橋面融雪除冰能量樁熱泵系統(tǒng)換熱效率現(xiàn)場試驗

　　摘要：基于能量樁的橋面工程主動式融雪除冰技術(shù)作為一種新型橋面融雪除冰技術(shù)，具有環(huán)保、節(jié)能等技術(shù)優(yōu)勢。依托江陰市征存路觀風(fēng)橋市政橋梁工程，開展能量樁供熱橋面板的換熱效率與熱-力響應(yīng)特性現(xiàn)場試驗。在樁基礎(chǔ)和橋面板中分別預(yù)埋聚乙烯管作為換熱管，通過水泵驅(qū)動換熱管中的流體循環(huán)，提取淺層地溫能供熱橋面板;沿樁身深度方向和在橋面板中布設(shè)了溫度-應(yīng)變傳感器，用于監(jiān)測試驗過程中相應(yīng)位置的溫度和應(yīng)變。試驗分析冬季工況下，一根 20 m 的能量樁供熱 20 m2 的橋面板時，流體、橋面板、樁的溫度變化以及橋面板和能量樁的熱致應(yīng)力分布。研究結(jié)果表明：本文試驗條件下，環(huán)境溫度為-4 ℃時，20 m 能量樁供熱 20 m2 橋面板可保證橋面板表面溫度始終高于 0 ℃，即平均每延米能量樁熱泵系統(tǒng)可保障 1 m2 橋面板不凍結(jié);溫度的改變引起能量樁和橋面板中產(chǎn)生熱致應(yīng)力，樁身最大軸向熱致應(yīng)力出現(xiàn)在樁深 2 m(0.1 倍樁長)處，約為-0.792 MPa，為混凝土抗拉強度(2.0 MPa)的 39.4%，樁身最大軸向熱致應(yīng)力的溫度響應(yīng)約為 0.136 MPa/℃;橋面板中最大熱致應(yīng)力為 0.77 MPa，為混凝土抗壓強度(26.8 MPa)的 2.9%，熱致應(yīng)力的溫度響應(yīng)為 0.086 MPa/℃;能量樁上部受到最大正摩阻力為 19.5 kPa，下部受到最大負摩阻力為 15.8 kPa;試驗結(jié)束時樁頂熱致位移為-0.239 mm，約 0.3‰倍樁徑。

　　陳鑫; 孔綱強; 劉漢龍; 江強; 楊挺， 中國公路學(xué)報 發(fā)表時間：2021-10-13

　　關(guān)鍵詞：橋梁工程;能量樁;橋面除冰融雪;現(xiàn)場試驗;換熱效率;熱致應(yīng)力

　　0 引 言

　　冬季橋面積雪結(jié)冰容易導(dǎo)致交通事故頻發(fā)，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡;為了維持正常的交通秩序，需及時有效地清除冰雪。目前應(yīng)用最廣泛的融雪除冰方法是撒化學(xué)鹽和機械/人工除冰;然而，化學(xué)鹽會腐蝕橋面板結(jié)構(gòu)、易污染水土，且當環(huán)境溫度低于 3.9 ℃時無法有效融化冰雪[1];機械/ 人工除冰很難完全清除附著在橋面上的壓實冰，且容易損壞橋面結(jié)構(gòu)。熱力除冰作為一種新型的橋面融雪除冰技術(shù)，主要包括電加熱[2-4]、紅外輻射加熱 [5]和地源熱泵等[6-8];其中，地源熱泵橋面融雪除冰技術(shù)是將換熱管分別預(yù)埋在橋面板和地層土體中，通過液體在換熱管中循環(huán)提取淺層地溫能加熱橋面板，以達到融雪除冰的效果。傳統(tǒng)地源熱泵鉆孔埋管施工成本高，且需占用地下空間，一定程度上限制了其發(fā)展應(yīng)用[9]。將熱交換管安裝在樁基礎(chǔ)內(nèi)，利用樁基礎(chǔ)作為熱交換器，避免了額外鉆孔的費用，可降低安裝施工成本約 33%[10]。

　　能量樁橋面融雪除冰系統(tǒng)由能量樁埋管換熱器和橋面板埋管換熱器兩部分組成。針對能量樁的換熱效率及熱-力響應(yīng)特性問題，相關(guān)研究人員開展了系列研究，并取得了一些有益的成果。任連偉等 [9]、Faizal 等[11]分析了恒定入水溫度作用下能量樁的換熱效率與熱-力響應(yīng)特性;Sangwoo 等[12]、陳智等[13]研究了恒定輸入功率作用下能量樁的換熱效率與熱-力響應(yīng)特性;桂樹強等[14]探討了溫度作用下能量樁的承載性能和變形問題。針對橋面板埋管換熱器系統(tǒng)的研究，主要集中在融雪除冰所需熱量和橋面板的溫度變化規(guī)律。ASHRAE 手冊[15]給出了橋面融雪所需熱量的計算公式;Ho 等[16]通過數(shù)值模擬分析了地源熱泵作用下橋面板的溫度變化規(guī)律和融雪性能，50 ℃的輸入水溫可在-5℃至 -25 ℃空氣溫度條件下使面板達到很好的融雪效果;Liu 等[17]利用數(shù)值模型模擬加熱路面上的積雪融化過程，在給定表面有效熱功率的條件下，預(yù)測路面的融雪狀態(tài);筆者等[18]分析了恒定入水溫度條件下橋面板的換熱效率和溫度變化規(guī)律。關(guān)于能量樁供熱橋面板的換熱性能，僅部分研究人員開展了模型試驗研究。黨政等[19]開展了 CFG 能量樁供熱混凝土模型路面(長×寬×厚為 1.0m×1.0m×0.3 m)的現(xiàn)場試驗，得到單根、雙根能量樁可使一塊混凝土板表面溫度保持在 0℃以上。Bowers 等[20]基于模型試驗(直徑為 0.25 m，長度為 30 m 的微型樁，長×寬×厚為 1.2m×3.0m×0.25 m 的面板)研究了能量樁供熱橋面板過程中面板和能量樁的溫度變化規(guī)律;在空氣溫度為-10 ℃時，面板融雪效果良好;在空氣溫度為-20 ℃時，面板表面的溫度無法達到 0 ℃以上。但是模型面板的厚度與工程中橋梁面板存在一定的差異，影響換熱效率和溫度分布;模型試驗中能量樁和橋面板的約束條件與實際橋梁不同，引起應(yīng)力分布的差異。

　　綜上所述，既有研究中往往僅考慮恒定輸入水溫或輸入功率條件下能量樁或橋面板的換熱效率，對于能量樁和橋面板相互影響下的換熱效率及熱力響應(yīng)特性與機理尚不清楚。因此，本文依托江陰市征存路觀風(fēng)橋市政橋梁工程，開展基于能量樁熱泵系統(tǒng)的橋面板換熱性能現(xiàn)場試驗;實測能量樁和橋面板的換熱效率及熱-力響應(yīng)特性;探討換熱效率的影響因素，樁身和面板的溫度及熱致應(yīng)力變化規(guī)律;為能量樁熱泵系統(tǒng)橋面融雪除冰技術(shù)的設(shè)計提供參考。

　　1 現(xiàn)場試驗概況 1.1 能量樁、橋面板換熱管及測試傳感器布置

　　試驗橋梁名為“觀風(fēng)橋”，位于江蘇省江陰市;年平均氣溫約17 ℃，冬季最低氣溫約-5 ℃。觀風(fēng)橋為預(yù)制空心板簡支梁橋，橋長30 m(三跨、每跨長10 m)、寬26 m(4個機動車道、2個非機動車道和2個人行道);橋面板由60 cm的預(yù)制空心水泥混凝土板(C40混凝土制成)和10 cm的現(xiàn)澆鋼筋水泥混凝土層組成;水泥混凝土板頂面鋪10 cm瀝青混凝土層。換熱管綁扎在現(xiàn)澆混凝土層的鋼筋網(wǎng)上，埋在水泥混凝土表面以下4 cm;即換熱管位于橋面以下14 cm(本文稱為埋管層)。換熱管為聚乙烯增溫(PERT)管，外徑20 mm、管壁厚2 mm;換熱管鋪設(shè)在邊跨的機動車道，進/出口的接頭設(shè)在橋梁的側(cè)邊緣;鋪設(shè)在混凝土橋面板中的換熱管總長度為80 m、間距25 cm，通過換熱管總長乘以間距得到橋面板中換熱面積為20 m2。橋面板換熱管鋪設(shè)照片及示意圖如圖1所示。

　　溫度-應(yīng)變傳感器A和B綁扎在現(xiàn)澆混凝土層的鋼筋網(wǎng)上預(yù)埋在橋面板中;傳感器A位于兩根換熱管中間位置，如圖1(c)所示，用以監(jiān)測橋面板在換熱系統(tǒng)和自然環(huán)境雙重作用下的溫度和應(yīng)變;傳感器B位于距離A點7 m不設(shè)換熱管的位置，如圖1(a) 所示，用于監(jiān)測面板在自然環(huán)境影響下的溫度和應(yīng)變。溫度-應(yīng)變傳感器型號為JTM-V5000B，測量應(yīng)變精度為±0.4 με/F，測量溫度精度為±0.2 ℃。橋面板表面的溫度通過紅外線測溫儀量測。

　　橋梁北側(cè)一排共5根能量樁，為鋼筋混凝土灌注樁，樁頂承托一根長26 m，寬1.3 m，高1.1 m的蓋梁，蓋梁底部接觸地面;5根能量樁分別標號為A、 B、C、D和E(圖2(a))。本次試驗依托B樁，樁長 20 m、樁徑1.0 m，混凝土標號為C30。換熱管為外徑25 mm、壁厚2.3 mm的聚乙烯(PE)管，布管形式為5U，綁扎在鋼筋籠上;為了防止在澆筑混凝土?xí)r樁底部的換熱管被破壞，樁底1 m以內(nèi)不設(shè)置換熱管。沿樁身深度方向布設(shè)了溫度-應(yīng)變傳感器，與換熱管一起綁扎在鋼筋籠上，用于監(jiān)測樁身的溫度和應(yīng)變。換熱管布置形式和儀器位置如圖2(b)所示。

　　試驗使用的循環(huán)流體為水，橋面板的出水口連接能量樁的入水口;能量樁的出水口和橋面板的入水口分別通過聚乙烯(PE)管連接具有電加熱功能的保溫水桶(容積為30 L，電加熱功率為0~6 kW);能量樁和橋面板的進/出口管道內(nèi)通過盲管插入溫度計以測量管內(nèi)水溫;保溫水桶的進/出水口分別安裝流量計和水泵，如圖2(b)所示。試驗期間正常開放交通，橋梁的設(shè)計交通荷載為公路-Ⅰ級。

　　1.2 樁周土體參數(shù)

　　樁身范圍內(nèi)有(0~ 20 m)4個土層，分別為粉質(zhì)黏土、含礫石黏土、粉質(zhì)黏土和含黏粒砂土層等(見表1所示)。地下水位位于地表以下0.5 m。勘查過程中，在每層土中留取3個原狀土樣，利用熱分析儀KD2 Pro測得了每層土樣的熱傳導(dǎo)系數(shù)見表 1所示[20]。

　　1.3 試驗方案與工況設(shè)計

　　能量樁B樁與橋面板進行換熱效率試驗測試，即20 m的能量樁與20 m2面積的橋面板進行換熱試驗，流量設(shè)置為0.65 m3 /h，期間記錄環(huán)境溫度、進/ 出口水溫、能量樁和橋面板的溫度及應(yīng)變等變化規(guī)律。現(xiàn)場試驗分為如下兩個階段(圖3)：

　　(1)第一階段：2020年12月20日7:00~12月23 日16:00，歷時81小時，能量樁與橋面板直接換熱。

　　(2)第二階段：2020年12月27日17:00~12月31 日9:00，歷時90小時。其中，12月28日17：00至21： 00發(fā)生降雪，環(huán)境溫度降至冰點以下;12月28日17： 00至12月29日07：00期間為能量樁聯(lián)合1.5 kW電熱泵與橋面板換熱;其余時間為能量樁與橋面板直接換熱。試驗期間環(huán)境溫度如圖3所示。

　　2 現(xiàn)場試驗結(jié)果與分析

　　2.1 能量樁換熱效率

　　能量樁的換熱效率為每延米能量樁的換熱功率，通過進/出口水溫和循環(huán)液流率，根據(jù)公式(1)計算。 ? ? l mc T T q p in樁 out樁樁 - ? (1)式中，q樁為能量樁的換熱效率;m為質(zhì)量流率;cp 為循環(huán)流體比熱容;Tin樁為能量樁進水口流體溫度; Tout樁為能量樁出水口流體溫度;l為樁長。所用材料參數(shù)見表2所示。

　　試驗過程中能量樁的進、出口水溫如圖4所示。試驗開始時，能量樁的出水溫度為16.8 ℃;試驗81 小時后，第一和第二階段試驗?zāi)芰繕兜某鏊疁囟确謩e為15 ℃和12.7 ℃。能量樁的出水溫度隨著系統(tǒng)的運行緩慢下降;環(huán)境溫度越低，能量樁的出水溫度下降速度越快;能量樁的進水溫度(即橋面板的出水溫度)則隨著晝夜溫度變化而周期性地波動。由此可見，能量樁的換熱效率受環(huán)境溫度影響顯著。

　　能量樁的換熱效率與環(huán)境溫度的關(guān)系如圖5所示。第二階段試驗由于前期開了14 小時的電熱泵，影響能量樁的換熱效率;因此，分析試驗60~90 h 期間能量樁的換熱效率與環(huán)境溫度之間的關(guān)系得到圖5(b)。由圖5可見，能量樁的換熱效率與環(huán)境溫度呈線形關(guān)系;但是在相同的環(huán)境溫度下，第二階段試驗?zāi)芰繕稉Q熱效率小于第一階段試驗。由此可見，在短期內(nèi)能量樁的換熱效率與環(huán)境溫度呈線性關(guān)系，但是隨著總換熱量的增大，在相同的環(huán)境溫度下，能量樁的換熱效率在不斷降低。能量樁的換熱效率受環(huán)境溫度和樁身溫度的雙重因素影響。

　　2. 2 橋面板換熱效率

　　橋面板的換熱效率為每平米橋面板的換熱功率，通過進/出口水溫和循環(huán)液流率根據(jù)公式(2)計算。 ? ? heated p in out A mc T T q 面板 面板面板 - ? (2)式中，q 面板為面板的換熱效率;Tin 面板為橋面板進水口流體溫度;Tout 面板為橋面板出水口流體溫度; Aheated 為橋面板的換熱面積。

　　根據(jù)第一階段試驗實測結(jié)果，能量樁的出水溫度Tout樁與橋面板的進水溫度Tin面板相等(能量樁出水流經(jīng)流量計、保溫水桶后會損失一部分熱量，但是，流經(jīng)水泵會吸收部分水泵的散熱，補償了前面損失的熱量。);能量樁的進水溫度Tin樁與橋面板的出水溫度Tout面板相等;橋面板的換熱面積為20 m2，能量樁的樁長為20 m;因此，橋面板的換熱效率與能量樁的換熱效率相等。黨政等[19]研究得到雙樁與單樁分別供熱同一塊混凝土面板情況下，混凝土板的換熱量相近;說明能量樁熱泵系統(tǒng)橋面除冰過程中，系統(tǒng)的換熱效率主要受面板的影響。

　　第二階段試驗開啟熱泵期間，橋面板的進水溫度為17.1～17.3 ℃，出水溫度為13.4～13.7 ℃，如圖4(a)所示。根據(jù)式 (2) 計算橋面板的換熱效率為 136～140 W/m2。能量樁的進水溫為13.4～13.7 ℃，出水溫為15.3 ℃;能量樁熱泵系統(tǒng)為橋面板提供的熱效率為64～76 W/m2，為橋面板總換熱效率的 50%。

　　2.3 能量樁熱力響應(yīng)特性

　　(1)樁身溫度

　　能量樁向橋面板供熱，樁身溫度下降。試驗數(shù)據(jù)顯示，樁深 2 m 處溫度較低，樁深 4~14 m 溫度較均勻。選取樁深 10 m 處的溫度為代表研究樁身溫度的變化規(guī)律。樁身的初始溫度為 17.6 ℃，換熱 81 小時后，第一與第二階段試驗的樁身溫度分別為 15 ℃和 13 ℃;由此可見，在不同的環(huán)境溫度條件下，樁身溫度的下降速度也不同。分析兩組試驗的樁身溫度與總的換熱量之間的關(guān)系如圖 6 所示;由圖 6 可見，樁身溫度隨著總換熱量的增加而降低，且逐步趨于穩(wěn)定。這是由于隨著樁身溫度降低，樁身從周圍土體中吸熱的效率也會增大;當能量樁的換熱效率等于其從樁周土體中吸熱效率時，樁身溫度將保持穩(wěn)定;當能量樁換熱效率小于其從樁周土體中吸熱效率時，樁身溫度將回升。黨政等[19]研究得到，雙樁向單塊混凝土供熱時，樁身溫度下降沒有單樁供熱時明顯，能量樁能夠長期穩(wěn)定地運行;這是由于雙樁供熱試驗中，每根能量樁的換熱效率小于單樁供熱試驗，在該試驗條件下，面板、能量樁和樁周土體達到了熱平衡。

　　第二階段試驗不同時段能量樁的樁身溫度如圖 7 所示;其中樁深 19 m 處傳感器損壞，沒有測得試驗數(shù)據(jù)。試驗開始前，能量樁樁深 2 m 處溫度較低，樁深 4 m 以下溫度較均勻;隨著試驗的進行，樁身溫度不斷降低，樁深 4~14 m 溫度較均勻，而 17 m 位置溫度相對較高。這說明在換熱試驗過程中，樁身底部溫度變化較緩慢;這是由于受樁端以下半無限溫度相對較高巖土層的作用，樁端回溫速度較樁身其他部位大。此外，各巖土層傳熱性能的差異也對樁身溫度分布產(chǎn)生一定影響。

　　由圖 7 可見，試驗初期樁身溫度下降速度較快，之后逐步趨于穩(wěn)定。在 0~36 h 期間樁身溫度降低了 2.3~2.5 ℃;在 60 ~90 h 期間的 30 h 樁身溫度僅降低了 0.2~0.3 ℃，可認為樁身溫度近似達到穩(wěn)定狀態(tài)。60 h~90 h 期間能量樁平均的換熱效率為 147 W/m，可以認為在樁身溫度為 12~13 ℃時，能量樁從樁周土體吸熱的效率為約 147 W/m。0~12 h 期間樁身溫度下降了 1.6 ℃，12 h~22 h 期間樁身溫度降低了 0.3 ℃，也可認為處于近似穩(wěn)定狀態(tài);12 h~22 h 期間樁身溫度約 15.8 ℃，進/出口水溫差為 1.4~1.5 ℃，則樁身換熱效率約為 58 W/m。24 h~36 h 期間開啟了電熱泵，但是由于環(huán)境溫度急劇下降，能量樁換熱效率大，樁身溫度下降依然明顯。

　　(2)樁身熱致應(yīng)變與應(yīng)力

　　樁體受冷收縮，但是由于約束條件，自由收縮受限，樁體內(nèi)部會產(chǎn)生附加熱致應(yīng)力。樁身應(yīng)變由埋在樁身混凝土內(nèi)部的傳感器測得，不同時間段樁身應(yīng)變沿樁深變化規(guī)律如圖 8 所示。由圖 8 可知，樁身應(yīng)變在深度上呈現(xiàn)較大的差異，樁深 8 m 位置應(yīng)變最大，17 m 位置和 2 m 位置應(yīng)變相對較小。

　　樁深 17 m 位置溫度變化最小，應(yīng)變也相對較小。分析樁身 2 m、8 m、14 m 和 17 m 深位置的應(yīng)變與樁體瞬時溫度升幅之間的關(guān)系如圖 9 所示。樁深 8 m 位置實測能量樁熱膨脹系數(shù)平均值約為 7.4 με/℃，樁深 14 m、17 m 和 2 m 處的膨脹系數(shù)分別為 6.4 με/℃、6.9 με/℃和 4.6 με/℃。這是由于約束條件不同導(dǎo)致的，頂部由于蓋梁的約束作用，應(yīng)變最小;樁身中部的約束小于底部。

　　能量樁不同深度處的軸向熱致應(yīng)力可由式(3)計算得到。 ? ? thermal E T oba ? ? ?? ?? (3)其中，σthermal為熱致應(yīng)力;E 為混凝土的楊氏模量，取 2.5×104 MPa;β 為混凝土自由(不受約束) 熱膨脹系數(shù)(取 10-5/℃);ΔT 為混凝土的溫度變化; εoba 為混凝土的實測熱應(yīng)變。規(guī)定壓應(yīng)力為正、拉應(yīng)力為負。《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362—2018)規(guī)定 C30 水泥混凝土抗拉強度為 2.01 MPa，C40 混凝土抗壓強度為 26.8 MPa。

　　圖 10 顯示了樁身在不同時段的軸向熱致應(yīng)力，試驗結(jié)束時樁深 2 m 處最大熱致應(yīng)力為-0.792 MPa，約為混凝土抗拉強度(2.01 MPa)的 39.4%; 8 m、14 m 和 17 m 位置最大熱致應(yīng)力分別為-0.332 MPa、-0.531 MPa 和-0.341 MPa;樁深 17 m 位置熱致應(yīng)力比 14 m 位置小，這是由于 17 m 位置溫度變化小。

　　軸向熱致應(yīng)力與樁體瞬時溫度升幅關(guān)系曲線如圖 11 所示。2 m、8 m 和、14 m 和 17 m 位置樁體最大軸向約束應(yīng)力的溫度響應(yīng)分別為 0.136 MPa/℃、0.064 MPa/℃、0.092 MPa/℃和 0.076 MPa/℃左右。樁深 2 m 位置的應(yīng)變最小、應(yīng)力最大; 8 m 位置應(yīng)變最大、應(yīng)力最小。

　　(3)樁側(cè)摩阻力

　　由于樁身溫度降低，樁體產(chǎn)生收縮應(yīng)變，從而導(dǎo)致樁身與土體的摩擦力降低，影響樁體的承載力。由圖 8 可知，樁體中部變形最大，兩端較小。樁體收縮，能量樁與樁周土體產(chǎn)生相對位移;能量樁的上部受到向上的正摩阻力，下部受到向下的負摩阻力。利用軸向約束應(yīng)力沿樁深方向變化可計算樁體側(cè)摩阻力變化，根據(jù)公式(4)計算 [21]：? ? l D f t j t j j ???? 4 ? , ? , 1 (4)式中，fj 為 j 測點處的熱致樁側(cè)摩阻力;D 為樁徑; σt,j 為 j 點處的軸向約束應(yīng)力;Δl 為 j 和 j-1 測點的高度差。負號代表摩阻力方向向下。

　　中性點出現(xiàn)在樁深 8 m(約 0.4l)處，正摩阻力和負摩阻力的最大值分別為19.5 kPa和15.8 kPa;王成龍等[22] 的研究中能量樁的中性點位 0.6 L 處，能量樁的熱致樁側(cè)摩阻力及中性點位置如圖 12 所示。中性點位置主要與試驗樁樁端約束條件有關(guān)，本文現(xiàn)場試驗樁樁頂受蓋梁約束，樁頂承受橋面板的荷載，樁身受冷收縮向上發(fā)展，中性點位置向上移動。

　　(4)熱致樁頂軸向位移變化

　　樁身由于溫度變化引起熱脹冷縮，將引起樁頂位移變化。通過將軸向熱應(yīng)變從中性點開始沿深度向樁體兩端疊加，估算出相對熱致軸向位移，具體計算公式如式(5)[21]：? ? l ?i ? ?i?1 ? ? i?1 ?? i ? 2 1 (5)其中，δi 為 i 測點相對軸向熱致位移;εi 為 i 測點的熱致應(yīng)變;Δl 是測點 i 和 i-1 之間的樁長。本文試驗條件下，試驗結(jié)束時樁頂熱致位移為 -0.239 mm，約 0.3‰倍樁徑。

　　2.4 橋面板熱力響應(yīng)特性

　　試驗期間每天 7：00 至 17：00 每隔 2 小時讀一次埋于面板內(nèi)的傳感器的溫度，面板 A、B 兩點的溫度差可認為是由能量樁熱泵系統(tǒng)換熱作用引起的面板溫升。圖 13 顯示了第一階段試驗面板埋管層 A、B 兩點的溫差隨時間的變化曲線;由圖 13 可見，每天上午 7：00 至 9：00 溫差較高、9：00 至 17：00 溫差逐漸下降。這是由于白天環(huán)境溫度升高，且在太陽輻射的作用下，橋面板溫度升高導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。筆者等[18]關(guān)于橋面板熱響應(yīng)試驗研究得到，面板的溫升與換熱效率成正比關(guān)系，換熱效率越大，面板溫升越高。面板的溫升在試驗開始后 50 個小時達到最大值 5.4 ℃，之后由于能量樁的出水溫度逐漸降低，在相同的環(huán)境溫度下?lián)Q熱效率減小，面板的溫升也降低。

　　第二階段試驗期間橋面板的溫度變化情況如圖 14 所示;圖 14(a)和(b)分別顯示了橋面板表面和埋管層的溫度變化曲線。由圖 14 可見，在 30~80 h 期間，環(huán)境溫度低于 0 ℃，B 點橋面的溫度也降到了 0 ℃以下，而 A 點橋面的溫度一直高于 0 ℃;在最低環(huán)境溫度-4 ℃時，A 點橋面的溫度在 2.2 ℃ 左右。因此，可以得出 20 m 能量樁供熱 20 m2 橋面板可有效防止橋面結(jié)冰。另外，在第二階段試驗期間，A、B 兩點埋管層的最大溫差為 7.2 ℃，大于第一階段試驗的最大值 5.4 ℃。在低溫環(huán)境下，能量樁的換熱效率更高，對橋面板的供熱效果更顯著，與黨政等[19]基于模型試驗的研究結(jié)果一致。

　　橋面板在受熱過程中，由于約束條件和不均勻溫升導(dǎo)致熱應(yīng)變受到限制，從而產(chǎn)生熱致應(yīng)力。埋入橋面板混凝土中的傳感器可以測得應(yīng)變;熱應(yīng)力可以通過公式(3)計算。

　　實測的面板應(yīng)變、理論自由熱膨脹應(yīng)變及溫度引起的熱致應(yīng)力如圖 15 所示。實測應(yīng)變隨面板溫度的變化呈線性變化，而應(yīng)變系數(shù)小于自由熱膨脹應(yīng)變;實測應(yīng)變與自由膨脹應(yīng)變之比為 0.665，說明存在 33.5%的約束應(yīng)變。這意味著在面板中產(chǎn)生了熱致應(yīng)力;面板最大溫度增量為 9 ℃，最大熱致應(yīng)力為 770 kPa，為混凝土強度(26.8 MPa)的 2.9 %。

　　3 結(jié) 語

　　依托江陰市征存路觀風(fēng)橋市政橋梁工程，本文開展了基于能量樁熱泵系統(tǒng)的橋面工程融雪除冰現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場實測了能量樁、橋面板的換熱效率、溫度及熱致應(yīng)力等變化規(guī)律。本文試驗條件下，可以得到以下幾點結(jié)論：

　　(1)能量樁的換熱效率受環(huán)境溫度和樁身溫度雙重因素影響;樁身溫度隨著總換熱量的增加而降低，并逐漸趨于穩(wěn)定;環(huán)境溫度為-2~0.5 ℃、樁身溫度為 12~13 ℃時，穩(wěn)定的換熱效率約為 147 W/m。

　　(2)在-4℃環(huán)境溫度下，20 m 能量樁供熱 20 m2 橋面板可保證橋面板表面溫度始終高于 0 ℃。

　　(3)樁深 8 m 處應(yīng)變最大(4/10 樁長)，熱致應(yīng)力最小;2 m 位置熱致應(yīng)力最大，最大軸向熱致應(yīng)力為-0.792 MPa，熱致應(yīng)力的溫度響應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定在 0.136 MPa/℃左右。

　　(4)能量樁上部受到正摩阻力，最大值為 19.5 kPa;下部受到負摩阻力，最大值為 15.8 kPa。試驗結(jié)束時樁頂熱致位移為-0.239 mm，約 0.3‰倍樁徑。

　　綜上所述，能量樁熱泵系統(tǒng)可有效防止橋面板結(jié)冰;熱致應(yīng)力不會引起橋面板結(jié)構(gòu)的破壞;系統(tǒng)運行過程中，樁身產(chǎn)生了拉應(yīng)力，應(yīng)用中需要關(guān)注能量樁樁身溫度，防止溫度降低幅度過大而導(dǎo)致樁身混凝土破壞。本文只涉及了 5U 型埋管形式的能量樁和埋管間距為 25 cm 的橋面板，對于其他埋管形式的能量樁、其他埋管間距橋面板的換熱性能需要展開更多的研究。