斜拉索橋梁雷電暫態(tài)分布特性研究

史雅靜，柴健，徐達(dá)軍，邳瑩，孫京

(1.湖北省防雷中心，武漢 430074；2.中國(guó)氣象局雷電重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.武漢雷光數(shù)字科技有限公司，武漢 430074；4.中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所中國(guó)氣象局流域強(qiáng)降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，橋梁作為必不可少的交通設(shè)施也得到了迅速發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅長(zhǎng)江干流先后建成及在建的跨江大橋數(shù)量已逾150 座，我國(guó)已躍升為世界橋梁強(qiáng)國(guó)。然而，這些跨江、跨海橋梁多位于水陸交界處，環(huán)境空曠，橋梁的塔頂多處于周圍環(huán)境的制高點(diǎn)，極易遭受雷擊，因此橋梁的雷電防護(hù)工作越來越受到關(guān)注和重視。

近年來很多學(xué)者針對(duì)不同類型橋梁的雷電防護(hù)工作開展了大量研究。秦玉新等(2010)以南寧大橋?yàn)槔?，重點(diǎn)介紹了長(zhǎng)跨度橋梁直擊雷和感應(yīng)雷防護(hù)工程的設(shè)計(jì)技術(shù)和施工要點(diǎn)；李良福等(2015)對(duì)纜索承重橋的纜索防雷技術(shù)開展研究，指出纜索易遭受天面和側(cè)面的雷擊，長(zhǎng)時(shí)間雷擊是影響纜索使用壽命的主要因素，并提出了橋梁纜索的防雷措施；孫汝楊(2020)選取某鐵路工程斜拉索橋梁為研究對(duì)象，結(jié)合鐵路綜合接地系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)橋梁的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)探討；王毅力(2020)以重慶蔡家嘉陵江大橋?yàn)槔榻B了橋梁防雷設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了探討；陳景榮等(2023)根據(jù)防雷等級(jí)和設(shè)計(jì)原則，對(duì)港珠澳大橋青州航道橋主體防雷設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討。張娟等(2014)對(duì)影響斜拉索橋雷擊風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)因子進(jìn)行了研究，指出在實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算中應(yīng)充分利用閃電定位資料，并結(jié)合周圍雷電環(huán)境合理選擇相關(guān)因子的修正系數(shù)，使風(fēng)險(xiǎn)值盡可能結(jié)合實(shí)際，并且還定量分析了斜拉索橋遭雷擊產(chǎn)生的各類損失風(fēng)險(xiǎn)概率。上述研究中，對(duì)橋梁雷電防護(hù)技術(shù)的研究多以現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范為依據(jù)，從工程角度分析設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)要點(diǎn)、研究橋梁的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，以定性分析為主，定量分析較少。

雷擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，雷電流通過雷擊點(diǎn)注入，將在泄流通道中形成強(qiáng)大的暫態(tài)電流，進(jìn)而引起電壓的升高，威脅設(shè)備安全運(yùn)行和人身安全(殷啟元等，2019；李鑫等，2021)，雷電災(zāi)害對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成的危害和損失越來越大(余田野等，2019；鄭勁光和蔡小琴，2019；李霞等，2021)。因此，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者針對(duì)雷電暫態(tài)特性開展研究，但大多針對(duì)桿塔、建筑物或金屬構(gòu)筑物等(Cholinezhad J et al，2019；朱澤偉等，2019；彭程等，2022)，對(duì)橋梁的相關(guān)研究還較少，主要有張巖等(2014)對(duì)桁架橋梁開展了雷電暫態(tài)特性研究，提出了基于耦合傳輸線網(wǎng)絡(luò)模型的桁架橋防雷系統(tǒng)的建模方法，分析了桁架橋在遭受直擊雷時(shí)金屬構(gòu)架上的瞬態(tài)電流分布、電磁場(chǎng)分布規(guī)律，但研究中為了減少計(jì)算量將橋梁導(dǎo)體簡(jiǎn)化為21 根，模型相對(duì)簡(jiǎn)單。從開展雷電暫態(tài)特性研究的方法來看，目前應(yīng)用較多的軟件主要有EMTP(Electro-magnetic Transients Program)(陳宋，2018；張萍等，2020)和CDEGS(Current Distribution Electromagnetic Interference Grounding and Soil Structure Analysis)(曾勇等，2017；黃瑞瑩等，2018；史柳等，2018)，相對(duì)前者，CDEGS軟件基于電磁理論，不受頻率限制，分析結(jié)果更為精確(王尚，2016)。因此，本文利用CDEGS 軟件，選取在跨度較大的橋梁中得到廣泛應(yīng)用的斜拉橋?yàn)槔鶕?jù)橋梁設(shè)計(jì)資料，在盡可能還原橋梁導(dǎo)體真實(shí)布設(shè)情況的基礎(chǔ)上建立三維模型，同時(shí)選取30 多個(gè)雷電流頻率點(diǎn)，研究一般斜拉索結(jié)構(gòu)橋梁的塔頂、斜拉索和橋面分別遭受直擊雷時(shí)，橋梁磁場(chǎng)、跨步電壓及雷電流分布情況，以期為橋梁防雷工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 雷電暫態(tài)分布計(jì)算原理

1.1 雷電流模擬

雷電流可以用雙指數(shù)函數(shù)來表示(張小青，1996)

雷電流分布的計(jì)算宜在頻域中進(jìn)行，故用離散傅里葉變換來表示雷電流，即

式(1)和式(2)中i(t)、I(ω)和I0分別為隨時(shí)間變化的雷電流幅值、隨頻率變化的雷電流幅值和雷電流峰值，單位均為kA。t和j表示時(shí)間和虛數(shù)，A為峰值系數(shù)，α和β分別為波前衰減系數(shù)和波尾衰減系數(shù)。當(dāng)雷電流波形為10/350 μs 時(shí)，取A=1.025，α=2.05×10-3，β=0.564。

1.2 電路等效

當(dāng)實(shí)際電路的最大尺寸遠(yuǎn)小于雷電流的波長(zhǎng)時(shí)，符合集總參數(shù)電路的應(yīng)用條件，可以用電路基本定理進(jìn)行求解。本文選定分段導(dǎo)體的長(zhǎng)度為10 m，導(dǎo)體的分段等效電路如圖1 中從上至下第二個(gè)虛線框內(nèi)所示，考慮到模型中每根導(dǎo)體都處于空氣介質(zhì)中，故導(dǎo)體的電導(dǎo)可以忽略不計(jì)。經(jīng)過上述處理后，待求模型就轉(zhuǎn)化為一個(gè)僅含電阻、電感和部分電容的等值網(wǎng)絡(luò)，原鋼筋結(jié)構(gòu)的雷電暫態(tài)計(jì)算也轉(zhuǎn)化為這種等值網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)計(jì)算。

本文橋梁模型中等效的分段導(dǎo)體數(shù)量設(shè)置了3 119 根，為了簡(jiǎn)化整個(gè)橋梁的等效電路圖，如圖1 所示，用省略號(hào)代替了多根相似導(dǎo)體的等效電路，從上至下第一個(gè)虛線框內(nèi)為等效的斜拉索導(dǎo)體，第二個(gè)虛線框內(nèi)為等效的橋面導(dǎo)體，第三個(gè)虛線框內(nèi)為等效的橋墩導(dǎo)體即接地裝置。其中橋面鋼筋主要起到等電位的作用，對(duì)模型計(jì)算分流及磁場(chǎng)結(jié)果的影響較小，因此將其等效為一整塊金屬板，如圖1 中第二個(gè)虛線框內(nèi)的等效電路。

1.3 等效矩陣網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

由于橋梁中的導(dǎo)體數(shù)量較多，為了方便計(jì)算雷電流在頻域下的解，采用矩陣網(wǎng)絡(luò)基爾霍夫方程進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)主放電通道支路頂端的節(jié)點(diǎn)有一頻率為ω的電流Is注入，設(shè)該模型的等效網(wǎng)絡(luò)共有n個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)、b條支路，其中主放電通道有l(wèi)1個(gè)子導(dǎo)體段，構(gòu)架共有l(wèi)2個(gè)子導(dǎo)體段及l(fā)3條接地電阻支路，則有b=l1+l2+l3。依據(jù)基爾霍夫電流定理和電網(wǎng)絡(luò)理論，可以列出主放電通道支路的電流電壓向量混合列矩陣(戴傳友，2001)。

其中A為n×b階的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣，為b×1階的支路電流列向量，Y為n×n階的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，為n×1階的節(jié)點(diǎn)電位列向量，為n×1階的電流源列向量，Z為b×b階的復(fù)阻抗矩陣，G為b×n階的電壓系數(shù)矩陣。

采用列主元消去法即可求得單個(gè)雷電流頻率下各支路電流和節(jié)點(diǎn)電壓的頻域解。為了滿足計(jì)算精度的要求，通過求解多個(gè)雷電流頻率下的解，然后利用傅里葉逆變換即可求得導(dǎo)電構(gòu)架電流分布及各節(jié)點(diǎn)電壓的時(shí)域解。

2 模型建立

2.1 研究對(duì)象

本文選取湖北省的一座單塔斜拉索橋梁作為研究對(duì)象，建立該橋梁的三維模型(圖2)，并在塔頂、斜拉索和橋面分別設(shè)置了模擬雷擊點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置了用于計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度分布及跨步電壓分布的3處觀測(cè)面。該橋梁主橋全長(zhǎng)328 m，含引橋橋面為360 m，寬21 m，索塔距離橋面高96 m，橋面距地面高14 m，索塔采用“琵琶”形，塔身偏離鉛錘面10°，傾向岸側(cè)，斜拉索76根，沿橋梁中心線兩側(cè)對(duì)稱布置，自然接地體775根，分布在5 個(gè)橋墩中。大橋按照第二類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用共用接地系統(tǒng)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2015)，接地電阻值設(shè)計(jì)要求小于等于4 Ω。塔頂設(shè)長(zhǎng)度為4 m的φ76 mm×6 mm不銹鋼管為接閃桿，索塔自下而上敷設(shè)4根40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼作為引下線，利用五組橋墩基礎(chǔ)作為自然接地裝置。配電箱等電子信息設(shè)備設(shè)置在距離橋面以下4.6 m處，如圖2中索塔下橫梁的放大示意部分。同時(shí)，為了防止側(cè)擊雷，將76 根斜拉索與接地干線、引下線的金屬構(gòu)件可靠連接作為自然接閃器。

2.2 參數(shù)設(shè)置

2.2.1 雷電流參數(shù)

仿真試驗(yàn)中將雷電流設(shè)置為幅值150 kA，10/350 μs的雙指數(shù)雷電流波形(圖3)，其中10 μs 表示雷電流波前時(shí)間，350 μs表示半峰值持續(xù)時(shí)間。

2.2.2 橋梁參數(shù)

根據(jù)上述橋梁真實(shí)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)置橋梁模型參數(shù)，并等效設(shè)置橋梁導(dǎo)體材料，斜拉索等效設(shè)置為Φ 9 mm圓鋼，大橋橋墩中的導(dǎo)體材料等效設(shè)置為Φ 19 mm圓鋼，其中作為自然接地體的橋墩內(nèi)圓鋼在最頂部進(jìn)行首尾圓弧連接，底部直接與土壤相接觸，相當(dāng)于垂直接地體。

圖4為橋面斜拉索位置俯視分布圖。橋面的左下角設(shè)置為坐標(biāo)軸原點(diǎn)(0，0，0)，右上角坐標(biāo)為(360，21，0)。76根斜拉索沿橋面中軸線呈對(duì)稱布置，一側(cè)依次標(biāo)號(hào)為1—38 號(hào)，其中1 號(hào)斜拉索的坐標(biāo)為(0，10，0)，38 號(hào)斜拉索的坐標(biāo)為(290，10，0)；另一側(cè)從左往右依次標(biāo)號(hào)為39—76號(hào)，其中39號(hào)斜拉索的坐標(biāo)為(0，11，0)，76號(hào)斜拉索的坐標(biāo)為(290，11，0)。

圖4 橋面斜拉索位置分布俯視圖Fig.4 The aerial view of the location distribution of the stay cables on the bridge deck

2.2.3 土壤參數(shù)

一般河水的電阻率為30～600 Ω·m(陳先祿等，2002)，與一般土壤電阻率較接近。為了簡(jiǎn)化土壤模型，將實(shí)際橋梁正下方的水域等效為單層結(jié)構(gòu)的土壤，土壤電阻率ρ設(shè)置為100 Ω·m。

3 模擬結(jié)果及分析

基于以上試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，利用CDEGS軟件進(jìn)行建模和仿真計(jì)算，得出直擊雷分別擊中橋梁的塔頂、斜拉索和橋面時(shí)，橋梁電子信息設(shè)備安裝處的磁場(chǎng)、橋面下方地面處的跨步電壓、橋梁斜拉索及接地體上的雷電流分布規(guī)律。

3.1 磁場(chǎng)暫態(tài)分布特性分析

雷擊放電過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，尤其是在用于分流的引下線附近，磁場(chǎng)達(dá)到最大值。一般橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)考慮安裝用于照明的配電設(shè)備及用于通信傳輸?shù)碾娮有畔⒃O(shè)備。模型選取斜拉索橋常見的電子信息設(shè)備安裝位置，即如圖2 所示，在索塔橋面以下4.6 m 處設(shè)置與橋面平行的，觀測(cè)面長(zhǎng)80 m，寬15 m，模擬計(jì)算觀測(cè)面B 處的合成磁場(chǎng)分布。如圖5a—c，當(dāng)橋梁的塔頂、斜拉索和橋面遭受雷擊時(shí)，觀測(cè)面b 的磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值分別為1 440.13 A·m-1，2 023.98 A·m-1和1 169.70 A·m-1。

圖5 雷擊橋梁的塔頂(a)、斜拉索(b)和橋面(c)時(shí)觀測(cè)面B(圖2)合成磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值分布(X，Y代表相應(yīng)觀測(cè)面的長(zhǎng)度和寬度，下同)Fig.5 The amplitude peak distribution of synthetic magnetic field on the observation surface B(figure 2)when lightning strikes(a)the tower top of the bridge,(b)the stay cables,and(c)the bridge deck.X and Y represent the length and width of the observing surface,hereafter

當(dāng)雷擊斜拉索時(shí)，由于大量的雷電流通過單根斜拉索，造成了電流分布極不均勻，因此在觀測(cè)面的中心位置，即索塔琵琶造型處兩側(cè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值最大，為2023.98 A·m-1。雷擊橋面時(shí)，可將橋面看成一個(gè)金屬板，大量的雷電流經(jīng)橋面鋼筋橫向傳導(dǎo)后流經(jīng)引下線上的垂直電流只有一小部分，因此觀測(cè)面處產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值最小，約為雷擊斜拉索時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值的一半。雷擊塔頂時(shí)，大部分雷電流經(jīng)4根引下線分流，由于兩側(cè)各有兩根引下線，因此圖5a中出現(xiàn)了磁場(chǎng)強(qiáng)度雙峰的現(xiàn)象。

根據(jù)上述結(jié)果可以得出雷擊斜拉索橋梁時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的一般規(guī)律：電子信息設(shè)備安裝位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度值與靠近安裝位置處引下線上雷電流的大小、安裝位置距離引下線的遠(yuǎn)近均有關(guān)。電子信息設(shè)備安裝位置離引下線距離越近且引下線上雷電流越大，周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度值越大。當(dāng)雷擊斜拉索時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值最大，雷擊塔頂時(shí)次之，雷擊橋面時(shí)最小。一般斜拉索橋梁電子信息設(shè)備安裝在下橫梁處，因此在設(shè)計(jì)電子信息設(shè)備安裝位置時(shí)除了應(yīng)盡量遠(yuǎn)離用于分流的引下線外，還應(yīng)考慮最嚴(yán)酷情況下（即雷電流出現(xiàn)的最大可能幅值及雷擊斜拉索時(shí)）電子信息設(shè)備處的磁場(chǎng)強(qiáng)度值是否在安全閾值范圍內(nèi)，即800 A·m-1(全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，2011)。

3.2 跨步電壓暫態(tài)分布特性分析

當(dāng)橋梁遭受直擊雷時(shí)，地面處會(huì)產(chǎn)生較大的跨步電壓，如不做好接地網(wǎng)的均壓措施或者地面的絕緣處理，將可能對(duì)橋面下活動(dòng)的人員造成傷害。因此在橋梁兩端橋面以下14 m地面處設(shè)置跨步電壓觀測(cè)面，靠近索塔端地面處為觀測(cè)面A、遠(yuǎn)離索塔端地面處為觀測(cè)面C(如圖2)，觀測(cè)面A、C長(zhǎng)均為60 m，寬為41 m，來模擬橋梁塔頂、斜拉索和橋面分別遭受直擊雷時(shí)，跨步電壓峰值的分布情況。如圖6a、b,當(dāng)橋梁塔頂遭受直擊雷時(shí)，觀測(cè)面A和C處跨步電壓峰值分別為7.62 kV和13.04 kV，斜拉索遭受直擊雷時(shí)，觀測(cè)面A和C處跨步電壓峰值分別為8.58 kV 和18.13 kV(圖6c、d)，橋面遭受直擊雷時(shí)，觀測(cè)面A 和觀測(cè)面C 處跨步電壓峰值分別為3.02 kV和16 kV(圖6e、f)。

從圖6可見，橋梁遭受雷擊時(shí)，觀測(cè)面A越靠近第二組接地體(如圖2)的位置，跨步電壓峰值越大，而觀測(cè)面C 在第三組接地體位置處，其跨步電壓峰值較大。觀測(cè)面A的跨步電壓峰值均遠(yuǎn)小于觀測(cè)面C跨步電壓峰值，這是因?yàn)橛^測(cè)面A斜拉索及索塔引下線的分布較集中，電流分布較均勻，且與起主要散流作用的第二組接地體即索塔位置相距較遠(yuǎn)，而觀測(cè)面c 在第三組接地體的附近，且在雷擊分流的邊緣位置，電流分布較不均勻，故跨步電壓值較大。從橋梁不同位置遭受直擊雷時(shí)的跨步電壓分布可以看出，雷擊斜拉索時(shí)跨步電壓峰值最大，這是因?yàn)槔讚魡胃崩鲿r(shí)產(chǎn)生的電流分布極不均勻，因此產(chǎn)生的跨步電壓值較大。而雷擊橋面時(shí)由于雷電流分布較為均勻，產(chǎn)生的跨步電壓值較小。

3.3 電流暫態(tài)分布特性分析

3.3.1 斜拉索電流分布

根據(jù)雷擊塔頂時(shí)的模擬結(jié)果可以得出斜拉索上峰值電流的分布規(guī)律。圖7為單根斜拉索的雷電流幅值隨時(shí)間的變化曲線，可見峰值電流的波前時(shí)間約為8 μs，由于未經(jīng)過橋面及塔身內(nèi)鋼筋導(dǎo)體的分流，雷電波的折反射效應(yīng)不明顯，因此與起始雷電流的波前時(shí)間較相近。提取所有斜拉索及索塔兩側(cè)塔身上波前時(shí)間為8 μs處對(duì)應(yīng)的峰值電流進(jìn)行算術(shù)相加，得到總電流和為150.24 kA，與起始雷電流幅值十分接近，驗(yàn)證了軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖7 單根斜拉索上雷電流幅值隨時(shí)間的變化Fig.7 The temporal variation of lightning current amplitude on a single stay cable

圖8為斜拉索單側(cè)(如圖4中1—38號(hào))峰值電流分布圖。由于兩側(cè)斜拉索上的電流分布近似一致，這里只繪制了一側(cè)斜拉索上的峰值電流分布。圖中峰值電流呈現(xiàn)上下起伏的趨勢(shì)，在索塔處即雷擊點(diǎn)位置雷電流峰值達(dá)到最大，約為4.8 kA，斜拉索編號(hào)為19號(hào)。最小峰值電流僅為0.35 kA。

圖8 斜拉索單側(cè)峰值電流分布Fig.8 The peak current distribution of one side of the stay cable

19—38 號(hào)斜拉索處的雷電流峰值大小呈雙峰雙谷變化趨勢(shì)，這是由于19—38號(hào)斜拉索下方的三組接地體位置在遠(yuǎn)端，雷電波的折反射效應(yīng)明顯，且由于距離較遠(yuǎn)，中間位置斜拉索上的雷電流由于受到相互屏蔽效應(yīng)的影響，會(huì)產(chǎn)生中間位置雷電流減小，兩端雷電流增大的變化趨勢(shì)。19 號(hào)斜拉索正下方就是接地體的位置，雷電流通道最短，因此泄放的雷電流峰值最大。1 號(hào)斜拉索雖然正下方也有接地體，但斜拉索長(zhǎng)度較長(zhǎng)，由此產(chǎn)生的雷電流通道較長(zhǎng)，因此與19號(hào)斜拉索上分得的雷電流峰值相比較小。由于屏蔽效應(yīng)，1—19號(hào)斜拉索上的雷電流分布也是呈中間小、兩端增大的變化趨勢(shì)。因此斜拉索雷電流的大小分布與雷擊點(diǎn)位置、斜拉索長(zhǎng)度以及接地體位置密切相關(guān)。

3.3.2 接地體電流分布

模型中設(shè)置了五組接地體(如圖2)。圖9 為每組接地體中單根鋼筋引下線的雷電流幅值隨時(shí)間的變化。其中第一組和第五組接地體由于處在模型的邊緣位置，導(dǎo)體間的互感互容效應(yīng)不大，導(dǎo)致峰值電流的波前時(shí)間變化較小，分別約為4 μs 和9 μs。而第二、三、四組接地體處在接地模型的中間，存在大量的接地導(dǎo)體，因此對(duì)雷電流波形的影響較大，峰值電流的波前時(shí)間分別約為45 μs、75 μs和32 μs。而每組接地體中的鋼筋電流分布基本一致，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)置每組接地體中的所有鋼筋上的雷電流峰值出現(xiàn)在同一時(shí)間。將每組接地體中的峰值電流進(jìn)行算術(shù)和計(jì)算，分別得到第一至五組接地體的總電流分別為43 kA、48.67 kA、30.334 kA、9.458 kA和11.625 kA。

圖9 圖2中五組接地體中單根鋼筋的雷電流幅值隨時(shí)間的變化Fig.9 The temporal variation of lightning current amplitude of single reinforcement in five groups of grounding systems in Fig.2

由于每組接地體的電流波形不同，因此算術(shù)和相加得出的總電流與起始電流幅值有所不同，但通過電流的大小，可以得出電流的大概分布趨勢(shì)。其中位于索塔位置的第二組接地體的雷電流最大為48.67 kA，承擔(dān)了大部分雷電流的泄放，第四組接地體的雷電流最小為9.458 kA

接地體上雷電流的大小分布與雷擊點(diǎn)位置及接地體的布設(shè)位置密切相關(guān)。離雷擊點(diǎn)位置越近的接地體上的雷電流幅值越大。當(dāng)幾組接地體布設(shè)的較近時(shí)，處于中間位置的接地體由于受到屏蔽效應(yīng)的影響，將呈現(xiàn)雷電流大幅減小的現(xiàn)象。處于邊緣位置的接地體上的雷電流波前時(shí)間變化不大，對(duì)原始雷電波陡度的削減作用不明顯，而處于中間位置的接地體上雷電流波前時(shí)間呈現(xiàn)大幅升高的趨勢(shì)，相當(dāng)于將原始雷電波陡度進(jìn)行了削減，降低了雷電波因陡度大而造成的危害。

4 結(jié)論與討論

利用CDEGS軟件，選取湖北省一座單塔斜拉索橋梁為例，分別模擬計(jì)算橋梁的塔頂、斜拉索和橋面遭受最嚴(yán)酷的直擊雷時(shí)，橋梁周圍的磁場(chǎng)、跨步電壓及雷電流分布情況，得到以下主要結(jié)論：

(1)雷擊斜拉索時(shí)，橋梁電子信息設(shè)備安裝處磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值最大，雷擊塔頂時(shí)次之，雷擊橋面時(shí)最??；雷擊斜拉索時(shí)橋梁下方地面處的跨步電壓峰值最大，雷擊橋面時(shí)橋梁下方地面處的跨步電壓峰值最小。

(2)單根斜拉索雷電流的大小分布與雷擊點(diǎn)位置、斜拉索長(zhǎng)度以及接地體位置密切相關(guān)。斜拉索下方離接地體位置越近且斜拉索長(zhǎng)度越短，分得的雷電流幅值越大；當(dāng)斜拉索下方離接地體位置較遠(yuǎn)時(shí)，由于屏蔽效應(yīng)使得中間位置斜拉索上雷電流減小，兩端位置斜拉索上雷電流增大。

(3)接地體上雷電流的大小分布與雷擊點(diǎn)位置及接地體的布設(shè)位置相關(guān)。離雷擊點(diǎn)位置越近，接地體上的雷電流幅值越大，布設(shè)在中間位置的接地體由于屏蔽效應(yīng)雷電流呈現(xiàn)雷電流大幅減小的現(xiàn)象；處于布設(shè)在邊緣位置的接地體上的雷電流波前時(shí)間變化不大，對(duì)原始雷電波陡度的削減作用不明顯，而處于布設(shè)在中間位置的接地體上雷電流波頭時(shí)間呈大幅升高的趨勢(shì)，降低了雷電波因陡度大而造成的危害。

本文盡可能按照實(shí)際大橋中鋼筋結(jié)構(gòu)的數(shù)量、斜拉索的布設(shè)方式、土壤的特性等進(jìn)行建模，導(dǎo)體數(shù)量達(dá)3 119根，運(yùn)算量龐大。因此，在考慮橋梁下方的水域部分時(shí)，將其等效為地面土壤區(qū)域，作為單層土壤進(jìn)行有限元的計(jì)算。此外本文結(jié)論只針對(duì)常規(guī)斜拉索橋結(jié)構(gòu)，而對(duì)于雷電流參數(shù)的設(shè)置，也僅考慮了最嚴(yán)酷的情況。未來可對(duì)多種雷電流波形及不同幅值的雷電流參數(shù)進(jìn)行設(shè)置模擬，為實(shí)際工程應(yīng)用帶來更多參考。