的危害。同時由于黑冰是局部氣候受凍雨影響形成，這給氣象局的預測和高速公路的路政養(yǎng)護管理也帶來了很大的難度。各國對橋梁的抗冰問題作出了大量的研究，國外發(fā)熱電纜加熱融冰系統(tǒng)技術應用廣泛[7-8]。國內對于發(fā)熱電纜融冰研究還處于現(xiàn)場研究階段[9-10]。

發(fā)熱電纜融冰雪技術作為一種主動除冰雪技術可實現(xiàn)橋梁冰雪自動、及時清除。但是發(fā)熱電纜一般埋置在橋梁瀝青鋪裝層的下面層，融冰時發(fā)熱電纜產(chǎn)生的溫度荷載會對橋梁主體結構產(chǎn)生不利的影響。本文結合室內試驗、理論分析研究發(fā)熱電纜融冰溫度荷載對混凝土T梁受力的影響，并與規(guī)范溫度梯度荷載進行對比。

1 發(fā)熱電纜除冰雪技術

發(fā)熱電纜除冰技術是指在橋面瀝青層中布置發(fā)熱電纜，通電后電纜發(fā)熱，進而達到除冰融雪效果。 發(fā)熱電纜應滿足易安裝、耐高溫、安全耐老化、不污染環(huán)境等要求；經(jīng)比選，擬采用不銹管套管發(fā)熱電纜，發(fā)熱電纜的外徑6～8 mm，電纜線功率為30～35 W/m，發(fā)熱電纜鋪設間距根據(jù)設計負荷與發(fā)熱電纜線功率進行計算。典型發(fā)熱電纜路面結構構造如圖1所示，從上到下依次是瀝青混凝土上面層、發(fā)熱電纜、隔熱層、下面層、混凝土橋面板。綜合考慮傳熱效率和施工難易程度，發(fā)熱電纜一般布置在下面層與上面層的交界面上。為減少熱量向下擴散和損失，還需在下面層施工完畢后涂刷1 mm左右厚度的隔熱層。隔熱層的導熱系數(shù)為0.02～0.08 W/(m·K)，是路面用瀝青混凝土材料的3%～6%。

圖1 典型發(fā)熱電纜路面結構構造

2 工程背景

本項目以某高速公路簡支變連續(xù)混凝土T梁橋作為研究對象，跨徑40 m，橋面全寬24.5 m，圖2為其斷面圖。該橋采用預制吊裝施工，結構連續(xù)或固結；位于曲線部分橋墩沿曲線徑向布置，預制梁按折線布置，在墩頂現(xiàn)澆連續(xù)段調整。主梁采用C50混凝土，橋面鋪裝為4 cm厚SMA-13，下面層為6 cm厚AC-20。

圖2 橋梁斷面圖(單位：mm)

3 計算模型

3.1 主要材料及計算參數(shù)

主梁的彈性模量為34 500 MPa，剪切模量為13 800 MPa，泊松比γ為0.2，軸心抗壓設計強度為22.4 MPa，抗拉設計強度1.83 MPa，熱膨脹系數(shù)為1×10-5/℃。

3.2 有限元模型

計算采用有限元分析軟件Midas FEA進行分析，T梁采用實體單元模擬。邊界條件為：中墩設置順橋向水平約束和豎向約束，其余幾個橋墩設置豎向約束，中梁均設置橫橋向約束。T梁采用實體單元模擬，網(wǎng)格間距約為10 cm，縱橋向網(wǎng)格基本間距為100 cm，共有實體單元89 600個。計算模型如圖3所示。

(a) 整體模型

3.3 計算工況

本文主要分析除冰溫度荷載對橋梁結構的影響，分析工況如表1所示。分析不同的除冰熱負荷下除冰溫度對T梁應力、撓度的影響。工況Ⅰ～工況Ⅳ0熱負荷分別為350、300、250、200 W/m2，對應的電纜間距分別為90、115、140、165 mm。除了計算發(fā)熱電纜溫度荷載的影響之外，本報告還對《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定的梁截面梯度溫差荷載(主梁日照溫差)進行計算分析(工況V)，通過對比規(guī)范溫度荷載和發(fā)熱電纜溫度荷載產(chǎn)生的橋梁結構響應，衡量發(fā)熱電纜溫度對橋梁結構受力影響的程度，對其可行性進行判斷。

表1 分析工況Table 1 Analysis case工況熱負荷/(W·m-2)電纜間距/mmT梁頂面溫度/℃熱力學模擬室內模型試驗工況Ⅰ?3509013.9315.20工況Ⅱ30011513.51—工況Ⅲ25014012.1212.50工況Ⅳ20016510.99—工況ⅤJTG D60梯度溫度(10 cm瀝青鋪裝)

除冰熱負荷產(chǎn)生的梯度溫度由熱力學分析和室內模型試驗確定。

4 溫度荷載

4.1 熱力學模擬

采用ANSYS中FLUENT模塊建立數(shù)值分析模型(圖4)[11-14]，對發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，并進行相應的數(shù)據(jù)分析，考慮不同發(fā)熱電纜間距。上面層SMA-13的導熱系數(shù)實測值為1.24 W/(m·K)，下面層AC-20的導熱系數(shù)實測值為1.67 W/(m·K)，隔熱層的導熱系數(shù)實測值為0.06 W/(m·K)，更多的熱力學分析參數(shù)取值可參考文獻[12]。

圖4 熱力學計算模型

圖5為工況I(發(fā)熱電纜間距為90 mm)時，T梁頂板溫度分布,熱力學模擬下各工況梯度溫度分布如圖6所示，T梁頂面溫度匯總在表1中。

圖5 工況I除冰荷載溫度分布

圖6 熱力學模擬下各工況梯度溫度分布

可以發(fā)現(xiàn)不同工況梯度溫度分布模式基本呈現(xiàn)非線性分布，與JTG D60規(guī)定的梁截面梯度溫差荷載的變化規(guī)律(圖6中工況V)基本類似，工況Ⅰ～Ⅳ熱力學模擬情況下的T梁頂面溫度分別為17.42、16.19、13.85、11.91 ℃。電纜間距越小T梁頂面溫度越大。

4.2 室內模型試驗

為驗證熱力學模擬的準確性，在環(huán)境可控的實驗室進行室內模型試驗[15-16]，通過布置溫度傳感器對不同工況(工況Ⅰ、工況Ⅲ)除冰過程中產(chǎn)生的溫度分布規(guī)律進行實測。室內模型試驗照片如圖7所示。本文僅對比除冰荷載產(chǎn)生的溫度梯度與熱力學模擬的情況，更詳細的有關室內模型試驗的參數(shù)和計算結果見文獻[16]。

圖7 室內模型試驗照片

室內模型試驗與熱力學模擬的結果對比如圖8所示，模型試驗工況Ⅰ、工況Ⅲ頂板溫度分別為15.2、12.5 ℃，與熱力學分析的差別分別為2.0%、5.8%。室內模擬試驗比有限元分析結果偏大，主要是因為室內模型試驗忽略了T梁底板下緣的熱交換。可以發(fā)現(xiàn)模型試驗與熱力學模擬結果吻合較好。接下來可采用熱力學模擬結果進行T梁受力影響分析。

圖8 室內模型試驗與熱力學模擬對比

5 溫度荷載對T梁的影響

將不同工況的溫度梯度荷載輸入FEA有限元分析模型，即可得到除冰溫度對T梁受力性能的影響。以工況I為例，溫度荷載下結構位移、順橋向正應力、橫橋向正應力、主應力云圖分別見圖9，受篇幅限制，云圖僅顯示支點附近云圖。

(a) 結構位移云圖

(d) 主應力云圖(中支點附近)

計算發(fā)現(xiàn)：工況I情況下，在布設電纜的范圍內，橋面板頂面始終受壓，不存在主拉應力，橋面板底面的最大主拉應力2.30 MPa，未布設電纜區(qū)域橋面板和腹板主拉應力在1.0 MPa以內。主壓應力最大值-3.90 MPa，發(fā)生在橋面板頂面處，在布設電纜的范圍內。各工況位移及應力計算結果見表2。

對比計算結果可以發(fā)現(xiàn)：規(guī)范溫度荷載作用下向上位移最大的位置位于邊跨，為3.4 mm。向下位移最大的位置在中跨，為2.5 mm。通過對發(fā)熱電纜融冰雪溫度荷載和橋梁通用規(guī)范溫度梯度荷載下橋梁結構的響應，可以發(fā)現(xiàn)：①與規(guī)范中的溫度梯度荷載相比，90 mm間距電纜產(chǎn)生的溫度荷載引起的結構位移要略小，小1 mm。②90 mm間距電纜產(chǎn)生的溫度荷載引起的引橋結構應力要比規(guī)范中溫度梯度荷載產(chǎn)生的應力小。③2種溫度荷載產(chǎn)生的剪應力均較小，可以忽略。由此可見，90 mm間距電纜融冰雪溫度荷載產(chǎn)生的結構響應與規(guī)范溫度梯度荷載產(chǎn)生的效應基本相當。初步認為90 mm間距電纜敷設方案不會影響橋梁結構的安全性，從引橋結構受力的角度來看，該方案基本可行。

表2 各工況位移及應力計算結果Table 2 Calculation results of displacement and stress in different case工況位移/mm順橋向應力/MPa橫橋向應力/MPa主拉應力/MPa主壓應力/MPa向上向下頂面馬蹄頂面底面頂面底面馬蹄頂面底面馬蹄工況I2.422.11-3.921.71-2.502.310.702.301.01-3.92-0.14-1.12工況II2.231.94-3.611.57-2.302.130.642.120.93-3.61-0.13-1.03工況III2.051.79-3.321.45-2.121.960.591.950.85-3.32-0.12-0.95工況IV1.881.64-3.051.33-1.951.800.551.790.79-3.05-0.11-0.87工況V3.422.51-5.422.54-3.823.12—3.232.62-5.41-0.52-1.14

6 結論

本文結合室內試驗、理論分析研究發(fā)熱電纜融冰溫度荷載對混凝土T梁受力的影響，并與規(guī)范溫度梯度荷載進行對比。分析結果表明：

a.熱力融冰雪荷載會在混凝土橋梁結構產(chǎn)生一正溫度梯度荷載，荷載大小與除冰熱負荷正相關，梯度溫度的最大值與融冰熱負荷正相關，當融冰熱負荷為350 W/m2(即發(fā)熱電纜間距為90 mm)時，融冰溫度梯度與規(guī)范日照正溫度梯度基本一致。

b.對于10 cm厚瀝青鋪裝，發(fā)熱電纜融冰熱負荷不大于350 W/m2時，融冰導致的溫度效應不超過規(guī)范規(guī)定的溫度梯度，融冰熱負荷大于350 W/m2時，應根據(jù)實際橋梁結構特點考慮熱力融冰雪荷載對橋梁結構安全性的影響。