李良福覃彬全楊磊糜翔劉青松（1 重慶市雷電災害鑒定與防御工程技術研究中心，重慶 401147；2 重慶市氣象局，重慶 401147；3 重慶市防雷中心，重慶 401147）

纜索承重橋的纜索防雷技術研究

李良福1,2覃彬全1,3楊磊1,3糜翔1,3劉青松1,3
（1 重慶市雷電災害鑒定與防御工程技術研究中心，重慶 401147；2 重慶市氣象局，重慶 401147；3 重慶市防雷中心，重慶 401147）

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，纜索承重橋的應用越來越普遍，纜索是纜索承重橋受力核心構件，其特殊布置容易被雷擊。然而根據(jù)現(xiàn)行防雷技術規(guī)范，橋梁設計和施工中通常只著重考慮索塔、主纜的防雷設計與施工，使斜拉索、吊索存在較大雷擊風險，從而危及橋梁結構安全。為了避免斜拉索、吊索遭受雷擊而損壞，確保纜索承重橋防雷安全，首先應用滾球法分析計算纜索承重橋遭受雷擊的可能性，計算表明纜索易遭受天面和側面的雷擊；然后通過國家標準推薦的短時雷擊和長時間雷擊兩種雷擊試驗波形對三個橋梁纜索樣品進行了多次沖擊試驗，表明短時雷擊對纜索使用壽命影響不顯著，長時間雷擊是影響纜索使用壽命的主要因素，甚至可能導致纜索斷裂；進而提出纜索承重橋纜索的防雷措施。

纜索承重橋，纜索，防雷

0　引言

橋梁按其受力構件的力學特征可分為梁式橋、拱橋、鋼架橋和纜索承重橋，而纜索承重橋是現(xiàn)代大跨度橋梁的重要結構形式，尤其在跨越峽谷、海灣、大江、大河等不易修筑橋墩處架設大跨徑特大橋梁時，往往都選擇纜索承重橋型。纜索承重橋可分為斜拉橋和懸索橋兩種，斜拉橋受力特點為外荷載從梁傳遞到斜拉索，再到索塔；懸索橋受力特點為外荷載從梁經(jīng)過吊索傳遞到主纜，再到兩端錨錠。因此斜拉索及主纜和吊索分別是斜拉橋和懸索橋受力核心構件（圖1），所以纜索承重橋的纜索是指斜拉索及主纜和吊索。然而根據(jù)現(xiàn)行防雷技術規(guī)范，橋梁設計和施工中通常只著重考慮索塔、主纜的防雷設計與施工[1]，使斜拉索、吊索存在較大雷擊風險，從而危及橋梁結構安全[2-3]。為了避免斜拉索、吊索遭受雷擊造成損壞，確保纜索承重橋防雷安全，有必要對纜索承重橋的纜索防雷措施進行研究。

1　纜索遭受雷擊可能性分析

由于目前纜索承重橋梁設計和施工中通常只重點考慮索塔和主纜的防雷，因此不時有纜索承重橋梁的纜索遭受雷擊的報道。例如，2009年檢修人員在對廣東省番禺某大橋的斜拉索進行檢修時，發(fā)現(xiàn)大橋頂部一根斜拉索因雷擊導致斜拉索的鋼拉絲及高密度聚乙烯保護層損壞的現(xiàn)象；2005年世界上最長斜拉橋之一的希臘跨海大橋發(fā)生了因雷擊導致一根斜拉索斷裂事故。纜索承重橋梁按照《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB5007—2010）規(guī)定屬于第二類防雷建筑物[4]，應采用45m滾球確定其索塔接閃器的保護范圍。因此，懸索橋的主纜和斜拉橋的斜拉索容易遭受從橋梁上空方向而來的雷電的直擊雷擊；同時懸索橋的吊索和斜拉橋的斜拉索也易遭受從橋梁側面方向而來的雷電的側擊雷擊，其易遭側擊雷擊的高度（H，單位：m）可根據(jù)以下兩種情況計算。

1.1索面垂直于橋面的計算公式

垂直于橋面的斜拉索面或吊索面防側擊雷擊保護范圍如圖2，其防側擊雷擊保護范圍通過式（1）確定：

式中，H為雷電側擊高度（單位：m）。A、B點分別為滾球（半徑為45m）與橋面燈桿（或欄桿）和索面的切點。hr為橋梁滾球半徑（45m）。b為索面距橋面外側燈桿或欄桿C、D點之間的寬度（單位：m），懸索橋的吊索面的b一般為0；而斜拉橋的斜拉索面的b可為0，也可不為0。h為橋面外側燈桿或欄桿B、C點之間的高度（單位：m）。

1.2索面不垂直于橋面的計算公式

不垂直于橋面的斜拉索面或吊索面防側擊雷擊保護范圍如圖3，其防側擊雷擊保護范圍根據(jù)式（2）確定：式中，H為閃電側擊高度（單位：m），A、B點分別為滾球（半徑為45m）與橋面燈桿（或欄桿）和索面的切點；hr為橋梁滾球半徑（45m）；θ為橋面與索面夾角（單位：°）；h為橋面外側燈桿或欄桿B、C點之間的高度（單位：m）；b為索面外側燈桿或欄桿C、D點之間的寬度（單位：m）。

上述分析表明纜索承重橋的斜拉索和主纜、吊索容易遭受天面和側面的雷擊，須采取相應的防直擊和側擊措施。

2　纜索遭受雷擊危害性分析

根據(jù)有關技術標準的規(guī)定[5-8]，斜拉橋的斜拉索由若干根Ф5或Ф7的橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲平行集束構成，斜拉索鋼絲束外包高密度聚乙烯為防腐保護層（圖4）。懸索橋的主纜和吊索有兩種方式構成索體，一是采用若干根Ф5或Ф7的橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲平行集束為索體；二是吊索采用優(yōu)質(zhì)鋼芯鋼絲繩為索體，而主纜采用鋼絞線為索體。索體防腐保護層是依據(jù)委托方要求，可采用環(huán)氧樹脂、聚氨酯、瀝青、橡膠、聚乙烯或高密度聚乙烯等為防腐保護層（圖5）。

由于自然界可能出現(xiàn)的雷擊有短時首次雷擊、首次以后短時后續(xù)雷擊、長時間雷擊三種方式，其雷擊參數(shù)的定義應符合圖6的規(guī)定[4]，因此分析纜索遭受雷擊危害性，主要是分析短時雷擊和長時間雷擊的雷擊參數(shù)對纜索的影響。

根據(jù)圖6規(guī)定的雷電流波形，對橋梁用的高強度鋼絲進行了模擬雷擊試驗分析（圖7）。試驗對象為：（1）橋梁用高強度鋼絲樣品A（Φ=5.1mm），（2）包裹2mm厚高密度聚乙烯保護層的斜拉索樣品B（內(nèi)部7股高強度鋼絲，每股Φ=5.1mm），（3）包裹7mm厚高密度聚乙烯保護層的斜拉索樣品C（內(nèi)部55股高強度鋼絲，每股Φ=5.1mm）。采用重慶市雷電災害鑒定與防御工程技術研究中心的沖擊電流發(fā)生系統(tǒng)作為實驗裝置，其最大可產(chǎn)生幅值為200kA的8/20μs波形短時雷電流以及電荷量200C左右的長時間雷電流。試驗方案為：分別對試驗樣品施加短時及長時間雷電流。短時雷電流雷擊試驗時，分別對樣品施加1次、連續(xù)5次、連續(xù)10次、連續(xù)18次等短時雷電流，經(jīng)過紅外測溫儀測量，每次沖擊試驗后試樣冷卻到常溫大概在10min左右，為使試樣在每次試驗后能冷卻到常溫以便進行下一次試驗，兩次連續(xù)施加短時雷電流試驗的時間間隔為30min；長時間雷電流雷擊試驗時，通過改變試驗電荷量對樣品分別進行試驗，試驗電荷量由小到大依次增加，觀察記錄試驗樣品表面受損情況，并對試驗后受損的樣品進行抗拉強度試驗，與試驗前完好樣品的抗拉強度進行對比分析，以判定長時間雷電流對高強度鋼絲抗拉強度的影響情況。

模擬雷擊試驗結果：一是對比不同峰值短時雷電保護層對高強度鋼絲起到了保護作用。

同時也對嚴重燒蝕的樣品A進行抗拉強度試驗和微觀分析（圖10），其試驗結果證實了長時間雷擊使流雷擊樣品A、B、C時，樣品B、C無任何變化，而樣品A僅僅出現(xiàn)雷擊的痕跡，即使是連續(xù)18次對同一樣品A的同一位置進行模擬雷擊試驗，其直接損害僅限于樣品A的鍍鋅層（已熔化）內(nèi)，對樣品A的鋼材部分無任何影響（圖8）；二是對比不同峰值長時間雷電流雷擊樣品A、B、C時，當長時間雷擊電荷量達到39.84C時，樣品A出現(xiàn)雷擊痕跡，并隨著長時間雷擊轉移電荷量的增加，樣品A出現(xiàn)嚴重燒蝕現(xiàn)象，其鍍鋅層熔化并且樣品A的鋼材部分損毀嚴重，而樣品B、C無任何變化（圖9），即包裹著的高密度聚乙烯得樣品A在雷擊點形成電弧坑的金屬熔化后的凝固區(qū)存在電弧氣孔、電弧裂紋，并且由于電弧坑、氣孔、裂紋等三種電弧侵蝕的耦合效應導致實驗后樣品A的抗拉強度僅為試驗前的44.4%，使其抗拉強度不合格。上述試驗結論與Sales等[9]的研究“短時雷擊不會對光纜造成損壞，長時間雷擊對光纜造成損害最大，轉移電荷量越大，對光纜的損害也越大，并且當167C轉移電荷量時，OPGW（88A26z）光纜抗拉強度僅為試驗前40%”的結論完全一致；并且還與胡毅等[10]的研究客觀事實一致——對OPGW光纜雷擊斷股事現(xiàn)場取回的OPGW雷擊斷股樣品進行了微觀檢測，在研究其機理時發(fā)現(xiàn)的OPGW雷擊斷股樣品斷口處有大量氣孔、熔坑和熔渣。因此長時間雷擊對高強度鋼絲的抗拉強度的影響顯著。根據(jù)Rousseau等[3]在多國實驗室對橋梁纜索樣品進行的長時間雷擊試驗表明：只有長時間持續(xù)電流轉移電荷大于500C的雷擊，才有可能使纜索樣品的高密度聚乙烯保護層被引燃（圖11）。一旦保護層的火花大到足夠自燃，熱量就會傳遞給橋梁纜索保護層內(nèi)的鋼絲平行集束，將導致鋼絲平行集束在接連不斷的高溫和張力雙重效應下發(fā)生斷裂。另有關研究[11-12]表明，雷電長時間雷擊轉移電荷量大于40C的地閃累積概率在20%～30%，大于350C地閃累積概率小于5%，而2005年希臘跨海大橋雷擊事件表明自然界的確存在長時間雷擊轉移電荷大于500C的雷擊事件。

上述試驗結果分析表明：1）雷電短時雷擊的能量不足以擊穿橋梁纜索高密度聚乙烯管道保護層，即使雷擊到無高密度聚乙烯管道保護層的橋梁高強度鋼絲，由于雷電脈沖能量通過接地被轉移，不會對橋梁高強度鋼絲性能造成嚴重影響；2）雷電長時間雷擊的能量對無保護層的裸體橋梁高強度鋼絲有20%～30%概率產(chǎn)生嚴重燒蝕的電弧放電現(xiàn)象，導致橋梁高強度鋼絲受到嚴重損壞，但可以通過絕緣阻燃的高密度聚乙烯管道保護層進行防護；3）當出現(xiàn)概率小于5%的長時間且轉移電荷量大于500C的雷擊時，會導致橋梁纜索的高密度聚乙烯管道保護層被引燃，使得橋梁纜索在接連不斷的高溫和張力雙重效應下發(fā)生斷裂，因此需在懸索橋主纜和斜拉橋外緣斜拉索明敷接閃帶，并在橋面橫向外側面沿斜拉索、吊索平行或垂直方向明敷接閃帶，以減少橋梁纜索雷擊概率。綜上所述：長時間雷擊是影響纜索承重橋的纜索使用壽命的主要因素，有時甚至導致纜索承重橋的纜索斷裂。

3　纜索防雷措施

1）纜索承重橋的斜拉索、主纜與吊索的高強度鋼絲應防雷接地并設置阻燃、絕緣的高密度聚乙烯護套保護層（厚度應符合GB/T 18365—2001[5]的要求），以防止20%～30%雷電直接擊到斜拉索、主纜與吊索的高強度鋼絲，使其抗拉強度降低，影響橋梁防雷安全。

2）懸索橋主纜和斜拉橋外緣斜拉索應明敷接閃帶，以防范從橋梁上空方向而來的直擊雷擊。接閃帶安裝方法：斜拉橋外緣斜拉索應每間隔2m設置抱箍形式接閃帶支持架，接閃帶兩端應分別與索塔和橋面防雷裝置可靠電氣連接，同時應考慮接閃帶與斜拉索之間膨脹系數(shù)差異的影響；懸索橋可利用通過螺栓或焊接連接形成電氣連通的主纜檢修通道兩側金屬護欄作為接閃帶。

3）在纜索承重橋的橋面橫向外側面沿斜拉索、吊索平行或垂直方向明敷接閃帶，以防范從橋梁側面而來的側擊雷擊。接閃帶間距不應大于10m，并應考慮接閃帶與主纜、斜拉索之間膨脹系數(shù)差異的影響；其安裝方法同斜拉橋外緣斜拉索接閃帶安裝方法。

4　結論

1）纜索承重橋的斜拉索和主纜、吊索容易遭受天面和側面的雷擊，須采取相應的防直擊和側擊措施。

2）雷電短時雷擊能量對纜索承重橋纜索使用壽命影響不顯著；而長時間雷擊能量是影響纜索承重橋的纜索使用壽命的主要因素，有時甚至導致纜索承重橋的纜索斷裂。

3）纜索承重橋的斜拉索、主纜與吊索的高強度鋼絲必須防雷接地并設置絕緣阻燃的高密度聚乙烯護套保護層，確保橋梁安全。

4）纜索承重橋的斜拉索、主纜與吊索應采取措施防范從橋梁上空方向而來的雷電直擊和從橋梁側面而來的雷電側擊，以防概率小于5%的長時間且轉移電荷量大于500C的雷擊危害。

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Research on Cable Lightning Protection Technology of Cable Supported Bridge

Li Liangfu1,2, Qin Binquan1,3, Yang Lei1,3, Mi Xiang1,3, Liu Qingsong1,4
(1 Chongqing Engineering Research Centre for Lightning Disaster Identification and Prevention, Chongqing 401147 2 Chongqing Meteorological Bureau, Chongqing 401147 3 Chongqing Lightning Protection Centre, Chongqing 401147)

With the economic and social development, the application of cable supported bridges is becoming more and more common. Cables are the core loaded members of cable supported bridges, due to their special location and features. Cables are vulnerable to lightning strokes.However, under existing lightning protection technical specification, and in the design and construction of bridges attention is usually only paid to the lightning protection design and construction of cable bent tower and main cable which can sustain the lightning strokes and sling in a high risk of lightning strike, thus endangering the safety of bridge structures. In order to protect stay cable and sling from lightning strike and ensure the lightning protection of cable supported bridges, calculations of the possibilities of lightning stroke on the cable supported bridges should be calculated by using the analysis of the rolling sphere method. Results show that cables are vulnerable to roof and side lightning strokes. Through multiple shock tests on three bridge cable samples relying on short-time and long-time lightning stroke test waveforms recommended by the national standard, it is shown that short-time lightning strokes have an indistinctive influence on the service life of cables while long-time lightning strokes are major factors influencing the service life of cables and even result in the rupture of cables. Therefore, lightning protection measures are taken and suggested for the cables used for cable supported bridges.

cable supported bridge, cable, lightning protection

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.02.005

2013年7月31日；

2013年12月13日

李良福（1963—），Email：lilf@cma.gov.cn

資助信息：重慶市科技平臺與基地建設項目（cstc2013pt-gc00001）