沥青混凝土桥面轮迹带电加热可行性分析

朱洪泉，王春清

路面积雪、覆冰均对高速公路的通行能力和交通安全产生严重影响，轻则封路，重则造成严重的交通事故，甚至影响国防安全，进而造成巨大的直接经济损失和不良的社会影响。据统计，全国每年高等级公路因冰、雪引起的直接经济损失数亿元。如2008年初的雪灾，仅京珠高速公路粤北段就损毁里程约30 km，经济损失达30 854万元。目前我国路面除雪融冰技术仍以人工、化学和机械方式为主，而这些方式既污染环境，又容易引起桥梁结构腐蚀，缩短桥梁寿命，还会造成路面桥面的损坏，增加后期养护成本。因此如何解决目前公路除冰雪问题，既不腐蚀道路结构，又不破坏环境，同时节约运营养护成本是目前亟待解决的问题。为减少加热能耗，降低加热成本，本文提出采用在行车道轮迹带铺设加热电缆进行加热，对沥青混凝土桥面进行物理融雪。

1 桥面带电加热的物理模型

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60－2004)规定，车辆中后轮的着地宽度及长度为60 cm×20 cm，根据调查一般情况下车道轮迹线的宽度在80 cm以内，因此设置加热电缆宽度为80 cm。以沥青混凝土桥面铺装为分析对象，沥青混凝土桥面铺装厚度为10 cm，加热电缆埋设深度为5 cm，间距为15 cm，每条轮迹线布设6条加热电缆。为了保证桥面加热对桥梁工作状态的影响控制在规范允许范围内，尽可能降低加热阶段的能耗，缩短加热阶段的时间，应进行桥面升温速度与加热功率的关系分析。在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，达到既能起到理想的融雪化冰，满足交通安全需求，又尽可能降低能耗的效果。因此，对桥面加热功率的优化问题，具体优化分析情况如下。

2 桥面升温速度与加热功率的关系分析

分析在不同环境温度下(－1℃、－3℃、－5℃)、风速(0.0m/s、1.5m/s、3.0m/s)，无降雪的情况下，桥面升温速度与加热功率的关系，分析结果如图1～图4所示。

由图1可知:采取只对轮迹带进行加热时，加热后桥面的温度变化仍可分为3个阶段，第一阶段为滞后阶段，在加热后约2 h内，无论加热功率多大，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。加热功率相对较低的情况下(小于100 W/m2)，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;当加热功率较大时(一般大于200 W/m2)，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。

通过以上分析可知，在不同环境下，桥面的合理加热功率随环境温度的降低而增大，随环境风速的增加而增大，为在3～5 h内将桥面温度加热至2℃以上，具体环境下的合理加热功率和所需的加热时间如表1所示。

图1 环境温度－3℃，风速3.0m/s不同加热功率的升温

图2 环境温度－1℃时升温速度与加热功率关系

图3 环境温度－3℃升温速度与加热功率关系图

图4 环境温度－5℃升温速度与加热功率关系图

表1 不同环境温度下合理的加热功率表

3 桥面稳态温度与环境因素、加热功率的关系分析

分析在不同环境温度(－1℃、－3℃、－5℃)、风速(0.0m/s、1.5m/s、3.0m/s)，无降雪的情况下，加热功率与桥面稳态温度的关系，分析结果如图5、图6所示。

由图5可知，采用轮迹线加热方式后，桥面温度呈现出近似正弦曲线规律变化，轮迹线中间温度略高于轮迹线两侧，当轮迹线处桥面温度达到2℃时，轮迹线以外的温度多处在0℃以下。

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。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。

在给定的桥梁结构形式和无降雪情况下，桥面加热后的稳态温度Tq与加热功率Q、环境风速Vf的关系分别符合如下关系:

由此可得出在降雪情况下，计入单纯融雪功率P后的理想加热功率为:

式中:Te为环境温度，℃;Tq为桥面温度，℃;Vf为环境风速，m/s;P为单纯融雪功率，W/m2;k为带状加热调整系数，与加热宽度br和桥面宽度b的比之有关，在本分析中取1.2。

通过以上分析，在不同环境温度和环境风速下，维持桥面理想融雪化冰温度(+2℃)的合理加热功率如表2所示。

表2 不同环境下维持桥面理想融雪化冰温度的合理加热功率表

4 结论

(1)通过各种影响桥面轮迹线加热除冰雪参数的综合分析，得出在不同环境下，理想的桥面轮迹线加热融冰雪过程分为桥面加热升温阶段和稳态融冰雪阶段。

(2)采用只对轮迹带加热的方式，不论是加热升温过程，还是稳态加热保温过程均是可行的，而且可以减少加热电缆的铺设成本。但这种加热方式与全车道加热方式相比，对车辆的通行能力有一定的影响。

(3)为了在给定环境下使加热升温过程既满足具体工程对升温时间(一般要求3～5 h)的要求，又要满足桥梁工作状态的要求，不因加热引起超过规范规定的温差，同时使整个加热融冰雪过程的能耗最低，桥面加热除冰雪在各加热阶段的理想加热功率如表3所示。

表3 不同环境下各加热阶段的理想加热功率表

［1］ 唐祖全，李卓球．导电混凝土电热除冰化雪的功率分析［J］．重庆建筑大学学报，2002，24(3):102－105

［2］ 国锐．发热电缆用于桥面融雪化冰的系统研究［D］．北京建筑工程学院，2006