余昌松,　殷春生,　王華卿

(1.淳安縣氣象局, 浙江 淳安　311700;2.杭州市富陽區(qū)氣象局, 浙江 杭州　311400)

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高層建筑直擊雷防護(hù)設(shè)計的分析

余昌松1,殷春生2,王華卿1

(1.淳安縣氣象局, 浙江 淳安311700;2.杭州市富陽區(qū)氣象局, 浙江 杭州311400)

基于滾球法原理,分析了影響建筑物防雷保護(hù)范圍的主要因子,探討不同高度的建筑物應(yīng)采用不同類型的接閃器,指出一般建筑物采用接閃桿,高層、超高層建筑物宜采用接閃帶。用定量計算的方法推導(dǎo)出計算公式,通過對實際案例的驗算加深了對滾球法的理解,并準(zhǔn)確確定接閃器防雷保護(hù)范圍。

高層建筑; 滾球法; 接閃器; 直擊雷; 防護(hù)措施

0　引　言

目前,高層建筑在城市中越來越多,建筑高度超過100 m的超高層建筑也隨處可見。高層、超高層建筑不僅在結(jié)構(gòu)工藝和消防安全上有更高的要求,而且遭受雷擊的可能性更大,對防雷設(shè)計和施工人員帶來了更多挑戰(zhàn)。本文介紹了高層建筑直擊雷防護(hù)的設(shè)計思路,希望能為防雷技術(shù)人員提供參考。

1　高層建筑物直擊雷防護(hù)原理

高層建筑直擊雷防護(hù)的設(shè)計依據(jù)是國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[1](簡稱《雷規(guī)》),其第4.2.4條、4.3.1條、4.4.1條規(guī)定,“防雷建筑物外部防雷措施,宜采用裝設(shè)在建筑物上的接閃網(wǎng)、接閃帶、接閃桿以及由接閃網(wǎng)、接閃帶、接閃桿混合組成的接閃器;當(dāng)建筑物高度超過對應(yīng)類別滾球半徑時,首先應(yīng)沿屋頂周邊敷設(shè)接閃帶,接閃帶應(yīng)設(shè)在外墻外表面、屋檐邊垂直面上或屋檐邊垂直面外?！辈捎媒娱W器后,整個屋面組成不大于對應(yīng)防雷類別規(guī)定的接閃網(wǎng)格,整個建筑物要在接閃器的保護(hù)范圍以內(nèi),同時接閃器的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)采用滾球法確定。對于低于所對應(yīng)防雷類別滾球半徑的建筑物,可以屋頂周邊敷設(shè)接閃帶或接閃桿,但《雷規(guī)》沒有明確規(guī)定具體的安裝位置。

滾球法是計算接閃器保護(hù)范圍的方法,以hr為半徑的一個球體,沿需要防直擊雷的部位滾動時,球體只觸及接閃器(包括作為接閃器的金屬物)或只觸及接閃器和地面(包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物),而不觸及需要保護(hù)的部位時,則該部分就得到接閃器的保護(hù)。滾球法確定接閃器保護(hù)范圍的規(guī)定適用于任何場合,然而在實際應(yīng)用上要作具體分析。

2　高層建筑接閃器保護(hù)范圍的探討

2.1建筑物高度h≤hr時接閃器保護(hù)范圍

建筑物(含接閃器)高度h

根據(jù)滾球法基本原理,可以得出接閃器范圍的計算公式。

(1) 用接閃帶:當(dāng)h

(1)

式中:hx——建筑物的高度。

(2) 用接閃桿:當(dāng)h

(2)

表1　接閃帶在不同高度建筑物女兒墻軸線上

表2　接閃桿在不同高度建筑物女兒墻軸線上的保護(hù)寬度和兩端保護(hù)半徑　m

2.2建筑物高度h≥hr時接閃器保護(hù)范圍

當(dāng)建筑物(含接閃器)高度h≥hr時,屋頂周邊接閃器的保護(hù)范圍不能完全覆蓋外立面。因此,采取防側(cè)擊雷措施。防側(cè)擊雷的水平接閃帶不能被均壓環(huán)替代,因為高層建筑引下線太長,雷電流產(chǎn)生的電感電壓降數(shù)值過大,所以將引下線、建筑物的金屬結(jié)構(gòu)和金屬設(shè)備連接到均壓環(huán)上,以消除建筑物同一高度上因雷擊造成的電位差[4-5]。均壓環(huán)可以安裝在建筑物外部或建筑物內(nèi)部,在實際工程中通常利用建筑物圈梁鋼筋作為均壓環(huán)。防側(cè)擊雷用的接閃帶、接閃桿等接閃器,要求明敷在建筑物外部,直接截收雷擊(防雷電側(cè)擊也屬于直擊雷防護(hù))。水平接閃帶采用環(huán)狀敷設(shè),并且每隔1.0～1.2m需用支持卡作固定,考慮到施工難度比較大,可以將水平的接閃帶和接閃桿混合組成接閃器,其接閃帶、接閃桿的水平間距以及接閃桿之間的間距應(yīng)符合本類防雷建筑物保護(hù)的要求,具體可以通過以下方法確定。

防側(cè)擊雷接閃帶剖面圖和平面圖如圖1所示。當(dāng)滾球在其外立面滾動時,受到兩條水平接閃帶支撐于A點和D點,并與墻面相切,AD的墻面就能得到A、D兩條水平接閃帶的保護(hù),則A、D兩條接閃帶的水平最大間距為

(3)

圖1　防側(cè)擊雷接閃帶剖面圖和平面圖

防側(cè)擊雷接閃桿平面圖如圖2所示。滾球在其外立面受到四根水平接閃桿支撐于A點、B點、C點和D點,并與墻面相切,BE間的墻面就得到兩條水平接閃桿的防雷保護(hù),則兩條水平接閃桿之間的最大間距為

(4)

(5)

圖2　防側(cè)擊雷接閃桿平面圖

3　應(yīng)用實例

某建筑物高度為39 m,需采取一類防雷(hr=30 m),由于h=39 m>30 m,故采取防直擊和防側(cè)擊雷相結(jié)合的措施。

(1) 防側(cè)擊雷采用接閃帶作為接閃器,接閃帶支架高度h=0.15 m,由式(3)求得防側(cè)擊雷的兩條接閃帶的間距為

計算結(jié)果與《雷規(guī)》第4.2.4.7.1條規(guī)定的要求相同,即在建筑物高度30 m處設(shè)第一道水平接閃帶,36 m處設(shè)第二道接閃帶,39 m處設(shè)第三道接閃帶,且第三道接閃帶安裝在外墻外表面或?qū)⒔娱W帶支架頂端適當(dāng)加長斜彎到規(guī)定的位置,確保整個建筑在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。

(2) 防側(cè)擊雷采用接閃帶、接閃桿組成的混合接閃器,接閃帶支架高度h=0.15 m,接閃桿高度hr=0.30 m。

由式(3)計算得:

由式(4)計算得:

一般建筑物的層高約為3 m,取OB=3 m。

由式(5)計算得:

計算結(jié)果表明,建筑物高度30 m處設(shè)第一道水平接閃帶,36 m處設(shè)第二道接閃桿,接閃桿間距5.97 m,39 m處設(shè)第三道接閃帶,且第三道接閃帶安裝在外墻外表面或?qū)⒔娱W帶支架頂端適當(dāng)加長斜彎到規(guī)定的位置,確保整個建筑在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。

4　結(jié)　語

理論上滾球法計算接閃器保護(hù)范圍的方法適用于任何場合,但在實際應(yīng)用時會遇到許多問題。因此,在確定高度較高、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的建筑物保護(hù)范圍時,要基于滾球法基本原理進(jìn)行具體分析。本文以相對簡單且較具代表性的建筑結(jié)構(gòu)體為模型,通過實例的分析計算,加深對滾球法的理解,為今后防雷設(shè)計、施工和檢測提供參考。

[1]建筑物防雷設(shè)計規(guī)范:GB 50057—2010 [S].

[2]雷電防護(hù) 第3部分:建筑物的物理損壞和生命危險:GB/T 21714.3—2008[S].

[3]劉蜀岷.避雷針保護(hù)范圍不能“絕對化”[J].高電壓技術(shù),2005,31(7):82-83.

[4]銀燕,楊仲江,郭鳳霞,等.防雷技術(shù)與科學(xué)[M].北京:氣象出版社,2011.

[5]許穎,劉繼,馬宏達(dá),等.建(構(gòu))筑物雷電防護(hù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

Analysis of Lightning Protection Design in High-rise Building

YU Changsong1,YIN Chunsheng2,WANG Huaqing1

(1.Chun’an Meteorological Service, Chun’an 311700, China;2.Fuyang Meteorological Service, Hangzhou 311400, China)

Based on theory of roll ball method,this paper analyzed the main factors that impacted on the lightning protection range of buildings,and discussed that the different height buildings should adopt the different types of lightning arresters,such as the general buildings should adopted the lightning rods and the high-rise or super high-rise buildings are more suitable to be equipped with lightning strips.The computational formulas were inferred by quantitative calculations,and the understanding of roll ball method was deepened through the checking computation of actual cases,which can accurately ensure the lightning protection range of lightning arresters.

high-rise building; rolling ball method; lightning arrester; direct lightning; protection measures

余昌松(1957—),男,工程師,從事雷電防護(hù)方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)06-0055-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.06.014

2016-05-18

殷春生(1986—),男,工程師,從事雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方面的工作。

王華卿(1976—),女,工程師,從事雷電防護(hù)管理方面的工作。