朱洪泉，王春清

路面積雪、覆冰均對高速公路的通行能力和交通安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，輕則封路，重則造成嚴(yán)重的交通事故，甚至影響國防安全，進而造成巨大的直接經(jīng)濟損失和不良的社會影響。據(jù)統(tǒng)計，全國每年高等級公路因冰、雪引起的直接經(jīng)濟損失數(shù)億元。如2008年初的雪災(zāi)，僅京珠高速公路粵北段就損毀里程約30 km，經(jīng)濟損失達30 854萬元。目前我國路面除雪融冰技術(shù)仍以人工、化學(xué)和機械方式為主，而這些方式既污染環(huán)境，又容易引起橋梁結(jié)構(gòu)腐蝕，縮短橋梁壽命，還會造成路面橋面的損壞，增加后期養(yǎng)護成本。因此如何解決目前公路除冰雪問題，既不腐蝕道路結(jié)構(gòu)，又不破壞環(huán)境，同時節(jié)約運營養(yǎng)護成本是目前亟待解決的問題。為減少加熱能耗，降低加熱成本，本文提出采用在行車道輪跡帶鋪設(shè)加熱電纜進行加熱，對瀝青混凝土橋面進行物理融雪。

1 橋面帶電加熱的物理模型

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60－2004)規(guī)定，車輛中后輪的著地寬度及長度為60 cm×20 cm，根據(jù)調(diào)查一般情況下車道輪跡線的寬度在80 cm以內(nèi)，因此設(shè)置加熱電纜寬度為80 cm。以瀝青混凝土橋面鋪裝為分析對象，瀝青混凝土橋面鋪裝厚度為10 cm，加熱電纜埋設(shè)深度為5 cm，間距為15 cm，每條輪跡線布設(shè)6條加熱電纜。為了保證橋面加熱對橋梁工作狀態(tài)的影響控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，盡可能降低加熱階段的能耗，縮短加熱階段的時間，應(yīng)進行橋面升溫速度與加熱功率的關(guān)系分析。在融雪化冰階段應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速和降雪速度等確定合理的加熱功率，達到既能起到理想的融雪化冰，滿足交通安全需求，又盡可能降低能耗的效果。因此，對橋面加熱功率的優(yōu)化問題，具體優(yōu)化分析情況如下。

2 橋面升溫速度與加熱功率的關(guān)系分析

分析在不同環(huán)境溫度下(－1℃、－3℃、－5℃)、風(fēng)速(0.0m/s、1.5m/s、3.0m/s)，無降雪的情況下，橋面升溫速度與加熱功率的關(guān)系，分析結(jié)果如圖1～圖4所示。

由圖1可知:采取只對輪跡帶進行加熱時，加熱后橋面的溫度變化仍可分為3個階段，第一階段為滯后階段，在加熱后約2 h內(nèi)，無論加熱功率多大，橋面溫度幾乎沒變化;第二階段為升溫階段，在加熱后2～24 h內(nèi)，橋面溫度上升較快;第三階段為平衡階段，在加熱約24 h以后橋面溫度趨于平衡。加熱功率相對較低的情況下(小于100 W/m2)，加熱功率對第一階段的時間有所影響，加熱功率越低，第一階段的時間越長;當(dāng)加熱功率較大時(一般大于200 W/m2)，加熱功率對第一階段時間長短影響較小，也即通過增大加熱功率來縮短加熱滯后階段的時間效果不明顯。

通過以上分析可知，在不同環(huán)境下，橋面的合理加熱功率隨環(huán)境溫度的降低而增大，隨環(huán)境風(fēng)速的增加而增大，為在3～5 h內(nèi)將橋面溫度加熱至2℃以上，具體環(huán)境下的合理加熱功率和所需的加熱時間如表1所示。

圖1 環(huán)境溫度－3℃，風(fēng)速3.0m/s不同加熱功率的升溫

圖2 環(huán)境溫度－1℃時升溫速度與加熱功率關(guān)系

圖3 環(huán)境溫度－3℃升溫速度與加熱功率關(guān)系圖

圖4 環(huán)境溫度－5℃升溫速度與加熱功率關(guān)系圖

表1 不同環(huán)境溫度下合理的加熱功率表

3 橋面穩(wěn)態(tài)溫度與環(huán)境因素、加熱功率的關(guān)系分析

分析在不同環(huán)境溫度(－1℃、－3℃、－5℃)、風(fēng)速(0.0m/s、1.5m/s、3.0m/s)，無降雪的情況下，加熱功率與橋面穩(wěn)態(tài)溫度的關(guān)系，分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可知，采用輪跡線加熱方式后，橋面溫度呈現(xiàn)出近似正弦曲線規(guī)律變化，輪跡線中間溫度略高于輪跡線兩側(cè)，當(dāng)輪跡線處橋面溫度達到2℃時，輪跡線以外的溫度多處在0℃以下。

在一定的環(huán)境溫度和環(huán)境風(fēng)速情況下，橋面穩(wěn)態(tài)溫度隨加熱功率的增加而呈線形規(guī)律增加。環(huán)境風(fēng)速對橋面穩(wěn)態(tài)溫度影響比較明顯，環(huán)境風(fēng)速越大，在相同加熱功率情況下，橋面溫度越低。

在給定的橋梁結(jié)構(gòu)形式和無降雪情況下，橋面加熱后的穩(wěn)態(tài)溫度Tq與加熱功率Q、環(huán)境風(fēng)速Vf的關(guān)系分別符合如下關(guān)系:

由此可得出在降雪情況下，計入單純?nèi)谘┕β蔖后的理想加熱功率為:

式中:Te為環(huán)境溫度，℃;Tq為橋面溫度，℃;Vf為環(huán)境風(fēng)速，m/s;P為單純?nèi)谘┕β剩琖/m2;k為帶狀加熱調(diào)整系數(shù)，與加熱寬度br和橋面寬度b的比之有關(guān)，在本分析中取1.2。

通過以上分析，在不同環(huán)境溫度和環(huán)境風(fēng)速下，維持橋面理想融雪化冰溫度(+2℃)的合理加熱功率如表2所示。

表2 不同環(huán)境下維持橋面理想融雪化冰溫度的合理加熱功率表

4 結(jié)論

(1)通過各種影響橋面輪跡線加熱除冰雪參數(shù)的綜合分析，得出在不同環(huán)境下，理想的橋面輪跡線加熱融冰雪過程分為橋面加熱升溫階段和穩(wěn)態(tài)融冰雪階段。

(2)采用只對輪跡帶加熱的方式，不論是加熱升溫過程，還是穩(wěn)態(tài)加熱保溫過程均是可行的，而且可以減少加熱電纜的鋪設(shè)成本。但這種加熱方式與全車道加熱方式相比，對車輛的通行能力有一定的影響。

(3)為了在給定環(huán)境下使加熱升溫過程既滿足具體工程對升溫時間(一般要求3～5 h)的要求，又要滿足橋梁工作狀態(tài)的要求，不因加熱引起超過規(guī)范規(guī)定的溫差，同時使整個加熱融冰雪過程的能耗最低，橋面加熱除冰雪在各加熱階段的理想加熱功率如表3所示。

表3 不同環(huán)境下各加熱階段的理想加熱功率表

［1］ 唐祖全，李卓球．導(dǎo)電混凝土電熱除冰化雪的功率分析［J］．重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2002，24(3):102－105

［2］ 國銳．發(fā)熱電纜用于橋面融雪化冰的系統(tǒng)研究［D］．北京建筑工程學(xué)院，2006