一种新型桥梁除冰雪系统的浅析

鲁宽

摘 要：2008年初恶劣的冰雪天气导致中国大部分地区的运输系统大面积瘫痪，给人民生活和社会经济带来巨大损失，这也表明我国在道路除冰方法的研究方面亟需加强。因此一种经济有效的除冰雪系统的建立已成为当务之急。本文试提出一种新型桥梁除冰雪系统，以达到提高通行质量，减少事故数量，经济环保的目的。

关键词：桥梁；除冰雪；发热电缆；经济环保

交通运输业是国民经济和社会发展的动脉，公路运输又是交通运输业的重要组成部分。在冬季，道路桥梁若产生积雪、覆冰对交通安全将会产生严重的影响，轻则封路，重则造成重大交通事故，进而会造成巨大的直接经济损失和不利的社会影响。因此一种经济环保的高速公路除冰雪系统的建立已成为重中之重，而桥梁系统因其结构特征和施工技术的特殊性，使其系统设计和建设成为关键问题。目前国内在桥梁方除冰雪技术方面的研究还比较欠缺。本文结合桥梁结构和现行的除冰雪技术提出一种具有除冰雪功能的桥。

1 道路桥梁除冰雪现状

目前世界各国采用的融雪技术分为被动抑制路面冰雪技术和主动除雪技术。国内常用的除冰雪为为被动抑制路面冰雪技术，其方法主要有：物理方法除冰雪、化学除冰雪和机械除冰雪。主动除雪技术是指通过道路桥梁的特殊功能去达到除雪的目的。

1.1 被动除雪技术

1.1.1物理方法除冰雪

通过加热使路面的冰雪融化达到去除冰雪的方法，加热方式主要有两种；电加热和加热车加热。电加热是指在施工过程中预先普通混凝土中添加一定导电组成材料，使之成为通电导体，可通电加热。当降雪量和薄冰效果较当降雪量较大时，其融化速度慢，效率低，能耗大，且融化出的大量的水又可能会由于清除不及时而再次结冰，影响了清除冰雪的效果，因此实际应用中不常用。加热车加热是指吹雪车仍可依靠发动机出风口喷出的几百摄氏度的高温气体来融化冰雪。但这种使用这种加热车排出高温气体来融冰雪的车成本很高，并且容易烧伤路边绿化带，不实用。

1.1.2化学方法除冰雪

化学法除冰雪是通过给路面撤布一定量的防冻结化学材料，如盐（NaCI，CaCl2）或其它新型融雪剂来是路面冰雪融化。化学法使用方便，能同时防冻，但是法学法同样有很大的不足，如撒融雪剂除冰学对钢筋混凝土桥梁影响非常大，。美国使用撒融雪剂（除冰盐）来除冰雪，在桥梁在使用5-10年即发生钢筋锈蚀，每年维修这些桥梁的费用达几百亿美元。除此之外，融雪剂还对植被、土壤、水源有极大的破坏作用。目前我国很多地区已经限制使用。

1.1.3机械除冰雪

机械除冰法是利用机械装置对冰雪的直接作用来达到融化冰雪的目的。如滚筒式破冰机、垂片式除冰机、抽打式除冰机和仿生学式除冰机等来清除经过碾压的积雪以及同路面结合紧密的积冰雪。但是其存在明显的的缺陷，除静率低，且对于积冰雪与路面结合紧密时，如果除冰机械的动力太小，不能使冰与路面分离，过大则又易损伤路面。

1.2 主动除雪技术

主动融冰雪技术则是通过路面的特殊功能来除冰雪，如能量转化型融冰雪技术是指通过能量转化设备，将其他形式的能量转化为热能，达到融雪化冰的目的，可以利用的能量主要有地热能、工业电能和太阳能等多种能量。但是由于受能量来源的限制，目前在世界范围内应用较少。

1.3 新型桥梁除雪技术的提出

在车轮迹区预先嵌设有多段蛇形布置的发热电缆或电阻丝，并在桥梁上设置温度传感器，当温度低于某个限值时，电热丝可以自动对桥梁进行加热进而达到除冰雪的目的。这种方法的有点是能够快速融化冰雪且对桥梁结构无破坏作用，是一种经济环保的融雪除雪技术。

2 新型除雪技术的具体内容

2.1 新型除雪技术的具体实施

在道路结构层内先铺设粗砾式沥青混凝土或类似材料，再根据工艺要求铺设一定功率的发热电缆或电阻丝，然后再铺设厚度为50 mm左右的细砾式沥青混凝土.在沥青混凝土层表面上车轮经常碾压的区域称为车轮迹区，在沥青混凝土层内嵌设有多段蛇形布置的加热丝，每段加热丝并联连接，在桥体内嵌设有与车轮迹区相对应的隔热层，所述隔热层位于加热丝下方，在沥青混凝土层内对应每段加热丝嵌设有一个或多个温度传感器，在桥体的一端设有与加热丝电连接的加热控制装置，加热控制装置设有控制模块，所述控制模块接收温度传感器的温度信号并根据该温度信号对加热丝的加热状态进行调控。如前述，当温度低于某个限值时，温度传感器可以自动感温识别，进而对桥梁进行加热用于道路融雪化冰。

2.2 新型除雪技术模型

2.2.1工作原理

发热电缆加热系统是以电力为能源，发热电缆或电阻丝为发热体，将电能转换为热能，通过结构层的导热将热量传到桥梁表面，再通过桥梁表面与冰雪之间的显热和潜热交换进行融雪化冰。

当电源连通后，发热电缆产生热量，温度升高，同时热量通过沥青混凝土传递给冰、雪层，使其吸热升温，从而达到融雪化冰的效果.该问题涉及到有关热传导的计算，即在一定的控制微分方程和边界条件下，求解物体内部的温度场或温度分布。

2.2.2电热丝铺设方式

發热电缆或电阻丝一般采用蛇形铺装方式，如图1所示。

2.2.3发热电阻丝规格

查文献知：当铺装功率为250～350w/rm2，即可满足一般情况下的融雪化冰要求。考虑一定的热量损失后确定发热电缆的设计功率为330W/m2。进而根据电缆生产厂家提供的资料，发热电缆的线功率为30W/m即可达到除去冰雪的效果。

2.3 新型除雪技术的理论支持

查文献可知：利用采用 ANSYS 中 FLUENT 模块进行传热的数值模拟， 采用稳态计算方法，综合考虑主梁位移、 主梁顺桥向正应力、主梁横桥向正应力、 主应力等结构响应等得出结论，电缆融冰雪温度荷载与规范温度效应基本相当，因此可初步认为采用本文所述的发热电缆或电阻丝融冰雪方案产生的温度荷载不会损坏桥梁结构的安全性。

2.4 新型除雪技术的优点

新型除雪技术通过在桥体内嵌设加热丝、温度传感器及其相配合作用达到了对桥体表面冰雪的实时监测并能够有效地针对车轮迹区进行集中快速加热，在保证了原有桥体结构要求的前提下，节约了运营养护成本，从而实现了一种节能环保、维护简单、够及时有效地将桥面上的冰雪清除掉而保证正常通车的具有除冰雪功能的桥。

3 结束语

本文简述了一种新型桥梁除冰雪技术，此技术北欧国家已经有所应用，在我国尚处于理论研究阶段。发热电缆法作为彻底去除冰雪方法的一种，能源供应充足，在冰雪时间长的北方地区，具有很大的适用性。这是一种非常有前景的融雪技术。利用发热电缆融雪化冰，单位路面铺装功率与融雪效果是成比例的，但必须考虑施工的可行性和投资经济性，因此在保证电缆安全工作前提下，提高融雪效果的同时节约能源、合理投资。这对铺装功率的设计及其系统的控制提出要求.将本文给出的电缆融冰雪方法应用于实践尚需在电缆温度监测系统、桥面感温系统、桥面温度过热自动断电保护等方面进行研究。

参考文献

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