桥面物理除冰雪加热功率与环境因素关系分析

张文学， 李 茜， 杨 璐

(北京工业大学建筑工程学院，北京100124)

0 引言

路面积雪、覆冰均对公路通行能力和交通安全产生严重的影响，轻则封路，重则造成严重的交通事故，进而造成巨大的直接经济损失和不利的社会影响。目前我国多采用氯盐类融雪剂进行除雪融冰，每年有数千万吨的氯盐类融雪剂撒在公路上，流入公路两侧，不仅对桥梁结构腐蚀严重，致使后期养护费用增加，严重降低桥梁的使用寿命，而且造成公路两侧环境遭到破坏，植被枯死，饮用水遭到污染。

我国目前高速公路里程达到7.41万km，居世界第二位，且幅员辽阔，3/4的国土处于降雪、冰冻覆盖区。因此采取何种除冰雪方案，达到即先进、环保，又不对既有路桥结构造成腐蚀，是目前亟待解决的问题。本文提出采取在桥面铺装层内敷设加热电缆的方式进行物理除冰雪技术方案。虽然此方案在国外已经得到了成功的应用，但在国内还处于前期理论研究及试验阶段［1-3］，为此以常用的30 m T梁、沥青混凝土桥面的桥梁结构为分析对象，建立分析模型，分别进行了瞬态分析和稳态分析，得出了一些有意义的研究结论。

1 模型参数及边界条件

1.1 模型参数

本文分析对象为高速公路30 m T梁桥，单侧桥面宽度为11.49 m，桥面混凝土找平层厚度15 cm，沥青混凝土桥面铺装厚度10 cm，加热电缆的埋设深度为距沥青表面5 cm，布置间距位15 cm，分析模型中各材料参数如表1所示［4-6］。

表1 分析模型材料参数表

1.2 边界条件

在进行桥面加热分析中，假定桥梁的初始温度等于环境温度，对流换热系数和相变边界取值如下［7］。

(1)对流换热系数。虽然在工程应用中经常将综合换热系数作为常数处理［8-9］，但考虑到本文所分析的模型形状比较复杂，参考Saetta试验结果和Enrigue试验结果，对流换热系数h采用下式模拟。梁外表面hw=5.6+4Vf;梁内表面hn=2.17+3.5Vf，其中，Vf为环境风速。

(2)相变边界。融雪或化冰过程存在相变问题，一方面是冰或雪融化为水的“固-液”相变，另一方面是水蒸发的“液-气”相变。但由于冰、雪融化后一部分以液态方式流走;一部分通过相变，以气态方式蒸发掉，这使得桥梁表面的边界条件十分复杂，很难准确模拟。因此，在本课题的分析中，没计及冰雪的相变边界问题，而是参考文献［9］将冰雪升温及融化所需的功率P直接计入到稳态加热功率中。

2 加热功率与环境因素关系分析

桥面采用电加热物理除冰雪过程分为加热升温阶段和稳态融雪化冰阶段。对桥面加热功率与环境因素的关系分析结果如下。

2.1 桥面加热升温阶段

在不同环境温度(－1℃、－3℃)、风速(0.0 m/s、1.5 m/s、3.0 m/s)情况下，加热功率与桥面升温速度的关系分析结果如图1～图3所示，由此可知:

图1 环境温度－3℃，风速3 m/s桥面升温时程

图2 桥面升温至2℃时能耗耗与加热功率的关系

(1)加热后桥面的温度变化可划分为3个阶段，第一阶段为滞后阶段，在加热后约2 h内，桥面温度几乎没变化;第二阶段为升温阶段，在加热后2～24 h内，桥面温度上升较快;第三阶段为平衡阶段，在加热约24 h以后桥面温度趋于平衡。

(2)在加热功率相对较低的情况下，加热功率对第一阶段的时间有所影响，加热功率越低，第一阶段的时间越长;随着加热功率的增加，加热功率对第一阶段时间长短影响较小，也即通过增大加热功率来缩短加热滞后阶段的时间效果不明显。

(3)加热功率的大小虽然对第二阶段桥面升温速度影响较大，但对第二阶段的时间长短影响较小。

(4)环境温度越低，在相同风速和相同加热功率情况下，达到理想融雪化冰温度所需要的时间越长。风速越大热交换系数越大，在相同环境温度和加热功率的情况下，达到理想融雪化冰温度所需的时间也就越长。

图3 桥面升温至2℃所需加热时间与加热功率关系

(5)加热功率对桥面达到理想融雪温度时所消耗的能量有较大影响。当加热功率较低时，加热升温节段所消耗的能量随加热功率的减小而明显增加;但当加热功率过高时，由于沥青混凝土传导热系数较低，当桥面达到理想融雪化冰温度时，加热电缆所在的加热层的温度升温过高，致使加热所需的能量反而有所增加。

(6)加热功率对桥面达到理想融雪温度所需时间有较大影响，随着加热功率的增加，桥面达到融雪化冰理想温度所需的加热时间随之缩短;当加热功率过低的情况下，由于加热功率小于桥梁热量散失功率，因此桥面永远达不到理想融雪化冰温度;当加热功率较低时，虽然桥面温度可以达到0℃以上，但所需加热时间随加热功率的减小而明显增加;当加热功率达到一定限值后，由于沥青混凝土导热系数较低，桥面达到理想融雪化冰温度所需的时间虽然随着加热功率的增加而有所减小，但减小的幅度非常小。

2.2 桥面加热稳态阶段分析

在不同环境温度(－1℃、－3℃)、风速(0.0 m/s、1.5 m/s、3.0 m/s)情况下，加热功率与桥面稳态温度关系分析结果如图4所示，由此可知:

图4 桥面稳态温度与加热功率的关系

(1)在一定的环境温度和环境风速情况下，桥面稳态温度随加热功率的增加而呈线性规律增加。环境风速对桥面稳态温度影响比较明显，环境风速越大，在相同加热功率情况下，桥面温度越低。

(2)对常用的30 m T梁结构桥面加热后的稳态温度Tq与加热功率Q、环境风速Vf的关系符合如下关系

式中，Te为环境温度;Tq为桥面温度;Vf为环境风速;P为单纯融雪功率。

3 结论

提出在桥梁沥青路面铺装层内敷设加热电缆进行除冰雪的技术方案，为了达到理想的除冰雪效果，分析了加热阶段和稳态阶段加热功率与环境温度和环境风速之间的关系，由分析结果可知:

桥面加热升温过程明显地分为滞后、升温和稳态三个阶段，具体设计时，应满足桥梁受力要求的前提下，尽可能降低加热阶段的能耗，缩短加热阶段的时间。在稳态融雪化冰阶段应根据环境温度、环境风速和降雪速度等确定合理的加热功率，达到即能起到理想的融雪化冰效果，满足交通安全需求，又尽可能降低能耗。因此，采取桥面电加热物理除冰雪时，存在对桥面加热功率的优化问题，应根据具体的环境因素进行分析确定。

［1］Enrique Mirambell，Antonio Aguado.Temperature and tress distributions in concrete box girder bridges［J］.Journal of Structural Engineering，1990，116(9):2388-2409.

［2］李炎锋，胡世阳，武海琴，等.发热电缆用于路面融雪化冰的模型［J］.北京工业大学学报，2008，34(12):1298-1303.

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［7］李丹，董发勤.钢纤维石墨导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究［J］.建筑门窗与金属建材，2004(11):61-64.

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