孫汝楊

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300300）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，基建進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，鐵路建設(shè)不斷增加。由于鐵路速度快，橋隧占比大，出現(xiàn)了不少斜拉橋、懸索橋等形式的特大橋梁。由于大多鐵路橋梁位于空曠地域，周圍無高聳建筑，雷擊概率、強(qiáng)度大于其他地域。雷暴云所產(chǎn)生的熱力、機(jī)械力會(huì)對(duì)橋體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部電子照明系統(tǒng)造成較大破壞。因此，鐵路特大橋梁防雷接地系統(tǒng)成為橋梁設(shè)計(jì)中不可或缺的重要一環(huán)。

本文選取某個(gè)鐵路工程中斜拉索橋梁作為研究對(duì)象，結(jié)合鐵路綜合接地系統(tǒng)等特點(diǎn)，對(duì)其防雷接地系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

2 大橋環(huán)境及其雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

此斜拉橋主體部分長580m，橋面寬度約20.5m，通過混合梁斜拉橋方式跨過黃河，采用約100m 高的H 型索塔。

根據(jù)年平均雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)表，當(dāng)?shù)啬昃纂娙諗?shù)Td為16.6d/a，此斜拉橋年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算【1】如下：

式中，N為建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，次/a；K為校正系數(shù)，取值2；Ng為所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度，次/（km2·a），Ng=0.1Td；Ae為截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2，Ae=0.166 9km2。

經(jīng)計(jì)算可知N=0.554 08 次/a，根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》【2】規(guī)定，該橋?yàn)榈诙惙览捉ㄖ?，按第二類防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 大橋防雷接地設(shè)計(jì)要素

與建筑物防雷設(shè)計(jì)相似，橋梁防雷設(shè)計(jì)包括外部防雷、內(nèi)部防雷。具體分為接閃器部分、引下線部分、感應(yīng)雷防護(hù)及接地系統(tǒng)等。

外部防雷：主要考慮對(duì)橋梁及橋面的直擊雷和側(cè)擊雷的防護(hù)。高聳主塔在空曠區(qū)域是雷暴云尖端放電的主要途徑，雷電會(huì)直接擊中其頂部或側(cè)面。內(nèi)部防雷：對(duì)內(nèi)部電子照明系統(tǒng)進(jìn)行感應(yīng)雷防護(hù)，雷電在橋內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，會(huì)對(duì)內(nèi)部電子設(shè)施產(chǎn)生電流沖擊，從而破壞內(nèi)部設(shè)施【3】。

與建筑物防雷設(shè)計(jì)不同之處在于建筑物大多數(shù)以其外沿為防護(hù)界面，而鐵路橋梁不僅考慮斜拉索、主塔等的防雷設(shè)計(jì)，還需考慮電子照明設(shè)施、綜合接地系統(tǒng)等。

運(yùn)用綜合防雷設(shè)計(jì)，可很大程度上降低雷擊對(duì)斜拉索橋本身的破壞，降低雷電對(duì)橋面設(shè)施的威脅，降低感應(yīng)雷對(duì)電子照明設(shè)施的損壞。

4 防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 直擊雷防護(hù)

4.1.1 索塔雷電防護(hù)

主塔采用鋼筋混凝土H 型式，在頂部四周、橫梁外沿處明敷避雷帶，采用不小于50mm2的不銹鋼作為接閃器。避雷帶高度150mm，1m 設(shè)置1 個(gè)支持卡子，距外沿10mm。由于設(shè)有檢修通道和航空障礙燈，所以，在每個(gè)索塔頂部設(shè)置3m 高免維護(hù)型避雷針，其基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)2 處以上不小于φ16mm 的主筋。

利用橋梁結(jié)構(gòu)主筋作為引下線，其上端與明敷避雷帶及避雷針可靠聯(lián)結(jié)，下端與承臺(tái)和樁基內(nèi)主筋可靠聯(lián)結(jié)。每個(gè)墩柱四角分別設(shè)引下線，其間距小于18m，作為引下線的鋼筋直徑應(yīng)不少于16mm。如圖1 所示。

圖1 H型索塔防雷接地系統(tǒng)示意圖

4.1.2 斜拉索雷電防護(hù)

索塔及避雷針只能保護(hù)局部范圍，其保護(hù)范圍外部分需采取其他方式進(jìn)行防護(hù)。

斜拉索橋面荷載從梁體傳遞到斜拉索，再傳至索塔，斜拉索體在整體結(jié)構(gòu)力學(xué)中起到關(guān)鍵作用，斜拉索應(yīng)選用高密度聚乙烯護(hù)套進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于斜拉索的防護(hù)可采用對(duì)斜拉索加裝接閃帶的方式，也可利用斜拉索內(nèi)鋼絲對(duì)雷電所產(chǎn)生的沖擊電流進(jìn)行泄流。

根據(jù)文獻(xiàn)【3】所述，對(duì)不同材質(zhì)的斜拉索進(jìn)行了雷電沖擊模擬實(shí)驗(yàn)，短時(shí)雷電能量對(duì)纜索的使用壽命影響不顯著，長時(shí)雷擊能量是影響其使用壽命的主要因素。由于大跨度斜拉橋的索塔較高，斜拉索會(huì)長達(dá)150m 以上，接閃器自身重量對(duì)斜拉索在風(fēng)阻及受力上會(huì)產(chǎn)生較大影響，大風(fēng)條件下斜拉索會(huì)產(chǎn)生較大幅度的擺動(dòng)，對(duì)橋面上設(shè)施會(huì)有一定影響。

通過對(duì)本橋斜拉索進(jìn)行加強(qiáng)，并對(duì)其護(hù)套采取阻燃措施，利用其內(nèi)部若干根鋼絲對(duì)雷電沖擊進(jìn)行釋放。在斜拉索與索塔和主梁錨固金具處，就近設(shè)置接地鋼板以聯(lián)結(jié)，保證斜拉索內(nèi)鋼絲能與主梁和索塔進(jìn)行可靠電氣聯(lián)結(jié)。

4.2 側(cè)擊雷防護(hù)

當(dāng)斜拉橋索塔及索纜高度超過橋梁閃電側(cè)擊雷高度時(shí)，應(yīng)采取側(cè)擊雷防護(hù)措施。本斜拉橋閃電側(cè)擊高度為28.28m。因此，塔身每隔10m 利用結(jié)構(gòu)鋼筋連接成均壓環(huán)，并與內(nèi)部所有引下線及金屬構(gòu)件做可靠電氣連通。

4.3 電子設(shè)施防護(hù)

橋內(nèi)檢修通道設(shè)有照明系統(tǒng)，索橋設(shè)有航空障礙燈、助航標(biāo)志燈等設(shè)施，在為其供電的箱式變電站低壓母線側(cè)上并聯(lián)1套避雷器，在供電總配電箱處設(shè)置二級(jí)浪涌保護(hù)器防護(hù)。

供電系統(tǒng)采取TN-C-S 系統(tǒng)，通過多層防護(hù)措施，使電子設(shè)施受到雷電感應(yīng)侵害的可能性大大降低。

5 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接地系統(tǒng)電阻應(yīng)不大于10Ω，利用橋墩臺(tái)基礎(chǔ)內(nèi)不少于2根且直徑不少于16mm 的主鋼筋作為接地裝置，其豎向鋼筋應(yīng)每隔6m 用箍筋焊接1 次，并與樁基承臺(tái)底部鋼筋網(wǎng)可靠連接。應(yīng)保證索塔頂接閃器至樁基礎(chǔ)利用混凝土內(nèi)鋼筋進(jìn)行完整的電氣可靠連接，形成多條完整的雷電電流釋放通路。

建議橋梁接地系統(tǒng)不與鐵路綜合接地系統(tǒng)中的貫通地線直接相聯(lián)結(jié)，避免雷電電流在釋放過程中形成進(jìn)入貫通地線的直接路徑。

5.1 橋墩部分

橋墩基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋采用環(huán)氧樹脂等措施進(jìn)行防護(hù)，混凝土包覆在絕緣防水層內(nèi)，沿橋墩周邊增設(shè)厚度不小于5mm 的人工接地銅板，其與接地引下線間用截面積不小于100mm2銅質(zhì)連接帶連接，每個(gè)銅板連接點(diǎn)不少于4 處，詳見圖1。

樁基礎(chǔ)底部設(shè)置鍍鋅鋼板接地板，在外表面涂抹防腐措施。每座樁基礎(chǔ)內(nèi)應(yīng)有2 根以上直徑不少于16mm 的主筋與樁基承臺(tái)底部鋼筋網(wǎng)可靠連接。

5.2 等電位連接部分

在檢修平臺(tái)處預(yù)埋鍍鋅鋼板，設(shè)置接地端子或接地測(cè)試點(diǎn)，并與引下線進(jìn)行可靠連接。

橋梁金屬構(gòu)件物之間應(yīng)進(jìn)行等電位連接，橋面縱向兩側(cè)設(shè)置截面積不小于100mm2且厚度不小于4mm 的熱鍍鋅扁鋼作為橋面等電位連接帶，并與橋墩引下線進(jìn)行連接。橋面上伸縮縫兩側(cè)的等電位連接帶應(yīng)做U 型自由變形處理，橋面等電位連接帶應(yīng)在橋墩位置處和橋梁縱向每隔30m 與主梁、鋼筋混凝土、鋼箱梁做電氣可靠連接。

6 結(jié)語

綜上所述，高速鐵路中特大型橋梁越來越多，大跨度斜拉橋橋梁的防雷接地設(shè)計(jì)應(yīng)引起足夠的重視。利用橋梁自身的結(jié)構(gòu)鋼筋，配合一系列的防雷接地措施，形成橋梁整體的防雷接地系統(tǒng)。對(duì)于保護(hù)橋梁整體使用壽命以及橋面上各種附屬設(shè)備，均起到了一定的保護(hù)效果。