T梁桥下贴保温板加热除冰雪的可行性分析

王春清，朱洪泉

(长治高速公路有限责任公司，山西长治046000)

路面积雪、覆冰均对公路交通安全和通行能力都产生严重的影响，采用氯盐类融雪剂进行除雪融冰，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。采取何种除冰雪方案，达到既先进、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。为此本文提出采取桥梁电加热除冰雪技术，为减小敷设加热电缆对交通的影响，降低电缆腐蚀成本，提出在T梁翼缘板下面粘贴加热电缆方案，降低加热能耗和在T梁下面粘贴聚苯保温板进行保温的具体操作方案。根据高速公路常用T梁的具体截面型式，提出如图1所示的布设方式，即在相邻两片T梁之间纵向布设7条加热加热电缆。

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的T梁桥，桥面混凝土找平层厚度15 cm，沥青混凝土桥面铺装层厚度10 cm，T梁下贴10 cm厚聚苯保温板，分析模型中混凝土的导热系数如表1所示，分析模型如图1所示。

图1 梁底贴保温板加热电缆布设示意

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，对流换热系数和项变边界取值如下。

(1)对流换热系数: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。①梁外表面hw=5.6+4Vf;②梁内表面hn=2.17+3.5Vf，式中Vf为环境风速。

表1 分析模型材料参数表

(2)项变边界:在本课题的分析中，没涉及冰雪的项变边界问题，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

混凝土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2～图4所示。由此可知:

(1)采用在T梁翼缘板下布置加热加热电缆并粘贴保温板对桥面进行加热时，加热后桥面的温度变化虽然仍可分为3个阶段。第一阶段为滞后阶段，所需的时间明显比加热电缆埋深5 cm(埋在沥青混凝土桥面铺装层内)的滞后时间长得多，在加热后约6～8 h内，桥面温度几乎没变化;第二阶段为升温阶段，但桥面的升温速度非常慢，约需要5 d时间才能完成;第三阶段为平衡阶段，在加热约5 d以后桥面温度趋于平衡。

(2)加热功率对桥面的升温有较大的影响，当加热功率过低时，由于加热功率低于热量损失的速度，桥面永远不能升温至2℃。但由于加热电缆距离桥面比较远，加之沥青混凝土的导热性能比较差，当加热功率过大时，加热功率的大小对桥面升温至2℃的时间影响反而比较小。在可能的加热功率情况下，要想使桥面温度升至2℃是不可能的。

(3)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。

(4)当桥面升温至2℃时，加热层的温度已经非常高。当环境温度为－3℃，环境，风速为3.0 m/s时，加热功率为200W/m2时，经过64 h，桥面温度升至2℃，此时梁内最高温度达45℃以上;加热功率为500W/m2时，经过24 h，桥面温度升至2℃，此时梁内最高温度达88℃以上。由此可见采用T梁下粘贴保温板的方式进行桥面加热时，在加热升温过程中引起的桥面温差已经严重超过了规范规定的温度梯度荷载，这对T梁的受力状态会有较大的影响。

图2 环境温度－3℃，风速3.0 m/s桥面升温至2℃时的温度分布云图

2.2 桥面加热稳态阶段分析

不同环境温度(－1℃、－3℃)、风速(0.0 m/s、1.5 m/s、3.0 m/s)，无降雪的情况下，加热功率与桥面稳态温度的关系如图5和图6所示，由此可知:

图3 环境温度－3℃，风速3 m/s桥面升温时程

图4 桥面升温至2℃时加热时间与加热功率的关系

(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形规律增加。

(2)同样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。

图5 －1℃下桥面稳态平均温度、温差与加热功率、风速的关系

图6 －3℃下桥面稳态平均温度、温差与加热功率、风速的关系

3 结论

本文从降低铺设桥面加热电缆的施工成本，减小对交通的影响角度出发，提出在T梁翼缘板下面粘贴加热电缆方案，同时为减少热量损失，降低加热能耗，拟在T梁下面粘贴聚苯保温板进行保温，通过对加热升温过程和稳态保温过程的详细分析，可得出如下重要结论。

(1)采用在T梁翼缘板下布置加热加热电缆并粘贴保温板对桥面进行加热时，桥面的升温速度比较慢，第一阶段(滞后阶段)的时间比较长，在加热后约6～8 h内，桥面温度几乎没变化，第二阶段(升温阶段)约需要5 d时间才能完成。

(2)由于加热电缆距离桥面比较远，沥青混凝土传导热系数较低，在可能的加热功率情况下，要想使桥面温度升至2℃是不可能的。

(3)在稳态加热保温的过程中，要使得桥面温度维持2℃以上，当加热功率过大时在加热升温过程中引起的桥面温差已经严重超过了规范规定的温度梯度荷载，因此会对桥梁的受力状态产生不利影响。

综上所述，采用在T梁翼缘板下布置加热电缆并粘贴聚苯保温板对桥面进行加热的方式是不可行的。

[1]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

[2]武海琴.发热电缆用于路面融雪化冰的技术研究[D].北京工业大学，2005:1－7

[3]Sherif Y.，Christopher Y and David F.etal.Conductive concrete overlay for bridge deck deicing:Mixing proportioning，optimizing and properties.ACU Materials Journal.2000，(97):172－181