朱芙蓉

摘要 基于安徽省蕪湖地區(qū)2006—2011年閃電數(shù)據(jù)，分析了該區(qū)域雷電活動(dòng)規(guī)律、蕪湖長江大橋面臨的雷電風(fēng)險(xiǎn)、雷電對(duì)大橋的可能危害方式等，按照雷電防護(hù)原理，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，闡述了雷電防護(hù)C、D、B、S、E 5項(xiàng)措施在蕪湖長江大橋雷電防護(hù)中的實(shí)踐應(yīng)用，并指出橋梁雷電防護(hù)的重點(diǎn)措施是等電位連接和電源、信號(hào)線路的屏蔽。

關(guān)鍵詞 蕪湖長江大橋；雷電風(fēng)險(xiǎn)；危險(xiǎn)性分析；雷電防護(hù)；實(shí)踐應(yīng)用

中圖分類號(hào) P429；U447 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）01-0230-03

Abstract Based on the lightning data of Wuhu region in Anhui Province from 2006 to 2011，lightning activity regularity of the area，the lightning risk that Wuhu Yangtze River Bridge facing and the harm mode of lightning to bridge was analyzed，according to the theory of lightning protection，combined with the relevant standards and norms，the practical application of C，D，B，S，E five lightning protection measures in Wuhu Yangtze River Bridge lightning protection was elaborated，and pointed out that the key measures of bridge lightning protection is equipotential connection and shield of power supply and signal lines.

Key words Wuhu Yangtze River Bridge；lightning risk；harm analysis；lightning protection；practical application

蕪湖市是皖江城市帶承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的核心區(qū)、安徽省省域城鎮(zhèn)體系和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“雙核心”之一，2012年蕪湖長江二橋又獲批準(zhǔn)建設(shè)，并進(jìn)入勘測、設(shè)計(jì)階段。蕪湖長江二橋橫跨長江水面，因河流通航的需要，對(duì)橋梁的高度、跨度都提出了一定的要求，同時(shí)現(xiàn)代化的大橋還包含很多智能電子信息系統(tǒng)，保證橋梁免受雷電侵害是至關(guān)重要的一項(xiàng)工作。由于國家對(duì)橋梁的雷電防護(hù)措施的設(shè)計(jì)沒有出臺(tái)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此本文基于安徽省蕪湖地區(qū)2006—2011年閃電數(shù)據(jù)，分析該區(qū)域雷擊大地密度以及雷電流強(qiáng)度的時(shí)空發(fā)布等雷電活動(dòng)規(guī)律，結(jié)合大橋建筑特性以及相關(guān)電氣電子線路及設(shè)備特性分析大橋面臨的雷電風(fēng)險(xiǎn)，雷電對(duì)大橋的可能危害方式等，運(yùn)用IEC62305雷電防護(hù)的原理，參照國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合蕪湖長江大橋建設(shè)過程中的實(shí)踐，對(duì)C、D、B、S、E 5項(xiàng)措施進(jìn)行分析闡述，以期對(duì)蕪湖長江二橋等后續(xù)橋梁工程防雷工作提供借鑒。

1 蕪湖長江大橋概況

蕪湖長江大橋于1997年3月22日正式開工，2000年9月建成通車，其橋型為公、鐵兩用鋼桁梁斜拉橋，公路在上層，鐵路在下層；公路橋面總寬21 m，鐵路為I級(jí)雙線，正橋鋼梁采用低碳中強(qiáng)鋼（14錳鈮鋼）雙向?qū)ΨQ懸臂架設(shè)，鐵路穿鋼箱梁而過（圖1）。公路橋長6 078 m，鐵路橋長10 616 m，其中跨江橋長2 193.7 m。全橋正橋鋼梁14孔，鋼梁跨徑（120+2×144+2聯(lián)3×144+180+320+180+2×120）m，主跨312 m，采用大跨度連續(xù)鋼桁梁低塔斜拉公鐵橋，低塔高度84.2 m，距公路面高度33.7 m，通航凈高24 m[1]。

2 雷電對(duì)大橋產(chǎn)生的危害

雷電是自然的天氣現(xiàn)象，且尚法無用裝置和其他方法阻止雷擊放電[2]。由雷擊電流參數(shù)的特性可知，雷擊對(duì)建筑物或設(shè)施、人身的損害主要由于其熱效用、機(jī)械效應(yīng)、電磁感應(yīng)效應(yīng)。表現(xiàn)在強(qiáng)大的雷電流能使雷擊點(diǎn)的材料熔化和腐蝕，物體受熱膨脹變形，相鄰導(dǎo)體之間因雷電流產(chǎn)生電動(dòng)力使物體扭曲變形，放電產(chǎn)生的沖擊波能產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，雷電流瞬間變化產(chǎn)生的交變磁場對(duì)電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生不可恢復(fù)的損害。

2.1 雷電對(duì)大橋拉索力學(xué)性能危害可能性分析

雷電產(chǎn)生的熱效應(yīng)可能會(huì)影響索塔和鋼纜結(jié)構(gòu)性質(zhì)的主要是鋼構(gòu)架的剛度和彈性模量，因此主要從這2個(gè)方面進(jìn)行分析研究。倘若索塔和鋼纜均未采取防雷措施，那么若索塔或鋼纜被雷電直接擊中，雷電流通過鋼架必然會(huì)引起發(fā)熱和升溫情況。為方便計(jì)算，假設(shè)雷電流為I（A），其持續(xù)時(shí)間為t（s），溫升為T（K），則：

T=Q/mc

其中，Q= R0 I 2t

式中：m—鋼材單位長度的質(zhì)量（kg）；c—鋼材的比熱容，等于460.5 J/（kg·K）；R0—單位長度鋼材的電阻（Ω）。

2.1.1 剛度分析。據(jù)文獻(xiàn)可知，建筑材料的強(qiáng)度、剛度、耐久性等指標(biāo)隨著溫度升高明顯劣化，同時(shí)相鄰構(gòu)件之間的相互約束還可能產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形增大，承載能力和耐久性能顯著降低。國內(nèi)外大量試驗(yàn)結(jié)果表明，各種鋼筋在高溫下強(qiáng)度均表現(xiàn)為隨溫度升高而逐漸降低的趨勢，但降低幅度各有區(qū)別。

歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)推薦的鋼材屈服強(qiáng)度的計(jì)算表達(dá)式為：

2.1.2 彈性模量分析。歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)推薦的鋼材彈性模量Es（T）的計(jì)算表達(dá)式為：

Es（T）=（1-17.2×10-12T4+11.8×10-9T3-34.5×10-7T2+15.9×105T）Es

由此，可以得到彈性模量隨溫度升高而逐漸降低，但與鋼筋種類關(guān)系不大。因此，雷電擊中索塔和鋼纜，可能會(huì)影響其力學(xué)性能變化，導(dǎo)致材質(zhì)性能改變影響承重性及其壽命，故建議在斜拉索外套接金屬套管，并將其上、下兩端與就近的防雷裝置連接，使雷電流僅在斜拉索的外層金屬套管上流過，不影響拉索的承重性和使用壽命。

2.2 雷電對(duì)大橋鋼筋和混凝土高溫粘結(jié)性能危害分析

鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力主要由混凝土硬化收縮時(shí)將鋼筋握裹而產(chǎn)生的摩擦力、鋼筋表面與水泥膠體的膠結(jié)力、混凝土與鋼筋接觸表面上凹凸不平的機(jī)械咬合力所組成。雷電具有極強(qiáng)大的功率，雷電流的機(jī)械力作用會(huì)使被擊物體被破壞，由于被擊物在雷擊點(diǎn)處縫隙中的氣體和水分在雷電流作用下劇烈膨脹，水分急劇蒸發(fā)而引起被擊物爆裂。加熱條件下，混凝土抗拉強(qiáng)度隨著溫度升高而顯著降低，這樣就降低了混凝土同鋼筋之間的粘結(jié)力（圖2）。

3 蕪湖地區(qū)及大橋區(qū)域雷電環(huán)境分析

圖3至圖7是蕪湖地區(qū)及蕪湖長江大橋區(qū)域2006—2011年6年間閃電資料統(tǒng)計(jì)分析得到的雷電活動(dòng)規(guī)律。

由圖可見，蕪湖長江大橋區(qū)域雷擊大地密度為每年3～7次/km2，雷擊發(fā)生較為頻繁。雷電流強(qiáng)度為30～40 kA，最大超過100 kA，強(qiáng)度較大，總之，雷電危險(xiǎn)性較大。

4 蕪湖長江大橋雷電防護(hù)措施的實(shí)踐

4.1 雷電防護(hù)系統(tǒng)

IEC62305提出避免雷電損害主要和最有效的措施[3]是雷電防護(hù)系統(tǒng)，其由外部、內(nèi)部和雷擊電磁脈沖3個(gè)雷電防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。外部防雷主要是防直擊雷擊；內(nèi)部防雷主要防閃電感應(yīng)、反擊以及閃電電涌的侵入和生命危險(xiǎn)；雷擊電磁脈是對(duì)建筑物內(nèi)系統(tǒng)（包括線路和設(shè)施）防雷電流引發(fā)的電磁效應(yīng)，它包含防經(jīng)導(dǎo)線傳導(dǎo)的閃電電涌和輻射脈沖電磁場效應(yīng)。采取的防護(hù)措施是使用接閃器截獲擊向建筑物的直擊雷；使用引下線把雷電流安全引向大地；使用接地裝置泄放雷電流到大地；使用等電位連接或間隔距離組織建筑物內(nèi)外部的防雷裝置部件和建筑物內(nèi)其他電氣導(dǎo)體元件之間產(chǎn)生的危險(xiǎn)火花；使用空間屏蔽和配合電涌保護(hù)，使電氣和電子系統(tǒng)免受雷擊電磁脈沖的危害。即CDBSE——傳導(dǎo)（Conducting）、分流（Dividing）、均壓（Bonding）、屏蔽（Shie-lding）和接地（Earthing）5項(xiàng)措施的綜合。

4.2 蕪湖長江大橋雷電防護(hù)等級(jí)的確定

蕪湖長江大橋橫跨長江，兩端引橋?yàn)楦呒軜虿⑶覂蛇厸]有高大建筑，橋體距離水面近40 m，橋墩間距最大達(dá)到312 m。根據(jù)GB50057—2010的相關(guān)規(guī)定，蕪湖長江大橋的預(yù)計(jì)年雷擊次數(shù)N=kNgAe。式中N為大橋年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)（次/年）；k為校正系數(shù)，大橋應(yīng)考慮為孤立建筑，取k=2；Ng=0.1 Td，Td為該地區(qū)的年平均雷暴日數(shù)，蕪湖年平均雷暴日數(shù)Td=34.6 d；Ae為與大橋截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）。計(jì)算結(jié)果：N=3.39次/年，故確定雷電防護(hù)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

4.3 雷電防護(hù)措施

4.3.1 直擊雷與側(cè)擊雷的防護(hù)（傳導(dǎo)措施）。由于大橋鋼梁采用了整體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，主桁腹桿與弦桿的連接采用向節(jié)點(diǎn)板間插入的方法連接等各種新技術(shù)，整個(gè)橋梁成為一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)整體。上層公路橋面：低塔的頂部采用直徑20 mm的熱鍍鋅圓四周明敷并與塔內(nèi)鋼筋連接，塔內(nèi)高度每隔5 m作環(huán)形連接并焊接到塔內(nèi)作引下線的鋼筋上，引下線設(shè)置四角各1根。鋼質(zhì)材料的路燈桿和護(hù)欄作為橋面直擊雷和側(cè)擊雷的防護(hù)，路燈桿和鋼護(hù)欄的底部基座采用4 mm×40 mm的熱鍍鋅扁鋼與整個(gè)等電位焊接，并做防腐處理。

4.3.2 引下線的設(shè)置（分流和接地措施）。由于橋梁的橋墩間距最小為120 m，主跨達(dá)到312 m，依據(jù)IEC62305和參照建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，引下線的間隔是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。一旦橋梁遭受雷擊，則橋梁上任意一點(diǎn)的暫態(tài)電壓為U=IR+hL0di/dt，因距離引下點(diǎn)太遠(yuǎn)，必將產(chǎn)生的很大的電感電壓。因此，每個(gè)橋墩內(nèi)對(duì)角另設(shè)4根直徑20 mm的鋼筋作引下線，并每隔5 m做環(huán)形連接。公路和鐵路橋在主橋與引橋的連接處，各增設(shè)2根引下線作分流措施。橋墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并且底部長年矗立水中，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)橋梁與橋墩已經(jīng)是渾然一體，依據(jù)鋼筋混凝土含水量對(duì)電阻率影響特性構(gòu)成一個(gè)新的“大地”，利用基礎(chǔ)作自然接地。

4.3.3 等電位連接（均壓和屏蔽措施）。GB50057—2010把“將分開的裝置、諸導(dǎo)電物體等用等電位連接導(dǎo)體或電涌保護(hù)器連接起來以減小雷電流的電位差”定義為等電位連接，IEC62305以及其他規(guī)范的定義雖略有差別，但都強(qiáng)調(diào)了帶電導(dǎo)體被連接并和大地電位相等的原則。當(dāng)大橋遭受雷擊時(shí)，假定擊中大橋中間部位的拉桿或路燈，按照橋墩引線平均分配50%的雷電流估算，由公式U=i0R+hL0di/dt可得到該處的暫態(tài)電壓U=2 365 kV（i0=100×50%/2 kA，R=1，h=156，L0=1.5，di/dt=100/10=10）。如此高的暫態(tài)電壓如果不能散流進(jìn)入大地，必將對(duì)周圍物體造成反擊，在無法阻止雷擊放電的情況下，最可靠的解決辦法就是等電位連接，使整個(gè)橋梁處于同一電位。根據(jù)大橋上不同的設(shè)施位置情況采取以下措施。

等電位連接：在公路、鐵路橋的橋面兩邊采用4 mm×40 mm的熱鍍鋅扁鐵分別設(shè)置全橋貫通的等電位連接帶，使橋面構(gòu)成一個(gè)大“口”型等電位連接環(huán)路，連接帶設(shè)置在等電位連接橋槽內(nèi)。公路橋面內(nèi)的鋼筋網(wǎng)與橋墩的引下線鋼筋焊接，每隔5 m與等電位連接帶焊接；護(hù)欄每隔5 m與等電位連接帶重復(fù)焊接；每個(gè)路燈的鋼基座與等電位連接帶焊接。鐵路橋的橋面金屬、鐵軌之間使用截面積120 mm2的多股軟銅線作過渡連接；鐵路信號(hào)接地網(wǎng)的主干線與橋墩的引下線焊接，并使用截面積120 mm2的多股軟銅線每隔5 m與等電位連接帶作重復(fù)連接，與金屬接地干線之間的連接作氧焊接處理。所有暴露的金屬焊接處做防腐處理。

公路橋面路燈配電系統(tǒng)：電源配電線路采用電纜溝+橋架敷設(shè)，電纜溝的蓋板下層采用厚度4 mm的鋼板上加水泥蓋板作屏蔽處理，橋架和鋼板每各20 m與等電位連接帶作重復(fù)連接；配電系統(tǒng)的PE線采用截面積為16 mm2的多股軟銅線與路燈作等電位連接。路燈配電采用3級(jí)波形為8/20 us電源SPD保護(hù)，第一級(jí)In為60 kA，安裝在低壓配電房出線側(cè)；第二級(jí)In為40 kA，安裝在路燈組母線處；第三級(jí)In為20 kA，安裝在智能控制箱路燈開關(guān)處，控制箱外殼使用截面積10 mm2的多股軟銅線連接到等電位連接帶。

鐵路橋面：利用橋梁的支撐、拉桿等本身金屬構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)大空間屏蔽網(wǎng)作用的“法拉弟籠”，雷電防護(hù)總原則采用等電位連接。在“口”型等電位連接環(huán)路的中間增加1條等電位連接帶，供鐵路上、下行線的信號(hào)機(jī)、軌道控制箱等設(shè)備預(yù)留接地使用，預(yù)留線使用16 mm2的多股軟銅線一段氧焊接在等電位連接帶上。在橋梁梁箱進(jìn)、出口處，四邊用熱鍍鋅扁鐵增設(shè)接地引下線并連接到橋墩的接地體上。電源、信號(hào)電纜埋地≥15 m，外套金屬等電位連接帶連接，所有作屏蔽作用的等電位連接確保兩端同時(shí)接地。鐵路信號(hào)設(shè)備專用防雷保安器按照鐵路部門的標(biāo)準(zhǔn)另行設(shè)計(jì)[3-5]。

5 結(jié)語

橋梁雷電防護(hù)的重點(diǎn)措施是等電位連接，使整個(gè)橋梁處于同一電位上；橋梁上的配電、智能信息系統(tǒng)等線路應(yīng)采取有效的屏蔽措施。實(shí)踐證明：蕪湖長江大橋于1997年3月22日正式開工，大橋在建設(shè)過程中，蕪湖市防雷中心的技術(shù)人員積極參與主動(dòng)介入，提供相應(yīng)的技術(shù)服務(wù)，在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等部門專家的支持配合下，大橋的雷電防護(hù)措施得以完善。2000年9月建成通車至今已有12年之久，尚未出現(xiàn)雷擊事件。本文根據(jù)蕪湖市防雷中心為大橋建設(shè)過程中提供技術(shù)服務(wù)過程中的記錄和多年對(duì)大橋雷電防護(hù)的維護(hù)檢測，整理出大橋雷電防護(hù)措施，一方面為大橋的后期維護(hù)檢測提供依據(jù)，另一方面為同類型大橋建設(shè)提供參考。

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