一種新型橋梁除冰雪系統(tǒng)的淺析

魯寬

摘 要：2008年初惡劣的冰雪天氣導(dǎo)致中國(guó)大部分地區(qū)的運(yùn)輸系統(tǒng)大面積癱瘓，給人民生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失，這也表明我國(guó)在道路除冰方法的研究方面亟需加強(qiáng)。因此一種經(jīng)濟(jì)有效的除冰雪系統(tǒng)的建立已成為當(dāng)務(wù)之急。本文試提出一種新型橋梁除冰雪系統(tǒng)，以達(dá)到提高通行質(zhì)量，減少事故數(shù)量，經(jīng)濟(jì)環(huán)保的目的。

關(guān)鍵詞：橋梁；除冰雪；發(fā)熱電纜；經(jīng)濟(jì)環(huán)保

交通運(yùn)輸業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的動(dòng)脈，公路運(yùn)輸又是交通運(yùn)輸業(yè)的重要組成部分。在冬季，道路橋梁若產(chǎn)生積雪、覆冰對(duì)交通安全將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，輕則封路，重則造成重大交通事故，進(jìn)而會(huì)造成巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失和不利的社會(huì)影響。因此一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的高速公路除冰雪系統(tǒng)的建立已成為重中之重，而橋梁系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)特征和施工技術(shù)的特殊性，使其系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)成為關(guān)鍵問題。目前國(guó)內(nèi)在橋梁方除冰雪技術(shù)方面的研究還比較欠缺。本文結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)和現(xiàn)行的除冰雪技術(shù)提出一種具有除冰雪功能的橋。

1 道路橋梁除冰雪現(xiàn)狀

目前世界各國(guó)采用的融雪技術(shù)分為被動(dòng)抑制路面冰雪技術(shù)和主動(dòng)除雪技術(shù)。國(guó)內(nèi)常用的除冰雪為為被動(dòng)抑制路面冰雪技術(shù)，其方法主要有：物理方法除冰雪、化學(xué)除冰雪和機(jī)械除冰雪。主動(dòng)除雪技術(shù)是指通過道路橋梁的特殊功能去達(dá)到除雪的目的。

1.1 被動(dòng)除雪技術(shù)

1.1.1物理方法除冰雪

通過加熱使路面的冰雪融化達(dá)到去除冰雪的方法，加熱方式主要有兩種；電加熱和加熱車加熱。電加熱是指在施工過程中預(yù)先普通混凝土中添加一定導(dǎo)電組成材料，使之成為通電導(dǎo)體，可通電加熱。當(dāng)降雪量和薄冰效果較當(dāng)降雪量較大時(shí)，其融化速度慢，效率低，能耗大，且融化出的大量的水又可能會(huì)由于清除不及時(shí)而再次結(jié)冰，影響了清除冰雪的效果，因此實(shí)際應(yīng)用中不常用。加熱車加熱是指吹雪車仍可依靠發(fā)動(dòng)機(jī)出風(fēng)口噴出的幾百攝氏度的高溫氣體來融化冰雪。但這種使用這種加熱車排出高溫氣體來融冰雪的車成本很高，并且容易燒傷路邊綠化帶，不實(shí)用。

1.1.2化學(xué)方法除冰雪

化學(xué)法除冰雪是通過給路面撤布一定量的防凍結(jié)化學(xué)材料，如鹽（NaCI，CaCl2）或其它新型融雪劑來是路面冰雪融化?；瘜W(xué)法使用方便，能同時(shí)防凍，但是法學(xué)法同樣有很大的不足，如撒融雪劑除冰學(xué)對(duì)鋼筋混凝土橋梁影響非常大，。美國(guó)使用撒融雪劑（除冰鹽）來除冰雪，在橋梁在使用5-10年即發(fā)生鋼筋銹蝕，每年維修這些橋梁的費(fèi)用達(dá)幾百億美元。除此之外，融雪劑還對(duì)植被、土壤、水源有極大的破壞作用。目前我國(guó)很多地區(qū)已經(jīng)限制使用。

1.1.3機(jī)械除冰雪

機(jī)械除冰法是利用機(jī)械裝置對(duì)冰雪的直接作用來達(dá)到融化冰雪的目的。如滾筒式破冰機(jī)、垂片式除冰機(jī)、抽打式除冰機(jī)和仿生學(xué)式除冰機(jī)等來清除經(jīng)過碾壓的積雪以及同路面結(jié)合緊密的積冰雪。但是其存在明顯的的缺陷，除靜率低，且對(duì)于積冰雪與路面結(jié)合緊密時(shí)，如果除冰機(jī)械的動(dòng)力太小，不能使冰與路面分離，過大則又易損傷路面。

1.2 主動(dòng)除雪技術(shù)

主動(dòng)融冰雪技術(shù)則是通過路面的特殊功能來除冰雪，如能量轉(zhuǎn)化型融冰雪技術(shù)是指通過能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到融雪化冰的目的，可以利用的能量主要有地?zé)崮?、工業(yè)電能和太陽能等多種能量。但是由于受能量來源的限制，目前在世界范圍內(nèi)應(yīng)用較少。

1.3 新型橋梁除雪技術(shù)的提出

在車輪跡區(qū)預(yù)先嵌設(shè)有多段蛇形布置的發(fā)熱電纜或電阻絲，并在橋梁上設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)溫度低于某個(gè)限值時(shí)，電熱絲可以自動(dòng)對(duì)橋梁進(jìn)行加熱進(jìn)而達(dá)到除冰雪的目的。這種方法的有點(diǎn)是能夠快速融化冰雪且對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)無破壞作用，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的融雪除雪技術(shù)。

2 新型除雪技術(shù)的具體內(nèi)容

2.1 新型除雪技術(shù)的具體實(shí)施

在道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)先鋪設(shè)粗礫式瀝青混凝土或類似材料，再根據(jù)工藝要求鋪設(shè)一定功率的發(fā)熱電纜或電阻絲，然后再鋪設(shè)厚度為50 mm左右的細(xì)礫式瀝青混凝土.在瀝青混凝土層表面上車輪經(jīng)常碾壓的區(qū)域稱為車輪跡區(qū)，在瀝青混凝土層內(nèi)嵌設(shè)有多段蛇形布置的加熱絲，每段加熱絲并聯(lián)連接，在橋體內(nèi)嵌設(shè)有與車輪跡區(qū)相對(duì)應(yīng)的隔熱層，所述隔熱層位于加熱絲下方，在瀝青混凝土層內(nèi)對(duì)應(yīng)每段加熱絲嵌設(shè)有一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器，在橋體的一端設(shè)有與加熱絲電連接的加熱控制裝置，加熱控制裝置設(shè)有控制模塊，所述控制模塊接收溫度傳感器的溫度信號(hào)并根據(jù)該溫度信號(hào)對(duì)加熱絲的加熱狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。如前述，當(dāng)溫度低于某個(gè)限值時(shí)，溫度傳感器可以自動(dòng)感溫識(shí)別，進(jìn)而對(duì)橋梁進(jìn)行加熱用于道路融雪化冰。

2.2 新型除雪技術(shù)模型

2.2.1工作原理

發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)是以電力為能源，發(fā)熱電纜或電阻絲為發(fā)熱體，將電能轉(zhuǎn)換為熱能，通過結(jié)構(gòu)層的導(dǎo)熱將熱量傳到橋梁表面，再通過橋梁表面與冰雪之間的顯熱和潛熱交換進(jìn)行融雪化冰。

當(dāng)電源連通后，發(fā)熱電纜產(chǎn)生熱量，溫度升高，同時(shí)熱量通過瀝青混凝土傳遞給冰、雪層，使其吸熱升溫，從而達(dá)到融雪化冰的效果.該問題涉及到有關(guān)熱傳導(dǎo)的計(jì)算，即在一定的控制微分方程和邊界條件下，求解物體內(nèi)部的溫度場(chǎng)或溫度分布。

2.2.2電熱絲鋪設(shè)方式

發(fā)熱電纜或電阻絲一般采用蛇形鋪裝方式，如圖1所示。

2.2.3發(fā)熱電阻絲規(guī)格

查文獻(xiàn)知：當(dāng)鋪裝功率為250～350w/rm2，即可滿足一般情況下的融雪化冰要求?？紤]一定的熱量損失后確定發(fā)熱電纜的設(shè)計(jì)功率為330W/m2。進(jìn)而根據(jù)電纜生產(chǎn)廠家提供的資料，發(fā)熱電纜的線功率為30W/m即可達(dá)到除去冰雪的效果。

2.3 新型除雪技術(shù)的理論支持

查文獻(xiàn)可知：利用采用 ANSYS 中 FLUENT 模塊進(jìn)行傳熱的數(shù)值模擬， 采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，綜合考慮主梁位移、 主梁順橋向正應(yīng)力、主梁橫橋向正應(yīng)力、 主應(yīng)力等結(jié)構(gòu)響應(yīng)等得出結(jié)論，電纜融冰雪溫度荷載與規(guī)范溫度效應(yīng)基本相當(dāng)，因此可初步認(rèn)為采用本文所述的發(fā)熱電纜或電阻絲融冰雪方案產(chǎn)生的溫度荷載不會(huì)損壞橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

2.4 新型除雪技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

新型除雪技術(shù)通過在橋體內(nèi)嵌設(shè)加熱絲、溫度傳感器及其相配合作用達(dá)到了對(duì)橋體表面冰雪的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并能夠有效地針對(duì)車輪跡區(qū)進(jìn)行集中快速加熱，在保證了原有橋體結(jié)構(gòu)要求的前提下，節(jié)約了運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)成本，從而實(shí)現(xiàn)了一種節(jié)能環(huán)保、維護(hù)簡(jiǎn)單、夠及時(shí)有效地將橋面上的冰雪清除掉而保證正常通車的具有除冰雪功能的橋。

3 結(jié)束語

本文簡(jiǎn)述了一種新型橋梁除冰雪技術(shù)，此技術(shù)北歐國(guó)家已經(jīng)有所應(yīng)用，在我國(guó)尚處于理論研究階段。發(fā)熱電纜法作為徹底去除冰雪方法的一種，能源供應(yīng)充足，在冰雪時(shí)間長(zhǎng)的北方地區(qū)，具有很大的適用性。這是一種非常有前景的融雪技術(shù)。利用發(fā)熱電纜融雪化冰，單位路面鋪裝功率與融雪效果是成比例的，但必須考慮施工的可行性和投資經(jīng)濟(jì)性，因此在保證電纜安全工作前提下，提高融雪效果的同時(shí)節(jié)約能源、合理投資。這對(duì)鋪裝功率的設(shè)計(jì)及其系統(tǒng)的控制提出要求.將本文給出的電纜融冰雪方法應(yīng)用于實(shí)踐尚需在電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、橋面感溫系統(tǒng)、橋面溫度過熱自動(dòng)斷電保護(hù)等方面進(jìn)行研究。

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