纜索承重橋的纜索防雷技術(shù)研究

李良福覃彬全楊磊糜翔劉青松（1 重慶市雷電災(zāi)害鑒定與防御工程技術(shù)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(shù)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(zāi)害鑒定與防御工程技術(shù)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(jì)社會(huì)發(fā)展，纜索承重橋的應(yīng)用越來越普遍，纜索是纜索承重橋受力核心構(gòu)件，其特殊布置容易被雷擊。然而根據(jù)現(xiàn)行防雷技術(shù)規(guī)范，橋梁設(shè)計(jì)和施工中通常只著重考慮索塔、主纜的防雷設(shè)計(jì)與施工，使斜拉索、吊索存在較大雷擊風(fēng)險(xiǎn)，從而危及橋梁結(jié)構(gòu)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(yīng)用滾球法分析計(jì)算纜索承重橋遭受雷擊的可能性，計(jì)算表明纜索易遭受天面和側(cè)面的雷擊；然后通過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦的短時(shí)雷擊和長(zhǎng)時(shí)間雷擊兩種雷擊試驗(yàn)波形對(duì)三個(gè)橋梁纜索樣品進(jìn)行了多次沖擊試驗(yàn)，表明短時(shí)雷擊對(duì)纜索使用壽命影響不顯著，長(zhǎng)時(shí)間雷擊是影響纜索使用壽命的主要因素，甚至可能導(dǎo)致纜索斷裂；進(jìn)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(gòu)件的力學(xué)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(jié)構(gòu)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(shè)大跨徑特大橋梁時(shí)，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(diǎn)為外荷載從梁傳遞到斜拉索，再到索塔；懸索橋受力特點(diǎn)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(gòu)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(shù)規(guī)范，橋梁設(shè)計(jì)和施工中通常只著重考慮索塔、主纜的防雷設(shè)計(jì)與施工[1]，使斜拉索、吊索存在較大雷擊風(fēng)險(xiǎn)，從而危及橋梁結(jié)構(gòu)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(duì)纜索承重橋的纜索防雷措施進(jìn)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(shè)計(jì)和施工中通常只重點(diǎn)考慮索塔和主纜的防雷，因此不時(shí)有纜索承重橋梁的纜索遭受雷擊的報(bào)道。例如，2009年檢修人員在對(duì)廣東省番禺某大橋的斜拉索進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)大橋頂部一根斜拉索因雷擊導(dǎo)致斜拉索的鋼拉絲及高密度聚乙烯保護(hù)層損壞的現(xiàn)象；2005年世界上最長(zhǎng)斜拉橋之一的希臘跨海大橋發(fā)生了因雷擊導(dǎo)致一根斜拉索斷裂事故。纜索承重橋梁按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5007—2010）規(guī)定屬于第二類防雷建筑物[4]，應(yīng)采用45m滾球確定其索塔接閃器的保護(hù)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(shí)懸索橋的吊索和斜拉橋的斜拉索也易遭受從橋梁側(cè)面方向而來的雷電的側(cè)擊雷擊，其易遭側(cè)擊雷擊的高度（H，單位：m）可根據(jù)以下兩種情況計(jì)算。

1.1索面垂直于橋面的計(jì)算公式

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

式中，H為雷電側(cè)擊高度（單位：m）。A、B點(diǎn)分別為滾球（半徑為45m）與橋面燈桿（或欄桿）和索面的切點(diǎn)。hr為橋梁滾球半徑（45m）。b為索面距橋面外側(cè)燈桿或欄桿C、D點(diǎn)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(cè)燈桿或欄桿B、C點(diǎn)之間的高度（單位：m）。

1.2索面不垂直于橋面的計(jì)算公式

不垂直于橋面的斜拉索面或吊索面防側(cè)擊雷擊保護(hù)范圍如圖3，其防側(cè)擊雷擊保護(hù)范圍根據(jù)式（2）確定：式中，H為閃電側(cè)擊高度（單位：m），A、B點(diǎn)分別為滾球（半徑為45m）與橋面燈桿（或欄桿）和索面的切點(diǎn)；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(cè)燈桿或欄桿B、C點(diǎn)之間的高度（單位：m）；b為索面外側(cè)燈桿或欄桿C、D點(diǎn)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(cè)面的雷擊，須采取相應(yīng)的防直擊和側(cè)擊措施。

2　纜索遭受雷擊危害性分析

根據(jù)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成，斜拉索鋼絲束外包高密度聚乙烯為防腐保護(hù)層（圖4）。懸索橋的主纜和吊索有兩種方式構(gòu)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(hù)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(hù)層（圖5）。

由于自然界可能出現(xiàn)的雷擊有短時(shí)首次雷擊、首次以后短時(shí)后續(xù)雷擊、長(zhǎng)時(shí)間雷擊三種方式，其雷擊參數(shù)的定義應(yīng)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(shí)雷擊和長(zhǎng)時(shí)間雷擊的雷擊參數(shù)對(duì)纜索的影響。

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

模擬雷擊試驗(yàn)結(jié)果：一是對(duì)比不同峰值短時(shí)雷電保護(hù)層對(duì)高強(qiáng)度鋼絲起到了保護(hù)作用。

同時(shí)也對(duì)嚴(yán)重?zé)g的樣品A進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和微觀分析（圖10），其試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了長(zhǎng)時(shí)間雷擊使流雷擊樣品A、B、C時(shí)，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(duì)同一樣品A的同一位置進(jìn)行模擬雷擊試驗(yàn)，其直接損害僅限于樣品A的鍍鋅層（已熔化）內(nèi)，對(duì)樣品A的鋼材部分無任何影響（圖8）；二是對(duì)比不同峰值長(zhǎng)時(shí)間雷電流雷擊樣品A、B、C時(shí)，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間雷擊電荷量達(dá)到39.84C時(shí)，樣品A出現(xiàn)雷擊痕跡，并隨著長(zhǎng)時(shí)間雷擊轉(zhuǎn)移電荷量的增加，樣品A出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)g現(xiàn)象，其鍍鋅層熔化并且樣品A的鋼材部分損毀嚴(yán)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(diǎn)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(yīng)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)后樣品A的抗拉強(qiáng)度僅為試驗(yàn)前的44.4%，使其抗拉強(qiáng)度不合格。上述試驗(yàn)結(jié)論與Sales等[9]的研究“短時(shí)雷擊不會(huì)對(duì)光纜造成損壞，長(zhǎng)時(shí)間雷擊對(duì)光纜造成損害最大，轉(zhuǎn)移電荷量越大，對(duì)光纜的損害也越大，并且當(dāng)167C轉(zhuǎn)移電荷量時(shí)，OPGW（88A26z）光纜抗拉強(qiáng)度僅為試驗(yàn)前40%”的結(jié)論完全一致；并且還與胡毅等[10]的研究客觀事實(shí)一致——對(duì)OPGW光纜雷擊斷股事現(xiàn)場(chǎng)取回的OPGW雷擊斷股樣品進(jìn)行了微觀檢測(cè)，在研究其機(jī)理時(shí)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(zhǎng)時(shí)間雷擊對(duì)高強(qiáng)度鋼絲的抗拉強(qiáng)度的影響顯著。根據(jù)Rousseau等[3]在多國(guó)實(shí)驗(yàn)室對(duì)橋梁纜索樣品進(jìn)行的長(zhǎng)時(shí)間雷擊試驗(yàn)表明：只有長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)電流轉(zhuǎn)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(hù)層被引燃（圖11）。一旦保護(hù)層的火花大到足夠自燃，熱量就會(huì)傳遞給橋梁纜索保護(hù)層內(nèi)的鋼絲平行集束，將導(dǎo)致鋼絲平行集束在接連不斷的高溫和張力雙重效應(yīng)下發(fā)生斷裂。另有關(guān)研究[11-12]表明，雷電長(zhǎng)時(shí)間雷擊轉(zhuǎn)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(zhǎng)時(shí)間雷擊轉(zhuǎn)移電荷大于500C的雷擊事件。

上述試驗(yàn)結(jié)果分析表明：1）雷電短時(shí)雷擊的能量不足以擊穿橋梁纜索高密度聚乙烯管道保護(hù)層，即使雷擊到無高密度聚乙烯管道保護(hù)層的橋梁高強(qiáng)度鋼絲，由于雷電脈沖能量通過接地被轉(zhuǎn)移，不會(huì)對(duì)橋梁高強(qiáng)度鋼絲性能造成嚴(yán)重影響；2）雷電長(zhǎng)時(shí)間雷擊的能量對(duì)無保護(hù)層的裸體橋梁高強(qiáng)度鋼絲有20%～30%概率產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)g的電弧放電現(xiàn)象，導(dǎo)致橋梁高強(qiáng)度鋼絲受到嚴(yán)重?fù)p壞，但可以通過絕緣阻燃的高密度聚乙烯管道保護(hù)層進(jìn)行防護(hù)；3）當(dāng)出現(xiàn)概率小于5%的長(zhǎng)時(shí)間且轉(zhuǎn)移電荷量大于500C的雷擊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致橋梁纜索的高密度聚乙烯管道保護(hù)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(yīng)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(cè)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(zhǎng)時(shí)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(shí)甚至導(dǎo)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(qiáng)度鋼絲應(yīng)防雷接地并設(shè)置阻燃、絕緣的高密度聚乙烯護(hù)套保護(hù)層（厚度應(yīng)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(qiáng)度鋼絲，使其抗拉強(qiáng)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(yīng)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(yīng)每間隔2m設(shè)置抱箍形式接閃帶支持架，接閃帶兩端應(yīng)分別與索塔和橋面防雷裝置可靠電氣連接，同時(shí)應(yīng)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(cè)金屬護(hù)欄作為接閃帶。

3）在纜索承重橋的橋面橫向外側(cè)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(cè)面而來的側(cè)擊雷擊。接閃帶間距不應(yīng)大于10m，并應(yīng)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(jié)論

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

2）雷電短時(shí)雷擊能量對(duì)纜索承重橋纜索使用壽命影響不顯著；而長(zhǎng)時(shí)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(shí)甚至導(dǎo)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(qiáng)度鋼絲必須防雷接地并設(shè)置絕緣阻燃的高密度聚乙烯護(hù)套保護(hù)層，確保橋梁安全。

4）纜索承重橋的斜拉索、主纜與吊索應(yīng)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(cè)面而來的雷電側(cè)擊，以防概率小于5%的長(zhǎng)時(shí)間且轉(zhuǎn)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(tái)與基地建設(shè)項(xiàng)目（cstc2013pt-gc00001）