桥面发热系统在除雪融冰中的应用研究

王峥嵘

摘要 为解决冬季桥面积雪积冰问题，文章结合公路路段实际情况，在简述桥面发热系统组成与原理的基础上，对融雪系统设计进行深入分析，内容包括桥面电缆结构设计、碳纤维发热线铺装技术标准、桥面布线、控制系统和配电系统，以期为相关人员提供参考。

关键词 桥面发热系统；桥面除雪融冰；发热系统施工

中图分类号 U446.1文献标识码A文章编号 2096-8949（2023）16-0011-03

0 引言

冬季桥面积雪积冰会严重影响行车安全，引发严重的交通事故，安装桥面发热系统能有效解决桥面积雪积冰问题，保证冬季桥面行车安全。而要想保证桥面发热系统的应用达到理想效果，有必要结合实例进行深入分析，明确具体的施工工艺方法和要点。

1 工程概况

某公路是省道，为一级公路，路面宽25 m，与主线偏角114.1°，净高5 m。设计、施工段落为K719+943～K720+546，发热电缆和碳纤维进行设计；设计长度603.58 m，发热电缆 345.54 m，碳纤维发热线为248.84 m，设计车道为超车道，3.75 m宽，行车道、紧急停靠带不安装。

2 融雪系统设计

2.1 主桥温度场

选取A点（发热线正上方路表位置）、B点（发热线外围）、C点（桥面板顶面）、D点（桥面板底面）作为箱体上方桥面分析点位，A1、B1、C1、D1为翼板桥面对应点位。温度场分布情况如图1～2所示，2时为发热电缆开启的时间。从温度分布云图中可以看出，发热电缆工作一段时间，温度场稳定后，道路结构层内发热线形成了稳定的发热面。

计算模拟了发热电缆开启了8 h桥面的温度场，从中可以看出，当外界温度设定为?4 ℃时，桥面层在发热线开启4.47 h后A点温度达到2 ℃，达到融雪化冰的温度，符合设计要求，227 W/m²的设计融雪功率能够达到有效融雪化冰效果。此时，碳纤维发热线外围B点温度也只有6.9 ℃，而C点温度为3.5 ℃，D点温度为?1.3 ℃。

当外界温度设定为?4℃时，桥面层在发热电缆开启4.48 h后A1点温度达到2 ℃，达到融冰化雪的温度，符合设计要求，227 W/m²的设计融雪功率能够达到有效融冰化雪效果。此时发热电缆外围B1点温度也只有6.8 ℃，而C1点温度为3.4 ℃，D1点温度为?1.2 ℃。

以上数据说明箱体上部桥面与箱体之间桥面存在温差，但是温差较小，在发热电缆开启初期D1点受到辐射作用相对D点升温较快，但是由于其对流换热系数较箱内D点要大，随着发热电缆和外界环境的作用，D点温度较D1点增加变快。

2.2 桥面电缆结构设计

为了研究桥面融雪化冰系统中发热电缆和碳纤维发热线的发热效率，参考国内外已有工程实例和后期运行效果，根据发热电缆和碳纤维发热线在超车道的铺设特点，数值模拟桥面温度场各点温度及其温度发展趋势，判断项目设置是否满足融雪除冰要求，表1为发热电缆和碳纤维发热线的铺设方案。

综合上述数据，确定ABAQUS数值模拟气象参数，外界环境温度为?4 ℃，日均气温取?2.5 ℃，气温日变幅为7.5 ℃。模拟中，沥青混凝土的导热系数设定为1.3 W/m、密度为2 100 kg/m3、比热容为1 680 J/（kg·K），水泥混凝土的导热系数设定为2.2 W/m、密度为2 500 kg/m3、比热容为840 J/（kg·K），碳纤维发热线的线功率25.3 W/m，表面的热流通量为1 241.3 W/m²，发热电缆的线功率

25 W/m，电缆表面的热流通量为1 225 W/m²。

研究表明，在下雪前（一般可根據天气预报）将电源打开（提前几个小时），温度升高到2～3 ℃，一旦开始下雪，地面上的温度就可以将雪融化掉。根据工程当地的气象条件，计算在推荐安装功率下，不同室外温度条件下，温度升高到2～3 ℃所需的时间。一般认为预热时间在4～6 h是最为经济和接受的。预热时间的控制是评价整个融雪化冰系统的关键因素，预热时间的研究可以大大精简整个系统的工作周期。通过ABAQUS有限元软件模型对所提方案的预热时间以及桥面温度应力进行分析，研究不同方案下电缆的融雪时间及温度应力对桥面板的影响。

2.3 碳纤维发热线铺装技术标准

基于上述理论计算及相关实践铺设经验，发热电缆和碳纤维发热线铺装技术标准如表2所示。

2.4 桥面布线

由于考虑到发热线的抗拉、抗压强度，以及便于施工等特点，发热线的埋设深度一般位于桥面板调平层和铺装层之间。

2.4.1 发热电缆桥面布线

（1）安装层位：发热线安装在桥面混凝土找平层中上部6.5 cm处，固定于钢筋网上，安装完毕后铺装沥青混凝土，设计厚度是4.5 cm。

（2）发热线铺设设计：发热电缆桥面铺设采用纵铺设，分成3个区布设，引桥的2个区包含48根发热电缆，主线桥的一个区含21根发热电缆，电缆线距离边缘20 cm，电缆线管间距为11 cm，区与区之间间隔10 cm。

2.4.2 碳纤维发热线桥面布线

（1）安装层位：发热线安装在桥面混凝土找平层上部6.5 cm，同样固定于钢筋网上，安装完毕后铺装沥青混凝土，设计厚度是4.5 cm。

（2）发热线铺设设计：碳纤维发热线桥面铺设采用横向铺设，分成2个区布设，为引桥2个区，每个区包含31个发热面，主线桥一个区，含24个发热面，碳纤维发热线桥面铺设中，每个面布设16根碳纤维发热线，电缆线距离边缘10 cm，电缆线管间距为12.5 cm。

2.5 控制系统和配电系统

2.5.1 控制系统设计

该项目采用远程智能控制系统对桥面融雪化冰进行控制，控制系统包括远程控制专用PLC、触摸屏、模拟量输入模块、无线通讯模块、地温探头、电源开关等，电源开关连接发热电缆或碳纤维发热线。当桥面附近降雪时，操作人员通过远程控制电源开关给发热电缆或碳纤维发热线供电，使桥面加热系统保持恒温，可用手机短信随时查看现场电气设备的运行状况，当发热电缆或碳纤维发热线发生漏电、短路或过载时，系统自动发送报警短信到指定的值班人员手机上；待桥面附近降雪停止时，供热系统将继续工作一段时间，保证桥面融雪化冰的效果，使整个供热系统以最节能、安全、便捷的方式运行。

该项目采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系统，根据降雪预报，手机短信远程控发热电缆，并且通过预先埋设于桥面中的地温探头实时监测桥面内部温度，PLC控制系统根据地温探头收集的信号，控制配电箱供电使桥面内部保持恒温，既能达到融雪化冰的效果又能节约电能；同时将PLC与触摸屏连接，触摸屏上有外部环境温湿度和桥面各个区内部温度显示，通过人机界面操作，可现场实时对桥面内部加热温度参数进行调节。PLC控制系统中还加装了远程通信模块，可达到远程开关设备的功能，并且及时反馈现场设备运行状况，真正实现桥面融雪化冰的远程智能化控制。

该控制系统的特点：

（1）采用PLC可编程控制器和触摸屏连接，使整个控制系统可靠性提高。触摸屏可以实时显示温度值和发热线当前状态。

（2）该系统采用恒温控制，既能保证融雪化冰的效果，又能最大程度地节约电能[1]。

（3）灵活的手动和自动切换。自动模式启动后可通过触摸屏设置需要的温控参数值，系统会自动进入恒温控制模式。

（4）温度采集的可靠性。采用控制温度和参考温度两个数值，分别通过安装在路面下的傳感器实时采集的温度值，然后通过特定算法，把合理温度值作为最终控制标准。

（5）实时报警功能。当碳纤维发热线发生短路或过载时，PLC会自动报警，同时触摸屏也会记录此次故障，并通知故障发生原因。温度传感器出现问题时，触摸屏也会及时提示更换新的传感器。

（6）五路加热系统分散控制，分散控制系统时，五路单独进入各自开启。

（7）采用无线通信模块，可以通过手机进行远程通信控制和监控，系统出现故障也会及时通过短信反馈回来。当出现整个供电系统断电，手机也会收到相应信息，确保控制可靠性。

（8）加热时间可以根据天气预报进行远程灵活设置，当桥面积雪融化掉时会自动停止电缆加热。

2.5.2 配电系统设计

该项目施工段为单幅超车道，K719+943～K720+546，共分为5个区施工，每个区长度分别为124 m、124 m、96.7 m、124 m和124 m；发热电缆铺设施工段为其中的124 m、124 m、96.7 m，碳纤维发热线为剩余两段124 m、124 m；整个施工段共用一个箱变系统，动力柜内共设置7条电路，3条给发热电缆配电箱供电，2条给碳纤维发热线配电箱供电，多设置一条给PLC控制系统供电，最后剩余一条留作备用。

（1）发热电缆配电系统设计：

①设计桥梁铺设总长345.54 m，分为3区控制：单边引桥2个区，每个区包含28根发热电缆；主线桥1个区，包含21根发热电缆。共有77根发热线连接到3个配电箱中，动力柜给3个配电箱分配电能[2]。

②动力柜初步设计在主线桥K720+242桥墩正前方68.0 m高压杆位置。通过一个630 kVA变压器连接高压线，将高压转化为低压为线缆提供动力，电源采用380 V的三相五线制。动力柜中主要包含总开关、电能表、万能式断路器、互感线圈和铜排等。动力柜给引桥的2个配电箱分配电能，每个配电箱分配功率98 kW。主线桥的1个配电箱分配电能，配电箱分配功率73.5 kW。配电箱必须安装漏电保护器。动力柜到施工路段3个配电箱的配电线路用钢绞丝架空的方式，引到引桥的2个配电箱导线型号为YJV?4*70 mm²+1*35 mm²，引到主线桥的1个配电箱导线型号为YJV?4*50 mm²+1*25 mm²。

③3个配电箱可设置于中央分隔带下方桥墩上，分散放置有利于节约导线，3个配电箱共控制77根发热电缆，其中引桥的2个区，每个区含28根发热电缆，每根电缆分配功率3.5 kW；主线桥的1个区，含21根发热电缆，每根电缆分配功率3.5 kW，发热电缆的冷线型号采用BV3*4 mm²。配电线用塑料管做穿线保护，沿桥墩上行连接到配电箱上。配电箱由断路器、交流接触器（线圈电压220 V）、漏电保护器和空气开关组成[3]。PLC控制系统通过铺设于桥面内的地温探头，实时监测桥面内温度，当桥面内部温度达到设定值后，交流接触器断开发热线的电源，发热线停止加热，当路面温度低于温度设定值时，交流接触器接通发热电缆的电源，发热电缆开始加热，这样往复运行[4]。

（2）碳纤维发热线。在该项目中，施工桥面长248.54 m，总共需要992根碳纤维发热线，分成2个区布设。引桥的2个区，每个区包含31个发热面。每个面布设16根碳纤维发热线。每个区配备一个配电箱，共设置2个配电箱，每个配电箱内安装有交流接触器，由动力柜给这2个配电箱供电。动力柜内设置4条电路，其中2条分别接2个配电箱，每个配电箱内安装有断路器、漏电保护器、交流接触器和空气开关。

3 结语

综上所述，铺设桥面发热系统是解决冬季桥面积雪积冰问题的有效措施，目前该系统得到了越来越广泛的应用。以上结合公路路段实际情况，对桥面发热系统具体应用进行了初步分析与总结，旨在为其他工程对桥面发热系统的应用提供可靠技术参考，使该系统的应用达到理想效果。

参考文献

[1]张提勇， 董艳涛， 陈仁山， 等. 桥面发热电缆防冰及融冰试验研究[J]. 山东交通科技， 2021（1）： 129-134.

[2]卜胤， 周昌， 王斯倩， 等. 碳纤维发热桥面热量耗散分析[J]. 中外公路， 2020（5）： 311-315.

[3]李荣清， 邹秀宝， 张恺. 桥面碳纤维发热融雪化冰系统影响因素分析[J]. 交通科技， 2019（1）： 63-66.

[4]高明明. 发热电缆布设方式对桥面融冰化雪的影响分析[J]. 现代交通技术， 2018（2）： 59-61+66.