劉 潮,趙慶吉,韓亞剛
[林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司,重慶市 401120]
澳凼第四條跨海大橋位于澳門特區(qū),連接港珠澳大橋,澳門新城區(qū)填海A 區(qū)、E1 區(qū)(見圖1)。主線全長約3.085 km,城市快速路,為連續(xù)鋼桁架梁橋,大橋箱梁及桁架為鋼結構,箱梁距地面或水面高度2.5~38 m,橋墩為鋼筋混凝土結構。
圖1 項目俯視圖
大橋包括主橋部分及南、北引橋,主線為雙向八車道,其中公路車道共六條,電單車專道兩條,兩側設有風障及公共管線空間。主橋標準路幅寬度48.4 m,引橋標準路幅寬度47.75 m,設計時速80 km/h。其中2.86 km 位于海面上,其余位于鄰海陸地,周邊無高大構筑物。
主橋橫斷面組成為:主橋:6.25 m(管線)+0.5 m(風障+護欄)+12.25 m(行車道)+2.5 m(桁架區(qū))+3.5 m(電單車道)+0.5 m(護欄)+3.5 m(電單車道)+2.5 m(桁架區(qū))+12.25 m(行車道)+0.5 m(風障+護欄)+4.15 m(管線)=48.4 m(見圖2)。
圖2 主橋標橫圖
引橋標準橫斷面組成為:6.25 m(管線)+0.5 m(風障+護欄)+12.25 m(行車道)+3.5 m(電單車道)+0.5 m(護欄)+3.5 m(電單車道)+12.25 m(行車道)+0.5 m(風障+護欄)+3.5 m(管線)=47.75 m。
該橋防雷系統(tǒng)研究,利用滾球法及求圓心法兩種方法,通過作圖及求解方程圓心坐標相結合,確認橋面行人及相關設施均位于防雷設施保護范圍之內,滿足雷擊防護要求,從而證實該項目利用燈桿及橋上相關金屬構件作為防雷接閃裝置,是可行的,經(jīng)濟的,安全的。
(1)該大橋防雷設計,依據(jù)QXT 330-2016《大型橋梁防雷設計規(guī)范》4.1.3 條規(guī)定,按二類防雷建筑物進行設計。
(2)依據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB 50057—2010)5.2.12 條規(guī)定,二類防雷建筑物,滾球半徑hr取值45 m;參考IEC 62305-1 8.3.3 條表4 規(guī)定,二類防雷建筑物,滾球半徑hr 取值30 m;該項設計采用IEC 標準值30 m進行防雷計算。
(3)該項防雷選取距橋面2.2 m高做為保護面(電單車道行車限高2.2 m,小汽車高度一般低于2.2 m,而大型車輛利用法拉第籠效應,保證車內人員不受雷擊直接傷害),若防雷保護范圍內滾球經(jīng)過最不利點處保護高度大于2.2 m,則滿足二類防雷保護要求。
(4)依據(jù)《橋梁防雷技術規(guī)范》(GB/T 31067—2014)4.2.5 中“當拱肋為鋼結構時,可利用其鋼架作為接閃帶”,該項設計考慮到鋼桁架受雷電時結構可能受影響,沿拱頂單獨敷設接閃帶,并通過墩柱單獨引下。
(5)防雷主要考慮利用沿橋布設路燈燈桿(燈具設防浪涌裝置實現(xiàn)防雷)作為自然接閃裝置,利用鋼箱梁本身作等電位連接,按照當?shù)匾?guī)范及習慣性做法,增設鍍錫銅帶作為獨立引下線,利用樁基礎作為自然接地極做法。
主線橋標準段采用等高路燈設計,該項計算按標準四桿作圖求解;橋墩等下部結構按滾球法作圖求解;其余路段單獨設置電單車道道路照明,安裝與主線道路照明不同高度路燈,按球面公式求解:因路燈均勻布置,任取路燈四點坐標計算半徑為30m 球面方程,求得球心位置,映像至橋面處即為防雷球面離地最小保護高度的保護最不利點。
該項防雷計算選取主橋段主線橋標準段、引橋加寬段(機動車道寬度≤17 m)、引橋加寬段(機動車道寬度17~22 m)、防側擊雷四部分進行防雷計算,采用方法為滾球法。
主線橋標準段部分:斷面最大寬度27 m,兩側間距25 m布置12 m高路燈,斷面如圖3 所示。
圖3 主線橋橫斷面圖(單位:mm)
該項計算按最不利原則考慮,斷面尺寸取值27 m。防雷設計利用橋上兩側燈桿作為接閃裝置,計算原則為四根燈桿桿體一組滾球法計算。通過計算,C 點為橋面防雷計算中最不利點,通過滾球作圖法(見圖4)算得防雷C 處保護高度為5.70 m,滿足大于2.2 m保護高度要求。
圖4 滾球作圖法圖示(單位:mm)
結論:主線橋標準段滿足對橋面的二類防雷保護要求。
引橋加寬段(機動車道寬度≤17 m)部分:兩側間距25 m布置12 m高路燈,中分帶間距15 m布置4.5 m高路燈,斷面如圖5 所示。
圖5 引橋加寬段橫斷面圖(一)
若按最不利半幅橋計算防雷滿足要求,則整幅橋均滿足防雷要求。半幅橋按機動車道加寬至17 m最不利處情況考慮,結構區(qū)3 m,電單車道3.5 m,半幅橋梁總斷面寬度23.5 m。防雷設計利用橋上兩側燈桿及電單車道燈桿作為接閃裝置,計算原則為四根燈桿桿體一組滾球法解球面方程計算。對橋面防雷最不利燈桿布置情況出現(xiàn)在兩個高燈桿間平分線與兩個低燈桿之間平分線重合時,防雷俯視圖如圖6所示。
圖6 引橋加寬段防雷俯視圖(一)(單位:mm)
將1、2、3 燈桿坐標分別代入球面方程(x-a)2+(y-b)2+(z-c)2=R2得如下三元二次方程組:
根據(jù)上述方程組解得球心C 點坐標(12.5,17.495,32.92),此種情況下,球心處投射至橋面的防雷最不利點保護高度為32.92-30=2.92(m),滿足大于2.2 m保護高度要求。
因主線橋加寬段、主橋段布燈方式與主線橋加寬段布燈方式相同,半幅機動車道較17 m小,且主橋中間設有鋼桁架上避雷帶有利于防雷(高度大于4.5 m),因而主線橋加寬段、南北引橋加寬段(機動車道寬度≤17 m)及主橋段均滿足二類防雷要求。
結論:引橋加寬段(機動車道寬度≤17 m)、主線橋加寬段、主橋段均滿足對橋面的二類防雷保護要求。
引橋加寬段(機動車道寬度17~22 m)部分:兩側間距20 m布置12 m高路燈,中分帶間距15 m布置4.5 m高路燈,斷面如圖7 所示。
圖7 引橋加寬段橫斷面圖(二)(單位:mm)
若按最不利半幅橋計算防雷滿足要求,則整幅橋均滿足防雷要求。半幅橋按機動車道加寬至22 m最不利處考慮,結構區(qū)3 m,電單車道3.5 m,半幅橋梁總斷面寬度28.5 m。防雷設計利用橋上兩側燈桿及電單車道燈桿做為接閃裝置,計算原則為四根燈桿桿體一組滾球法解球面方程計算。對橋面防雷最不利燈桿布置情況出現(xiàn)在兩個高燈桿間平分線與兩個低燈桿之間平分線重合時,防雷俯視圖如圖8 所示。
圖8 引橋加寬段防雷俯視圖(二)(單位:mm)
將1、2、3 燈桿坐標分別代入球面方程(x-a)2+(y-b)2+(z-c)2=R2得如下三元二次方程組:
根據(jù)上述方程組解得球心C 點坐標(10,19.787,32.21),此種情況下,球心處射至橋面的防雷最不利點保護高度為32.21-30=2.21(m),滿足大于2.2 m保護高度要求。結論:引橋加寬段(機動車道寬度17~22 m)滿足對橋面的二類防雷保護要求。
根據(jù)各橋墩處斷面及橋梁立面,橋墩頂部距離地面(水面)高度均不大于40 m,橋墩外輪廓線距離頂部鋼桁架外邊沿均大于2.5 m,圖9 按最不利情況墩頂距離地面或水面40 m、外輪廓線距離桁架邊沿2.5 m考慮,按二類防雷要求繪制30 m滾球半徑沿水面靠近橋梁,當滾球獲得水面及鋼箱梁邊沿支撐時,距離橋墩最近點仍有0.93 m距離,橋墩不會受直擊雷,橋墩部分滿足二類防雷要求。
圖9 防側擊雷立面示意圖(單位:mm)
綜合上述四種情況分析,澳凼第四條跨海大橋利用燈桿作為接閃裝置,橋面設備、橋上行人行車2.2 m范圍之內、橋墩設施等,均在其保護范圍之內,且均滿足IEC 要求之二類防雷保護要求。