原文传递
大跨径斜拉桥桥塔横梁覆冰特征及防除冰措施仿真研究
| 论文题名： | 大跨径斜拉桥桥塔横梁覆冰特征及防除冰措施仿真研究 |
| 关键词： | 桥梁工程;数值仿真;结冰模拟;碳纤维发热线缆 |
| 摘要： | 低温条件下，大跨径斜拉桥上空的坠冰问题严重威胁桥梁的通行安全。目前，对于桥梁结构的除冰措施主要集中于桥面及缆索，对于桥塔横梁表面的冰层重视程度较低，相关的除冰措施研究尚处于起步阶段，而桥塔横梁表面积大，易于附着水分，在低温条件下易形成大质量冰层，造成的威胁性远大于缆索表面的冰层。因此，为了保障低温环境中桥梁的通行安全，对桥塔横梁采取有效的防除冰措施具有重要意义。 本文以武汉青山长江大桥为例，通过在Fluent及FENSAP-ICE中建立同尺寸的数值仿真模型进行仿真计算，研究大跨径斜拉桥桥塔横梁的覆冰特征，并根据模拟获得的结果，针对性地进行了防除冰措施研究，提出了可行有效的桥塔横梁防除冰方案，减小和消除低温条件下大跨径斜拉桥上空的坠冰危害。主要成果如下： （1）通过可行性研究，证明了本文所采用的结冰模拟方法的可行性和合理性；通过结冰模拟试验研究横梁的结冰状况，得到了横梁表面冰层分布的特点。结冰模拟试验结果表明，横梁的主要结冰面为迎风面，且冰层的主要积聚位置为迎风面的顶部和底部边缘区域。 （2）针对横梁结冰模拟结果中横梁表面冰层分布的特点，设计了可以贴附于横梁表面的加热模块，加热模块通过电热的方式对横梁表面进行防除冰；通过横梁在有、无模块下的结冰模拟对比试验发现，在横梁表面布置加热模块后可以改变横梁表面冰层的分布情况，使冰层主要积聚在加热模块表面，这有利于主要通过表面传热来进行融冰和防结冰的加热模块的工作，进一步证明了通过布置加热模块来进行横梁表面融冰和防结冰的合理性和有效性。 （3）根据模块对横梁的加热模拟试验结果，加热模块与横梁表面之间应设置隔热层，减少模块热量向横梁内部的传递。根据对加热模块热量利用过程的分析可知，模块外壳应采用比热容较大的材料，提高加热模块热量利用率，保证模块的工作效率。 （4）根据融冰模拟试验，加热模块具有良好的热响应效率及发热效率，当加热模块发热功率满足融冰要求时，在加热时长为9min时即可以开始有效地融化冰层。当冰层厚度较大时，冰层可能出现融化不完全的情况，导致冰层可能突然发生坠落。因此通过加热模块进行融冰工作时需要对桥梁进行短时间的通行管制直至横梁表面冰层全部融化完成，避免融化不完全而脱落的坠冰对行人和车辆造成伤害。 （5）根据防结冰模拟试验，通过调整碳纤维发热线缆的功率可以使加热模块达到良好的整体防结冰效果。同时，加热模块的预加热工作模式与融冰工作模式相比，预加热工作模式消耗的能量更少、效率更高、更安全。 |
| 作者： | 詹向 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 杨智勇 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖北工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
检索历史
应用推荐
