橋梁路面の凍結現象 利用統計を見る

橋梁路面の凍結現象

著者

福原 輝幸

雑誌名

福井大学地域環境研究教育センター研究紀要 「日

本海地域の自然と環境」

巻

1

ページ

13-16

発行年

1994-06-01

URL

http://hdl.handle.net/10098/7852

橋梁路面の凍結現象

福井大学福原輝幸 1. はじめに 橋梁路面の凍結は路面が降雪時や散水後の湿潤時に限り生じる現象ではなく、霜付着凍 結および霧付着凍結のように路面が乾いた状態からも比較的短時間で起こる 1) 。しかし ながらこれらの凍結現象の発生の有無や凍結時間は基本的に橋床と大気との聞の熱エネ ルギーの交換により規定される。凍結に3齢、橋梁作りおよび精度の高い凍結センサーの開 発にはこれらの熱的相互作用の掌握が不可欠である。 そこで、本研究では熱エネルギーの観点から橋床版(コンクリ- )-，スチール)およ び橋床に与える風速を変化させ、それぞれの凍結過程について検討を行った。以下に、得 られた結果を示すことにする。

2. 橋梁路面の凍結解析

2.1 橋床と大気との聞の熱的相互作用 橋床と大気との間の熱エネルギー交換は Fig. 1 のように表される。その際、橋床境界 要素の内部エネルギーの時間変化率 θQB/白は純長披放射エネルギー R( 大気放射エネ ルギ - Rs 、路面放射エネルギー Ru 、) [1 ・高水敷からの放射エネルギー RR 、橋床底 面からの放射エネルギー R

_D

、空気移動による顕熱 S、蒸発による潜熱 L および熱伝導 エネルギー C 、で規定される。すなわち、 2.2 伝熱解析 橋床内部では以下の熱伝 導方程式が成り立つ。 (ρc) θT/白=

'

v

(入マT)

(

2

)

ここに、 (pc) : 橋床の体積熱 容量、 T: 温度、入:索村云導 率、 t : 時間、マ:微分演算 子、である。式 (1) は積分有 限差分法により解かれる。 2.3 蒸発量 路面からの蒸発フラック ス密度 Mv は境膜説 (

F

i

l

m

t

h

e

o

r

y

) によって計算され る。すなわち、 8QB/ θt=(C-R-S-L) 、、‘ EEJ E 司自よ

(

(

X

.

))~

牟」ノζア

10 0 0 0 01 10 o. 吃。 01 1000001 て日品。フ 1

r

1

"

r

/

1 ~ 1 てグ L益阜nt h皇益 R r-t 皇皇溢.ihkJl鍾主道弘エ呈盛盆並E

F

i

g

.

1 橋床における熱エネルギー収支の概念 η3

Mv

=

Da

t

m

(

P

v

s

-P

v

a

)

/

8

(

3

)

であり、 Dαtm 水蒸気拡散係数、 Pvs 表面水の水蒸気密度、んα: 大気の水蒸気密度、 6 : 水蒸気密度境界層厚、である。 2 .4顕熱 空気移動に伴う大気と橋床あるいは水面閣の熱エネルギー交換は次式で与えられる。 s= αc (丸一 Tα)

(

4

)

ここに、 αc 熱伝達率、 T

_s

: 大気と接する境界の表面温度、 Tα : 大気温度、である。熱 伝達率 αc は風速で変化する物理量である。

3. 橋床モデルによる伝熱実験

3.1 実験の概要 実験は Fig. 2 のような風洞を利 用して行われ、橋床表面上 0.15m での風速は1. 3 および 2.7

[

m

/

s

]

に変えることができる。橋床モデ ノレは Fig. 3 のようなコンクリー ト橋床(

0

.

2

x

0

.

2

x 高さ 0.2

m )

および鋼橋床(

0

.

2

x

0

.

2

x 高さ

0

.

1

2

8

m )の 2 種類である。両橋 床とも中央部の表面および内部( Fig.2 実験および計測装置

10 '

"

"

12 ヶ所)に熱電対が埋め込

まれる。なお、実験の詳細は参考

ト主L叶

Unit: (m)

安T/一一一一升 τ

0

.

2

文献 2) を参照されたい。

ツ乞一二コj

1

1

0

.

1

ー

トー一吋

3.2 実験結果および考察

IAsphalも|淵 t

)

(

1

V:}乙 ~lìo.1

」ニ一一」つ 11

0

.

1

~rアーナです 11 ↓

橋床と大気との聞の熱エネルギ

にご二コ引土

G

o

n

c

r

e

t

!

E

J" -

1

,-

A

s

~-l.-.._.V

p

h

a

l

t

1

I

/

1

Y

1

.

.

J

ﾍ

>

l

J

.

0

2

8

一交換の上で重要な 2 つのパラ 」ーー一一_j/ I 亡s::te百二シ「

メータである熱伝達率 αc および

L _

Thermo-cou

p

l

e

s

-

-

-

_{_ j}

水蒸気密度境界層厚 6 と風速 V

p

F

i

g

.

3 橋床モデル

,,-.._

_自\偉

n u

噌_i

(

g

E

、、../ 〉、 > υ コ てコ ロ 。 υ 百 o

2

4

若 Wind

V

e

l

o

c

i

t

y

V

e

(

m

/

s

)

Fig.4 熱伝達率と風速の関係

o

:

E

x

p

.

ー

i~0

1

0 1 n

0

2

4

6

向 Wind

v

e

l

o

c

i

t

y

V

_e

(

m

/

s

)

F

i

g

.

5 境界層厚と風速の関係

-14-〆-、

呂

'-'

0

.

1

P

'

h ¥

17

,

\い\

I(~

~

-

0

.

1

1

*

-v・・ Steel ~ I 民 l ~l_ 1週

Z

HSteel

ごー手γ澄宇 -81内...-科

三一0.128 t常二一一一

~↓ll. I固ム 1 (]) 11 さ -,1 ﾅ'

gJ4f

石川口

I

I

~

w~

5 脅/.... /・・ 1 11 _0 y/V・r

o

..年 1.

.

1

~

_

1

'

"

0

._'"企./ -0.2 ・\l{ - ，，"..ー二 E

₈₁₀

一0.2 ・ W - v .,w

0 -

4

8 -

1

0

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

e

T

CC)

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

e

T

C

C

)

F

i

g

.

6 橋床内温度分布の経時変化

F

i

g

.

7 橋床内温度分布の経時変化 (自然対流) (強制対流 2.7

[

m

/

s

]

)

の関係を Fig. 4 および Fig. 5 に示す。風速の増加と共に αc は増大し、 6 は減少する。 伝熱計算ではこれらの値が使用される。

F

i

g

.

6 は自然対流時の、 Fig. 7 は風速 2.7 [m/s] での橋床内部温度および路面水温度の 経時変化をそれぞれ表わしたものである(図中には計算値も示される)。この結果の詳

細は参考文献 1) で論述しているが、要約すると以下の通りである。コンクリート橋床で

はアスフアルト部分およびコンクリート部分とも上面および底面での温度低下によって、 時間と共に温度勾配が形成され、温度分布は両部分の接合部(橋床中央)付近で最大値 をとるような弓状となる。鋼橋床では、アスフアルト部分にのみ明確な温度勾配カ苛見れる Tirne (hr) 0.75 1.0 . '1 ... T

ω

ロ・ 00 ・

音色問〈

Bridge floor Concret巴 Steel 。 Cal. Tirne (hr) 4 6 b 勺 ι 可 2 口圃 00 ・ Bridge floor Steel Concr巴t巴 ，，--.、

呂

、ー，〆

N

~

E - 0

.

1

2

8

ω

凸

2

B

.

F

.

:

B

r

i

d

g

e

f

1

0

0

r

-

_昌司 O-2qH

小||寸|中

す口

A

一マロ

A

一守団地店

一

W3

一品

一

W

団品

一守司品

T

i

m

e

t

(

h

o

u

r

)

。

ー。

B

.F

.

C

S 瓦工、

S

.

t

・・...

.

.

.

.

Conc.o ロマ A ζ》 c)

4

0

0

Fヘ <'l

缶

、、、、、

己主

77200

ロ ロ 〉、

0

.

0

.

.

.

.

ω ロ ω ロ3 4主

回一20喝

-

B

.

F

.

:

B

r

i

d

g

e

B

o

o

r

o

ち

•

。

2

4

T

i

m

e

t

(

h

o

u

r

)

e

1

0

0

〆・h、 N

5

、、、

己主

、._/

>

<

ロ

ロ

〉、

0

.

0

L吋 <l.) ロ <l.)

r

o

ω 出

_-5喝

(a) 自然対流 (b) 強制対流 (2.7m/s) Fig.8 橋床内エネルギーフラックスの経時変化 F h u ' E i

ため、接合部付近で折れ曲がるような温度分布となる。上述したような温度分布特性は風 が吹くことにより明瞭となる。

F

i

g

.

8 は路面水を横切る熱エネルギー成分の経時変化(実験開始からおおよそ凍結時 点まで)を示したものであり、( a) はコンクリート橋床、 (b) はスチール橋床である。両 者とも送風時、大気へ向かう熱エネルギーが増大するために、橋床内部から路面水へ向か う熱エネルギーフラックスも増大する。今の場合、損失熱エネルギーは送風前は長波放射

(

R

) 、潜熱 (

L

) 、顕熱 (

s

) の順に、送風時は潜熱 (

L

) 、顕熱 (

s

) 、長波放射(

R)

の順となる。 コンクリート橋床とスチール橋床で比較すると、各熱エネルギー成分ともそ れほど大きな違いはない。 最後に、内部熱エネルギーの時間に伴う減少を示したものが Fig. 9 であり、 (a) はコン ク リート橋床、 (b) はスチール橋床である。コンクリート橋床の初期内部熱エネルギーは スチール橋床のそれの約1.4 倍大きい。ただし、 Fig. 9 で‘は時間毎の内部熱エネルギー は初期のそれで無次元化されている。送風によって、内部熱エネルギーの減少が著しく な り、この時間的な減少率はスチール橋床の方がコンクリート橋床よりも大きくなることが 知れる。

.

-

.

1

0

0

志

、、J

明門戸

\ph

凶

Mω 口一 ω

-ω

ロし阿 ω

】口問

S

t

e

e

l

0

6

₂

Time

t

(

h

o

u

r

)

(a) 自然対流

ざ

Dh

凶むロω

VA 国情 t o--園、 。:園、 ak 園、 em 圏、、 町匂 dAC 園、 川町 M 市川園、 門 UφL 門 U. 、 ESC

園、、

、 、 、 、 、 、

---~-~争PPit

4

-dw

ロ し_同山 UH

何回]{

0

6

Time

t

(

h

o

u

r

)

(b) 強制対流(

2

.

7

m

/

s

)

2

S

t

e

e

l

F

i

g

.

9 内部熱エネルギーの経時変化

4. 結論

本実験を通して以下のような結論が得られた。一般にスチール橋床の方がコンク リート 橋床に比べて凍結しやすいと言われる原因は、前者の持つ内部エネルギーが後者のそれに 比べて小さいために、舗装体表面に輸送される熱エネルギー供給の長期的な持続性に欠け るためと考えられる。 参考文献

1

)渡辺 洋:冷温水循環方式による橋梁路面凍結防止、福井大学卒業研究、 1994

2

)酒井重郎:橋梁道路上の凍結メカニズムに関する実験的研究、福井大学卒業研究、

1

9

9

3

p o

- - A