雷擊框架結(jié)構(gòu)建筑危險性分析

張云朋

(1.化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071 2.中國石化安全工程研究院，山東青島 266071)

雷擊框架結(jié)構(gòu)建筑危險性分析

張云朋1,2

(1.化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島2660712.中國石化安全工程研究院，山東青島266071)

利用兩個框架結(jié)構(gòu)模型開展了一系列模擬試驗，研究了框架結(jié)構(gòu)建筑遭受雷擊時雷電流的分布情況。研究結(jié)果表明：雷電流的分布情況隨雷擊點位置的變化而變化，距離雷擊點越近，雷電流越大，距離雷擊點越遠，雷電流越小；當(dāng)增加引下線的數(shù)量時，雷電流分布的畸變情況更加嚴(yán)重，距離雷擊點較遠的引下線上的雷電流明顯減小，距離雷擊點較近的引下線上的雷電流有一定程度的減?。粏渭冊黾右戮€數(shù)量不能明顯改善雷電流的分布情況。根據(jù)研究結(jié)果，指出了框架結(jié)構(gòu)建筑在雷電防護方面應(yīng)注意的問題。

雷擊 框架結(jié)構(gòu) 雷電流分布 雷電防護

框架結(jié)構(gòu)是指由梁和柱以剛接或者鉸接相連接而成構(gòu)成承重體系的結(jié)構(gòu)，即由梁和柱組成框架共同抵抗使用過程中出現(xiàn)的水平荷載和豎向荷載?？蚣芙ㄖ泻芏嘀饕獌?yōu)點：空間分隔靈活，自重輕，節(jié)省材料；具有可以較靈活地配合建筑平面布置的優(yōu)點，利于安排需要較大空間的建筑結(jié)構(gòu)；框架結(jié)構(gòu)的梁、柱構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，便于采用裝配整體式結(jié)構(gòu)，以縮短施工工期；采用現(xiàn)澆混凝土框架時，結(jié)構(gòu)的整體性、剛度較好，設(shè)計處理好也能達到較好的抗震效果，而且可以把梁或柱澆注成各種需要的截面形狀。

基于以上優(yōu)點，框架結(jié)構(gòu)建筑在石油化工場所中得到了廣泛應(yīng)用，如煉油廠中的大部分生產(chǎn)裝置、大量管廊構(gòu)架以及簡易廠房等。這些框架結(jié)構(gòu)多是由鋼結(jié)構(gòu)直接搭建而成，或者采用混凝土澆注框架，根據(jù)防雷工程實踐，這些鋼制框架本身常被用做防雷系統(tǒng)中的引下線，再通過支柱底部的連接線與地下接地網(wǎng)相連，以此達到防雷的目的。

在這些框架結(jié)構(gòu)中，分布著大量電氣設(shè)備、儀表、電氣線路、化學(xué)反應(yīng)設(shè)備、物料儲運設(shè)備等石油化工生產(chǎn)非常重要的裝置。一旦這些裝置因遭受雷擊而損壞，生產(chǎn)過程將無法繼續(xù)進行，進而有可能引發(fā)一系列嚴(yán)重后果?？蚣芙Y(jié)構(gòu)建筑物的導(dǎo)電構(gòu)架實質(zhì)上是相互連接的分支導(dǎo)體組成的導(dǎo)電框架。建筑物遭雷擊時，其導(dǎo)電構(gòu)架上流經(jīng)的雷電流在室內(nèi)空間產(chǎn)生的強大瞬態(tài)電磁場可能干擾室內(nèi)敏感電子設(shè)備的正常運行。建筑物的導(dǎo)電構(gòu)架對雷電流在導(dǎo)體分支上的分布和室內(nèi)磁場的分布有較大的影響[1]。因此，分析框架結(jié)構(gòu)建筑物遭受雷擊的危險性，研究框架結(jié)構(gòu)遭受雷擊時的電磁場分布，對提高框架結(jié)構(gòu)建筑物的雷電防護水平，增強建筑物內(nèi)生產(chǎn)裝置的安全性，保障石化生產(chǎn)過程的安全運行都有著重要意義。

1 理論分析

在發(fā)生雷擊時，由雷電暫態(tài)電流產(chǎn)生的暫態(tài)電磁脈沖變化是非?？斓?，雷電流通過建筑物引下線泄放到大地。根據(jù)Maxwell方程，雷電流In通過n根引下線時，在建筑物內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強度為：

式中，rn為雷電流In侵入的引下線到測試點的距離。

根據(jù)上式，可用某引下線上雷電流In的大小近似表示該引下線周圍磁場強度的大小，雷電流越大，則周圍的磁場強度越大，相應(yīng)的破壞作用越大，其危險性越高。

在本文的研究范圍內(nèi)，建筑物的尺寸遠小于雷電流波的等效波長，因此雷電流在各分支導(dǎo)體上的分布可以用電路法求解。由于建筑物各支路之間的電感、互感與電容效應(yīng)對建筑物分流的影響并不是很明顯[2]，所以在試驗過程中暫不考慮建筑物各支路之間的電感、互感與電容效應(yīng)的影響。

2 試驗研究

2.1 試驗方案

根據(jù)以上分析，可通過測量某引下線上的雷電流，研究其危險程度。為便于研究，將現(xiàn)場中的框架建筑簡化為由柱、梁組成的線形鋼架模型表示。試驗中利用沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生的沖擊浪涌電流模擬自然界中的真實雷電，用羅格夫斯基線圈對各測試點進行測試，用數(shù)字存儲示波器采集記錄雷電流波形和峰值。由于8/20 μS電流脈沖波形是我國防雷設(shè)計和保護裝置試驗規(guī)范中十分常用的標(biāo)準(zhǔn)波形，故采用8/20 μS沖擊電流波作為本次試驗的試驗波形。

選取某一建筑物作為參照，按照一定比例對其進行縮放搭建試驗?zāi)Ｐ?，模型大小?.6 m×0.8 m×1.2 m，制作材料為20 mm×3 mm角鋼和扁鋼，其實物如圖1所示。

由于雷擊具有隨機性，為較全面地研究雷電流在建筑物導(dǎo)電構(gòu)架上的分布規(guī)律，故在試驗?zāi)Ｐ晚敳窟x取了4個放電點進行雷電流放電試驗，4個放電點的分布情況如圖2所示，分別代表建筑物頂點、長邊中心、短邊中心、頂面中心遭受雷擊的情況，每次放電試驗后測量模型頂部各分支導(dǎo)線以及4條引下線上的雷電流值。試驗內(nèi)容分為2個方面：試驗?zāi)Ｐ偷姆至饕?guī)律研究；試驗?zāi)Ｐ驮黾右戮€后的分流規(guī)律研究。

圖1 試驗?zāi)Ｐ蛯嵨?/p>

圖2 放電點分布

2.2 試驗所用儀器設(shè)備

試驗儀器有CJ0101沖擊電流發(fā)生器、羅氏線圈、Tek3034C數(shù)字示波器等。其中，CJ0101沖擊電流發(fā)生器能產(chǎn)生8/20μS沖擊電流波，輸出范圍為5～100 kA。

2.3 試驗結(jié)果及分析

2.3.1試驗?zāi)Ｐ偷姆至饕?guī)律研究

a)對①號放電點進行放電試驗，試驗?zāi)Ｐ晚敳考?條引下線分流結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 在①號點試驗?zāi)Ｐ晚敳坷纂娏鞣植记闆r(單位：kA)

圖4 在①號點試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上雷電流分布情況

b)對②號放電點進行放電試驗，試驗?zāi)Ｐ晚敳考?條引下線分流結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 在②號點試驗?zāi)Ｐ晚敳坷纂娏鞣植记闆r(單位：kA)

圖6 在②號點試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上雷電流分布情況

c)對③號放電點進行放電試驗，試驗?zāi)Ｐ晚敳考?條引下線分流結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 在③號點試驗?zāi)Ｐ晚敳坷纂娏鞣植记闆r(單位：kA)

d)對④號放電點進行放電試驗，試驗?zāi)Ｐ晚敳考?條引下線分流結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖8 在③號點試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上雷電流分布情況

圖9 在④號點試驗?zāi)Ｐ晚敳坷纂娏鞣植记闆r(單位：kA)

圖10 在④號點試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上雷電流分布情況

e)結(jié)果分析：對比圖3、圖5、圖7和圖9可發(fā)現(xiàn)，雷電流在試驗?zāi)Ｐ晚敳康姆植记闆r隨雷擊點位置的變化而變化，距離雷擊點越近，雷電流越大，隨著距離的增加，雷電流有所減小，總體上看，雷電流的分布基本符合基爾霍夫電流定律。對比圖4、圖6、圖8和圖10可知，雷電流在試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上的分布情況與雷電流在試驗?zāi)Ｐ晚敳康姆植记闆r相似，距離雷擊點越近，引下線上的雷電流越大，距離雷擊點越遠，引下線上的雷電流越小。

2.3.2試驗?zāi)Ｐ驮黾右戮€后的分流規(guī)律研究

為研究試驗?zāi)Ｐ驮黾右戮€后的分類規(guī)律，將試驗?zāi)Ｐ偷囊戮€由4條增加到12條，如圖11所示，其模擬圖如圖12所示。

a)對①號放電點進行放電試驗，試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上的分流結(jié)果如圖13。

圖11 增加引下線后的試驗?zāi)Ｐ?/p>

圖12 試驗?zāi)Ｐ湍M圖

圖13 增加下引線后在①號點試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上雷電流分布情況

b)對②號放電點進行放電試驗，試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上的分流結(jié)果如圖14。

圖14 增加下引線后在②號點試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上雷電流分布情況

c)對③號放電點進行放電試驗，試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上的分流結(jié)果如圖15。

d)對④號放電點進行放電試驗，試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上的分流結(jié)果如圖16。

e)結(jié)果分析：對比圖13、圖14、圖15和圖16可知，雷電流在試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上的分布情況同樣遵循上述規(guī)律：距離雷擊點越近，引下線上的雷電流越大，距離雷擊點越遠，引下線上的雷電流越小。與增加引下線之前的試驗結(jié)果相比，距離雷擊點較遠的引下線上的雷電流明顯減小，說明引下線的數(shù)目對雷電流的分布有較大影響，但并沒有完全改善雷電流的分布情況，雷電流分布的畸變情況仍較嚴(yán)重。

圖15 增加下引線后在③號點試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上雷電流分布情況

圖16 增加下引線后在④號點試驗?zāi)Ｐ鸵戮€上雷電流分布情況

3 結(jié)論

研究了鋼制框架結(jié)構(gòu)遭受雷擊時其頂部結(jié)構(gòu)及引下線上雷電流的分別情況，研究結(jié)果表明：

a)雷電流的分布情況隨雷擊點位置的變化而變化，距離雷擊點越近，雷電流越大，距離雷擊點越遠，雷電流越小。

b)當(dāng)增加引下線的數(shù)量時，雷電流分布的畸變情況更加嚴(yán)重，距離雷擊點較遠的引下線上的雷電流明顯減小，距離雷擊點較近的引下線上的雷電流有一定程度的減小。

c)單純增加引下線數(shù)量不能明顯改善雷電流的分布情況。

石化企業(yè)采用框架結(jié)構(gòu)作為建筑方案時，應(yīng)盡量增加框架結(jié)構(gòu)的支柱數(shù)量，同時應(yīng)保證各支柱良好接地，以盡量減小各分支引下線上的雷電流。但是由于雷擊的不確定性，根據(jù)上述研究結(jié)果，各分支引下線上均有可能承受較大的雷電流，僅增加引下線的數(shù)量不足以滿足雷電防護的要求，框架建筑內(nèi)的設(shè)備仍有可能遭受雷擊。因此，在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)安放關(guān)鍵設(shè)備時應(yīng)注意遠離支柱，同時應(yīng)考慮安裝浪涌保護器或采取其他雷電防護措施，以降低關(guān)鍵設(shè)備遭受雷擊的風(fēng)險，保證企業(yè)的安全生產(chǎn)運行。

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RiskAnalysisofLightingStrokeonFrameStructureBuilding

Zhang Yunpeng1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao,2660712.State Key Laboratory for Safety Control of Chemicals, Shandong, Qingdao, 266071)

Based on two frame structure models, a series of simulation experiments are carried out to study the distribution of lighting current when a frame structure building is suffering from a lighting stroke. The result shows that: the distribution of the lighting current changes as the change of the location of the stroking point, and the nearer to the stroking point, the larger the lighting current is, which is the same on the contrary; when we add the number of down leads, the distortion of the lighting current is more serious than before, and the lighting current on the down lead which is far from the stroking point decreases much more than before and the lighting current on the down lead which is near to the stroking point decreases to some extent; only adding the number of the down leads can't improve the distribution of the lighting current. According to the result, some suggestions are made on the lighting protection of frame structure buildings.

lighting stroke; frame structure; distribution of lighting current; lighting protection

2015-08-04

張云朋，助理工程師，2011年畢業(yè)于西安石油大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事雷電靜電防護與研究工作。