仇 健

(廣東省珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東 珠海 519000)

1 引言

一般地，獨(dú)立接閃桿常用于易燃、易爆等第一類防雷建(構(gòu))筑物的直擊雷防護(hù)［1］，一旦因設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致建筑物遭受雷擊將可能造成巨大破壞和人身傷亡，后果不堪設(shè)想。然而筆者在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，獨(dú)立接閃桿的防雷設(shè)計(jì)存在一些容易忽視的問題，在此總結(jié)出來，與同行商榷。

2 易忽視的幾個問題

2.1 確定合理的保護(hù)安全裕度

保護(hù)安全裕度，即獨(dú)立接閃桿對被保護(hù)物保護(hù)范圍的富余程度。它可以用兩種方式來表示:(1)△ur=rx－d;水平方向上等于接閃桿的設(shè)計(jì)保護(hù)半徑與桿至被保護(hù)物最遠(yuǎn)端的距離之差;(2)△uv=h0－h(huán)x;垂直方向上等于接閃桿的設(shè)計(jì)保護(hù)高度與被保護(hù)物高度之差。

從安全的角度講，安全裕度越大越好，但是增大安全裕度需要增加投資，而降低安全裕度雖可節(jié)約成本卻又可能造成更大的經(jīng)濟(jì)損失甚至危及人們的生命財產(chǎn)安全和社會穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)時因地制宜地確定保護(hù)安全裕度具有重要意義?？紤]設(shè)計(jì)所需的實(shí)地測量、理論計(jì)算以及施工誤差、檢測誤差所預(yù)留的高度，一般為0.5～1.5 m。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］，高聳的接閃桿在以風(fēng)為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的水平位移限值及其產(chǎn)生的垂直最大位移計(jì)算見表1。

表1 風(fēng)荷載下接閃桿所允許出現(xiàn)的水平、垂直最大位移

由表1 可知，高聳的接閃桿受風(fēng)荷載影響出現(xiàn)較為明顯的水平位移，振幅為桿高的2%;垂直位移較前者變化不大，數(shù)值一般僅為桿高的0.02%，防雷工程中可忽略不計(jì)。因此，在設(shè)計(jì)接閃桿時尤其應(yīng)注意考慮風(fēng)荷載所帶來的桿尖水平位移變化，進(jìn)而可能導(dǎo)致被保護(hù)物暴露于LPZ0A 區(qū)而遭受雷擊的風(fēng)險。由此可見，適當(dāng)增加接閃桿的設(shè)計(jì)高度，預(yù)留合理的設(shè)計(jì)安全裕度，可使保護(hù)范圍得到擴(kuò)大，有效地避免或減少被保護(hù)物遭受雷擊的風(fēng)險。

2.2 地區(qū)基本風(fēng)壓和最大風(fēng)向、風(fēng)速對接閃桿的影響

我國是世界上受季風(fēng)影響顯著的國家之一，特別是東南沿海地區(qū)常有熱帶氣旋襲擾，破壞力巨大，因此在接閃桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和安裝位置選擇時必須考慮地區(qū)基本風(fēng)壓和常年最大風(fēng)向、風(fēng)速對被保護(hù)物的影響，在海島及多臺風(fēng)地區(qū)通常應(yīng)增大接閃桿尺寸［3］(包括基礎(chǔ)長寬、埋深以及結(jié)構(gòu)材料的撓度)，同時考慮地基承載能力。對于地區(qū)基本風(fēng)壓值較大、地基承載能力弱或接閃桿自身結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力不足等情況下，可考慮增加使用纜風(fēng)繩。纜繩的材料規(guī)格應(yīng)根據(jù)接閃桿所處的區(qū)域環(huán)境對纜繩材料老化、腐蝕程度等因素合理選擇天然纖維、化學(xué)合成纖維或鋼絲制成的繩纜。當(dāng)選用鋼絲繩時，應(yīng)確保金屬纜繩滿足接閃、分流要求，并應(yīng)考慮金屬錨桿的材料規(guī)格以及雷電流泄放過程中的防接觸電壓、防跨步電壓等措施。

對于接閃桿的位置選擇，應(yīng)根據(jù)雷云的一般移動路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。即可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料繪制被保護(hù)物所在地的風(fēng)玫瑰圖，從而確定該地常年最大風(fēng)向、風(fēng)速。由于雷暴云團(tuán)通常隨風(fēng)移動，故當(dāng)接閃桿設(shè)置在建筑物的上風(fēng)口時，不僅有利于提前攔截閃電，而且在風(fēng)壓增大時可導(dǎo)致桿尖位移偏向被保護(hù)物，從而增大原有被保護(hù)高度上的保護(hù)范圍;但與此同時，若接閃桿設(shè)計(jì)不夠牢固，出現(xiàn)桿體向被保護(hù)物倒塌時，可能引發(fā)被保護(hù)物局部損毀甚至導(dǎo)致其內(nèi)部的易燃易爆物質(zhì)燃燒、爆炸等重大的二次事故。反之則不利于提前攔截閃電，且在特殊地形下發(fā)生繞擊的可能性較上風(fēng)口要高;風(fēng)壓增大時可導(dǎo)致桿尖位移遠(yuǎn)離被保護(hù)物，從而縮小原設(shè)計(jì)被保護(hù)高度上的保護(hù)范圍，甚至導(dǎo)致被保護(hù)物瞬間暴露在LPZ0A區(qū)外。

2.3 地形因素對接閃桿保護(hù)范圍的影響

文獻(xiàn)［1］給出了水平地面接閃桿保護(hù)范圍的計(jì)算方法及示圖，但在實(shí)際工程施工過程中，被保護(hù)物所在地的地形地貌均存在差異，因此根據(jù)滾球法計(jì)算的接閃器保護(hù)范圍亦將受到來自地形因素的影響而產(chǎn)生相應(yīng)變化。通常，在被保護(hù)物尺寸、接閃桿高度、間距、地形坡度、滾球半徑均相同的前提下，接閃桿在斜坡上設(shè)計(jì)安裝位置的不同，其保護(hù)范圍存在如下差異:如圖1 所示，當(dāng)接閃桿位于被保護(hù)物的斜坡下方時，被保護(hù)物完全處于LPZ0B區(qū)內(nèi)，此時保護(hù)范圍的安全裕度最大且與坡度變化呈正相關(guān);圖2 中，當(dāng)接閃桿位于被保護(hù)物的斜坡上方時，被保護(hù)物局部暴露于LPZ0A區(qū)內(nèi)，此時保護(hù)范圍最小，其變化同樣與坡度呈正相關(guān)關(guān)系。值得注意的是，某些設(shè)計(jì)人員在計(jì)算接閃桿對位于其斜坡下方被保護(hù)物的保護(hù)范圍時，直接以被保護(hù)物所在的地面高度作為支撐滾球的下支點(diǎn)，其做法是繪圖時將被保護(hù)物所處的地面高度向外水平延伸引出一條“參考地平線”，認(rèn)為當(dāng)滾球接觸到位于斜坡上的接閃桿和該“參考地面”時，被保護(hù)物即得到保護(hù)。而恰恰相反的是，這所謂的“參考地面”并不存在，實(shí)際的滾球下支點(diǎn)應(yīng)是被保護(hù)物下方的斜坡地面。圖3 中，當(dāng)接閃桿與斜坡上的被保護(hù)物處于同一水平線時，被保護(hù)物亦完全處于LPZ0B區(qū)內(nèi)，但保護(hù)范圍的安全裕度小于圖1。

圖1 接閃桿位于被保護(hù)物斜坡下方時的保護(hù)范圍

圖2 接閃桿位于被保護(hù)物上方時的保護(hù)范圍

圖3 接閃桿位于水平地面的保護(hù)范圍

2.4 沖擊接地電阻對安全間隔距離的影響

根據(jù)文獻(xiàn)［1］第4.2.1 條第5 款，“獨(dú)立接閃桿和架空接閃線或網(wǎng)的支柱及其接地裝置與被保護(hù)建筑物及與其有聯(lián)系的管道、電纜等金屬物之間的間隔距離，應(yīng)按下列公式計(jì)算，且不得小于3 m:……”。該條款的原意為，間隔距離的取值應(yīng)當(dāng)根據(jù)與之對應(yīng)的公式計(jì)算結(jié)果確定，但同時規(guī)定了間隔距離的取值下限為3 m;即當(dāng)按公式計(jì)算得出的結(jié)果小于3 m 時，間隔距離取值均為3 m，而當(dāng)公式計(jì)算結(jié)果大于或等于3 m 時，直接取公式計(jì)算結(jié)果作為間隔距離。

筆者在工作中發(fā)現(xiàn)，部分設(shè)計(jì)方案在確定間隔距離時往往忽略了采用公式的計(jì)算過程而直接取下限值3 m;然而根據(jù)文獻(xiàn)［1］中公式(4.2.1－1)、(4.2.1－2)、(4.2.1－3)可知，空氣中、地中的間隔距離均與接閃桿的沖擊接地電阻值呈正相關(guān)。例如，當(dāng)接閃桿的沖擊接地電阻值為10Ω 時，其地中的間隔距離根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果應(yīng)不小于4 m。由此可見，直接取下限值3 m 作為間隔距離的做法，不僅存在主觀盲目性，而且將給被保護(hù)物留下雷災(zāi)隱患。

3 結(jié)束語

綜上所述，在開展防雷設(shè)計(jì)前，認(rèn)真調(diào)查被保護(hù)物所處的地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境等條件和雷電活動規(guī)律以及被保護(hù)物的特點(diǎn)，對防雷裝置能否實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。隨著近年來發(fā)生極端災(zāi)害性天氣日趨頻繁，防雷裝置的安全可靠性，直接關(guān)系到人民群眾生命財產(chǎn)安全。該文結(jié)合了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工程實(shí)際要求，僅就獨(dú)立接閃桿防雷設(shè)計(jì)中容易忽視的問題提出幾點(diǎn)見解，旨在與同行共同探討和促進(jìn)防雷裝置的規(guī)范化設(shè)計(jì)，有效防御和減輕雷電災(zāi)害造成的損失。

［1］建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. GB50057－2010.

［2］《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. GB50135－2006.

［3］《建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］. GB50601－2010.