橋面發(fā)熱系統(tǒng)在除雪融冰中的應(yīng)用研究

王崢嶸

摘要 為解決冬季橋面積雪積冰問(wèn)題，文章結(jié)合公路路段實(shí)際情況，在簡(jiǎn)述橋面發(fā)熱系統(tǒng)組成與原理的基礎(chǔ)上，對(duì)融雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，內(nèi)容包括橋面電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、碳纖維發(fā)熱線鋪裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、橋面布線、控制系統(tǒng)和配電系統(tǒng)，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞 橋面發(fā)熱系統(tǒng)；橋面除雪融冰；發(fā)熱系統(tǒng)施工

中圖分類(lèi)號(hào) U446.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 2096-8949（2023）16-0011-03

0 引言

冬季橋面積雪積冰會(huì)嚴(yán)重影響行車(chē)安全，引發(fā)嚴(yán)重的交通事故，安裝橋面發(fā)熱系統(tǒng)能有效解決橋面積雪積冰問(wèn)題，保證冬季橋面行車(chē)安全。而要想保證橋面發(fā)熱系統(tǒng)的應(yīng)用達(dá)到理想效果，有必要結(jié)合實(shí)例進(jìn)行深入分析，明確具體的施工工藝方法和要點(diǎn)。

1 工程概況

某公路是省道，為一級(jí)公路，路面寬25 m，與主線偏角114.1°，凈高5 m。設(shè)計(jì)、施工段落為K719+943～K720+546，發(fā)熱電纜和碳纖維進(jìn)行設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)長(zhǎng)度603.58 m，發(fā)熱電纜 345.54 m，碳纖維發(fā)熱線為248.84 m，設(shè)計(jì)車(chē)道為超車(chē)道，3.75 m寬，行車(chē)道、緊急停靠帶不安裝。

2 融雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主橋溫度場(chǎng)

選取A點(diǎn)（發(fā)熱線正上方路表位置）、B點(diǎn)（發(fā)熱線外圍）、C點(diǎn)（橋面板頂面）、D點(diǎn)（橋面板底面）作為箱體上方橋面分析點(diǎn)位，A1、B1、C1、D1為翼板橋面對(duì)應(yīng)點(diǎn)位。溫度場(chǎng)分布情況如圖1～2所示，2時(shí)為發(fā)熱電纜開(kāi)啟的時(shí)間。從溫度分布云圖中可以看出，發(fā)熱電纜工作一段時(shí)間，溫度場(chǎng)穩(wěn)定后，道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)發(fā)熱線形成了穩(wěn)定的發(fā)熱面。

計(jì)算模擬了發(fā)熱電纜開(kāi)啟了8 h橋面的溫度場(chǎng)，從中可以看出，當(dāng)外界溫度設(shè)定為?4 ℃時(shí)，橋面層在發(fā)熱線開(kāi)啟4.47 h后A點(diǎn)溫度達(dá)到2 ℃，達(dá)到融雪化冰的溫度，符合設(shè)計(jì)要求，227 W/m²的設(shè)計(jì)融雪功率能夠達(dá)到有效融雪化冰效果。此時(shí)，碳纖維發(fā)熱線外圍B點(diǎn)溫度也只有6.9 ℃，而C點(diǎn)溫度為3.5 ℃，D點(diǎn)溫度為?1.3 ℃。

當(dāng)外界溫度設(shè)定為?4℃時(shí)，橋面層在發(fā)熱電纜開(kāi)啟4.48 h后A1點(diǎn)溫度達(dá)到2 ℃，達(dá)到融冰化雪的溫度，符合設(shè)計(jì)要求，227 W/m²的設(shè)計(jì)融雪功率能夠達(dá)到有效融冰化雪效果。此時(shí)發(fā)熱電纜外圍B1點(diǎn)溫度也只有6.8 ℃，而C1點(diǎn)溫度為3.4 ℃，D1點(diǎn)溫度為?1.2 ℃。

以上數(shù)據(jù)說(shuō)明箱體上部橋面與箱體之間橋面存在溫差，但是溫差較小，在發(fā)熱電纜開(kāi)啟初期D1點(diǎn)受到輻射作用相對(duì)D點(diǎn)升溫較快，但是由于其對(duì)流換熱系數(shù)較箱內(nèi)D點(diǎn)要大，隨著發(fā)熱電纜和外界環(huán)境的作用，D點(diǎn)溫度較D1點(diǎn)增加變快。

2.2 橋面電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了研究橋面融雪化冰系統(tǒng)中發(fā)熱電纜和碳纖維發(fā)熱線的發(fā)熱效率，參考國(guó)內(nèi)外已有工程實(shí)例和后期運(yùn)行效果，根據(jù)發(fā)熱電纜和碳纖維發(fā)熱線在超車(chē)道的鋪設(shè)特點(diǎn)，數(shù)值模擬橋面溫度場(chǎng)各點(diǎn)溫度及其溫度發(fā)展趨勢(shì)，判斷項(xiàng)目設(shè)置是否滿足融雪除冰要求，表1為發(fā)熱電纜和碳纖維發(fā)熱線的鋪設(shè)方案。

綜合上述數(shù)據(jù)，確定ABAQUS數(shù)值模擬氣象參數(shù)，外界環(huán)境溫度為?4 ℃，日均氣溫取?2.5 ℃，氣溫日變幅為7.5 ℃。模擬中，瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為1.3 W/m、密度為2 100 kg/m3、比熱容為1 680 J/（kg·K），水泥混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為2.2 W/m、密度為2 500 kg/m3、比熱容為840 J/（kg·K），碳纖維發(fā)熱線的線功率25.3 W/m，表面的熱流通量為1 241.3 W/m²，發(fā)熱電纜的線功率

25 W/m，電纜表面的熱流通量為1 225 W/m²。

研究表明，在下雪前（一般可根據(jù)天氣預(yù)報(bào)）將電源打開(kāi)（提前幾個(gè)小時(shí)），溫度升高到2～3 ℃，一旦開(kāi)始下雪，地面上的溫度就可以將雪融化掉。根據(jù)工程當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，計(jì)算在推薦安裝功率下，不同室外溫度條件下，溫度升高到2～3 ℃所需的時(shí)間。一般認(rèn)為預(yù)熱時(shí)間在4～6 h是最為經(jīng)濟(jì)和接受的。預(yù)熱時(shí)間的控制是評(píng)價(jià)整個(gè)融雪化冰系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，預(yù)熱時(shí)間的研究可以大大精簡(jiǎn)整個(gè)系統(tǒng)的工作周期。通過(guò)ABAQUS有限元軟件模型對(duì)所提方案的預(yù)熱時(shí)間以及橋面溫度應(yīng)力進(jìn)行分析，研究不同方案下電纜的融雪時(shí)間及溫度應(yīng)力對(duì)橋面板的影響。

2.3 碳纖維發(fā)熱線鋪裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

基于上述理論計(jì)算及相關(guān)實(shí)踐鋪設(shè)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)熱電纜和碳纖維發(fā)熱線鋪裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

2.4 橋面布線

由于考慮到發(fā)熱線的抗拉、抗壓強(qiáng)度，以及便于施工等特點(diǎn)，發(fā)熱線的埋設(shè)深度一般位于橋面板調(diào)平層和鋪裝層之間。

2.4.1 發(fā)熱電纜橋面布線

（1）安裝層位：發(fā)熱線安裝在橋面混凝土找平層中上部6.5 cm處，固定于鋼筋網(wǎng)上，安裝完畢后鋪裝瀝青混凝土，設(shè)計(jì)厚度是4.5 cm。

（2）發(fā)熱線鋪設(shè)設(shè)計(jì)：發(fā)熱電纜橋面鋪設(shè)采用縱鋪設(shè)，分成3個(gè)區(qū)布設(shè)，引橋的2個(gè)區(qū)包含48根發(fā)熱電纜，主線橋的一個(gè)區(qū)含21根發(fā)熱電纜，電纜線距離邊緣20 cm，電纜線管間距為11 cm，區(qū)與區(qū)之間間隔10 cm。

2.4.2 碳纖維發(fā)熱線橋面布線

（1）安裝層位：發(fā)熱線安裝在橋面混凝土找平層上部6.5 cm，同樣固定于鋼筋網(wǎng)上，安裝完畢后鋪裝瀝青混凝土，設(shè)計(jì)厚度是4.5 cm。

（2）發(fā)熱線鋪設(shè)設(shè)計(jì)：碳纖維發(fā)熱線橋面鋪設(shè)采用橫向鋪設(shè)，分成2個(gè)區(qū)布設(shè)，為引橋2個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)包含31個(gè)發(fā)熱面，主線橋一個(gè)區(qū)，含24個(gè)發(fā)熱面，碳纖維發(fā)熱線橋面鋪設(shè)中，每個(gè)面布設(shè)16根碳纖維發(fā)熱線，電纜線距離邊緣10 cm，電纜線管間距為12.5 cm。

2.5 控制系統(tǒng)和配電系統(tǒng)

2.5.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)對(duì)橋面融雪化冰進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制專(zhuān)用PLC、觸摸屏、模擬量輸入模塊、無(wú)線通訊模塊、地溫探頭、電源開(kāi)關(guān)等，電源開(kāi)關(guān)連接發(fā)熱電纜或碳纖維發(fā)熱線。當(dāng)橋面附近降雪時(shí)，操作人員通過(guò)遠(yuǎn)程控制電源開(kāi)關(guān)給發(fā)熱電纜或碳纖維發(fā)熱線供電，使橋面加熱系統(tǒng)保持恒溫，可用手機(jī)短信隨時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況，當(dāng)發(fā)熱電纜或碳纖維發(fā)熱線發(fā)生漏電、短路或過(guò)載時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信到指定的值班人員手機(jī)上；待橋面附近降雪停止時(shí)，供熱系統(tǒng)將繼續(xù)工作一段時(shí)間，保證橋面融雪化冰的效果，使整個(gè)供熱系統(tǒng)以最節(jié)能、安全、便捷的方式運(yùn)行。

該項(xiàng)目采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系統(tǒng)，根據(jù)降雪預(yù)報(bào)，手機(jī)短信遠(yuǎn)程控發(fā)熱電纜，并且通過(guò)預(yù)先埋設(shè)于橋面中的地溫探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋面內(nèi)部溫度，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)地溫探頭收集的信號(hào)，控制配電箱供電使橋面內(nèi)部保持恒溫，既能達(dá)到融雪化冰的效果又能節(jié)約電能；同時(shí)將PLC與觸摸屏連接，觸摸屏上有外部環(huán)境溫濕度和橋面各個(gè)區(qū)內(nèi)部溫度顯示，通過(guò)人機(jī)界面操作，可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)對(duì)橋面內(nèi)部加熱溫度參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。PLC控制系統(tǒng)中還加裝了遠(yuǎn)程通信模塊，可達(dá)到遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)設(shè)備的功能，并且及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，真正實(shí)現(xiàn)橋面融雪化冰的遠(yuǎn)程智能化控制。

該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：

（1）采用PLC可編程控制器和觸摸屏連接，使整個(gè)控制系統(tǒng)可靠性提高。觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示溫度值和發(fā)熱線當(dāng)前狀態(tài)。

（2）該系統(tǒng)采用恒溫控制，既能保證融雪化冰的效果，又能最大程度地節(jié)約電能[1]。

（3）靈活的手動(dòng)和自動(dòng)切換。自動(dòng)模式啟動(dòng)后可通過(guò)觸摸屏設(shè)置需要的溫控參數(shù)值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入恒溫控制模式。

（4）溫度采集的可靠性。采用控制溫度和參考溫度兩個(gè)數(shù)值，分別通過(guò)安裝在路面下的傳感器實(shí)時(shí)采集的溫度值，然后通過(guò)特定算法，把合理溫度值作為最終控制標(biāo)準(zhǔn)。

（5）實(shí)時(shí)報(bào)警功能。當(dāng)碳纖維發(fā)熱線發(fā)生短路或過(guò)載時(shí)，PLC會(huì)自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)觸摸屏也會(huì)記錄此次故障，并通知故障發(fā)生原因。溫度傳感器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，觸摸屏也會(huì)及時(shí)提示更換新的傳感器。

（6）五路加熱系統(tǒng)分散控制，分散控制系統(tǒng)時(shí)，五路單獨(dú)進(jìn)入各自開(kāi)啟。

（7）采用無(wú)線通信模塊，可以通過(guò)手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信控制和監(jiān)控，系統(tǒng)出現(xiàn)故障也會(huì)及時(shí)通過(guò)短信反饋回來(lái)。當(dāng)出現(xiàn)整個(gè)供電系統(tǒng)斷電，手機(jī)也會(huì)收到相應(yīng)信息，確保控制可靠性。

（8）加熱時(shí)間可以根據(jù)天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行遠(yuǎn)程靈活設(shè)置，當(dāng)橋面積雪融化掉時(shí)會(huì)自動(dòng)停止電纜加熱。

2.5.2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目施工段為單幅超車(chē)道，K719+943～K720+546，共分為5個(gè)區(qū)施工，每個(gè)區(qū)長(zhǎng)度分別為124 m、124 m、96.7 m、124 m和124 m；發(fā)熱電纜鋪設(shè)施工段為其中的124 m、124 m、96.7 m，碳纖維發(fā)熱線為剩余兩段124 m、124 m；整個(gè)施工段共用一個(gè)箱變系統(tǒng)，動(dòng)力柜內(nèi)共設(shè)置7條電路，3條給發(fā)熱電纜配電箱供電，2條給碳纖維發(fā)熱線配電箱供電，多設(shè)置一條給PLC控制系統(tǒng)供電，最后剩余一條留作備用。

（1）發(fā)熱電纜配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

①設(shè)計(jì)橋梁鋪設(shè)總長(zhǎng)345.54 m，分為3區(qū)控制：?jiǎn)芜呉龢?個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)包含28根發(fā)熱電纜；主線橋1個(gè)區(qū)，包含21根發(fā)熱電纜。共有77根發(fā)熱線連接到3個(gè)配電箱中，動(dòng)力柜給3個(gè)配電箱分配電能[2]。

②動(dòng)力柜初步設(shè)計(jì)在主線橋K720+242橋墩正前方68.0 m高壓桿位置。通過(guò)一個(gè)630 kVA變壓器連接高壓線，將高壓轉(zhuǎn)化為低壓為線纜提供動(dòng)力，電源采用380 V的三相五線制。動(dòng)力柜中主要包含總開(kāi)關(guān)、電能表、萬(wàn)能式斷路器、互感線圈和銅排等。動(dòng)力柜給引橋的2個(gè)配電箱分配電能，每個(gè)配電箱分配功率98 kW。主線橋的1個(gè)配電箱分配電能，配電箱分配功率73.5 kW。配電箱必須安裝漏電保護(hù)器。動(dòng)力柜到施工路段3個(gè)配電箱的配電線路用鋼絞絲架空的方式，引到引橋的2個(gè)配電箱導(dǎo)線型號(hào)為YJV?4*70 mm²+1*35 mm²，引到主線橋的1個(gè)配電箱導(dǎo)線型號(hào)為YJV?4*50 mm²+1*25 mm²。

③3個(gè)配電箱可設(shè)置于中央分隔帶下方橋墩上，分散放置有利于節(jié)約導(dǎo)線，3個(gè)配電箱共控制77根發(fā)熱電纜，其中引橋的2個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)含28根發(fā)熱電纜，每根電纜分配功率3.5 kW；主線橋的1個(gè)區(qū)，含21根發(fā)熱電纜，每根電纜分配功率3.5 kW，發(fā)熱電纜的冷線型號(hào)采用BV3*4 mm²。配電線用塑料管做穿線保護(hù)，沿橋墩上行連接到配電箱上。配電箱由斷路器、交流接觸器（線圈電壓220 V）、漏電保護(hù)器和空氣開(kāi)關(guān)組成[3]。PLC控制系統(tǒng)通過(guò)鋪設(shè)于橋面內(nèi)的地溫探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋面內(nèi)溫度，當(dāng)橋面內(nèi)部溫度達(dá)到設(shè)定值后，交流接觸器斷開(kāi)發(fā)熱線的電源，發(fā)熱線停止加熱，當(dāng)路面溫度低于溫度設(shè)定值時(shí)，交流接觸器接通發(fā)熱電纜的電源，發(fā)熱電纜開(kāi)始加熱，這樣往復(fù)運(yùn)行[4]。

（2）碳纖維發(fā)熱線。在該項(xiàng)目中，施工橋面長(zhǎng)248.54 m，總共需要992根碳纖維發(fā)熱線，分成2個(gè)區(qū)布設(shè)。引橋的2個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)包含31個(gè)發(fā)熱面。每個(gè)面布設(shè)16根碳纖維發(fā)熱線。每個(gè)區(qū)配備一個(gè)配電箱，共設(shè)置2個(gè)配電箱，每個(gè)配電箱內(nèi)安裝有交流接觸器，由動(dòng)力柜給這2個(gè)配電箱供電。動(dòng)力柜內(nèi)設(shè)置4條電路，其中2條分別接2個(gè)配電箱，每個(gè)配電箱內(nèi)安裝有斷路器、漏電保護(hù)器、交流接觸器和空氣開(kāi)關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋪設(shè)橋面發(fā)熱系統(tǒng)是解決冬季橋面積雪積冰問(wèn)題的有效措施，目前該系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。以上結(jié)合公路路段實(shí)際情況，對(duì)橋面發(fā)熱系統(tǒng)具體應(yīng)用進(jìn)行了初步分析與總結(jié)，旨在為其他工程對(duì)橋面發(fā)熱系統(tǒng)的應(yīng)用提供可靠技術(shù)參考，使該系統(tǒng)的應(yīng)用達(dá)到理想效果。

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