關(guān)于高層建筑防側(cè)擊雷等電位連接圓鋼用材規(guī)格的探討

梁忠武，周 睿，黃耀磊，尹 娟，周國(guó)軍

(1.湘西土家族苗族自治州氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，湖南吉首市 416000；2.永順縣氣象局，湖南永順縣 416700)

現(xiàn)代城市快速發(fā)展，高層建筑大量涌現(xiàn)。同時(shí)，全球氣候變暖，極端天氣氣候事件頻發(fā)，致使雷擊事故時(shí)有發(fā)生。高層建筑不僅會(huì)遭受雷電直擊，還會(huì)遭到雷電側(cè)擊，形成所謂的側(cè)擊雷。高層建筑一旦遭到側(cè)擊雷，輕則造成建筑側(cè)面的門窗、幕墻、護(hù)欄、外掛空調(diào)損壞，重則可能造成相關(guān)人員的傷亡。高層建筑側(cè)擊雷防護(hù)是雷電安全工程的重要內(nèi)容，直接關(guān)系到建筑雷電防護(hù)的有效性。側(cè)擊雷防護(hù)中，金屬門窗、護(hù)欄等的等電位連接用材起到泄放雷電流的作用，如果等電位連接用材規(guī)格偏小，由于雷電的熱效應(yīng)將導(dǎo)致連接用材的融化，因而等電位連接用材規(guī)格的合理性直接關(guān)系到能否有效泄放雷電流，進(jìn)而影響到側(cè)擊雷防護(hù)的有效性，所以防側(cè)擊雷等電位連接用材的研究顯得尤為重要。

關(guān)于側(cè)擊雷的防護(hù)研究，鄧峰等[1-3]研究了玻璃幕墻、金屬門窗、外掛空調(diào)等的側(cè)擊防護(hù)技術(shù)，李家啟等[4-5]研究了雷擊繞擊率特征及側(cè)擊雷雷電流幅值隨建筑高度的變化情況，而關(guān)于側(cè)擊雷防護(hù)中等電位連接用材規(guī)格的研究較少。徐澤芳等[6-7]研究探討了防雷引下線的截面積，在《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057—2010)(下文簡(jiǎn)稱GB50057)[8]中也只給出了等電位連接用材規(guī)格的一般要求。在不同建筑高度的情況下，由于側(cè)擊雷雷電流幅值大小的不同必然導(dǎo)致所需等電位連接用材規(guī)格的不同。通過(guò)理論計(jì)算分析側(cè)擊雷的雷電流幅值隨建筑高度的變化，以及防側(cè)擊雷等電位連接用材(圓鋼)規(guī)格隨建筑高度的變化，這將對(duì)高層建筑防側(cè)擊雷等電位連接施工以及降低防護(hù)成本起到重要的指導(dǎo)意義。

1 側(cè)擊雷及防側(cè)擊雷用材的相關(guān)要求

根據(jù)GB50057，擊距與雷電流強(qiáng)度存在以下關(guān)系hr=10I0.65，hr(m)為擊距，即滾球半徑(下統(tǒng)稱為滾球半徑)，I(kA)為雷電流強(qiáng)度。每一個(gè)雷電流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)一個(gè)滾球半徑，當(dāng)雷電先導(dǎo)頭部發(fā)展到離地面物體的距離等于或大于該雷電流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滾球半徑臨界值時(shí)，雷電流將被接閃。由規(guī)范對(duì)第一、二、三類防雷建筑物定義的滾球半徑(30 、45 、60 m)，可分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的有效攔截雷電流幅值為5、10、16 kA[8]。當(dāng)雷電流幅值高于有效攔截雷電流幅值時(shí)，滾球半徑大于臨界值，雷電將擊于接閃器；雷電流小于有效攔截雷電流幅值時(shí)，雷電將繞開接閃器擊于被保護(hù)物，雷電繞開屋頂接閃器而擊于被保護(hù)物的側(cè)面時(shí)，形成側(cè)擊雷，所以側(cè)擊雷也可以被看作是一種繞擊雷。從以上定義也可以看出相對(duì)于直擊雷，側(cè)擊雷的雷電流幅值相對(duì)較小，這也決定了側(cè)擊雷防護(hù)用材區(qū)別于直擊雷。

在直擊雷防護(hù)中，規(guī)范明確規(guī)定用作接閃與引下雷電流的圓鋼直徑不少于8 mm，防側(cè)擊雷主要考慮高層建筑金屬門窗、護(hù)欄的等電位連接用材，GB50057要求用作等電位連接的圓鋼截面積不少于50 mm2，這樣一個(gè)規(guī)定比較籠統(tǒng)且不夠具體。

2 側(cè)擊雷的雷電流幅值計(jì)算分析

當(dāng)建筑的高度低(小)于滾球半徑時(shí)，建筑遭受小于滾球半徑所對(duì)應(yīng)雷電流的側(cè)擊，雷擊電流相對(duì)較小(有效攔截雷電流幅值以下)；但當(dāng)建筑的高度高(大)于滾球半徑時(shí)，高出滾球半徑部分遭側(cè)擊雷的雷電流幅值不可預(yù)知。這種側(cè)擊雷對(duì)應(yīng)的雷電流幅值有多大，其與建筑的高度又有何關(guān)系，需要進(jìn)行計(jì)算分析。測(cè)量研究表明，自然雷電流幅值大概在200 kA以內(nèi)[9-10]。

選取GB50057中規(guī)定的第二類防雷建筑物，考慮到滾球半徑以下高度部分側(cè)擊雷電流的幅值規(guī)范已給出，本文側(cè)重分析二類防雷建筑對(duì)應(yīng)滾球半徑以上高度部分側(cè)擊雷電流幅值的變化，即以防側(cè)擊雷起始高度(45 m)對(duì)應(yīng)的雷電流幅值(10 kA)為最小臨界值開始計(jì)算分析，并且假定屋面有直擊雷防護(hù)裝置。

根據(jù)擊距與雷電流強(qiáng)度關(guān)系可以得出：I=(hr/10)1.54。如圖1所示，滾球H1的滾球半徑hr對(duì)應(yīng)的雷電流為I0，滾球H2的滾球半徑h對(duì)應(yīng)的雷電流為I1，因此，當(dāng)I

圖1 建筑物滾球半徑與保護(hù)范圍示意圖(圖中H1代表小的滾球，其滾球半徑為hr，對(duì)應(yīng)圖中A點(diǎn)高度；H2代表大的滾球，其滾球半徑為h，對(duì)應(yīng)圖中C點(diǎn)高度；B點(diǎn)位于地面，A、B、C處于同一垂直線。)

若取建筑高度h為100 m，滾球半徑hr為45 m，可計(jì)算出I0≈10 kA，I1≈35 kA。即建筑高度低于45 m部分遭受繞擊雷的雷電流幅值范圍為：0 kA

為進(jìn)一步得到建筑高度與側(cè)擊雷雷擊電流幅值之間的關(guān)系，本文針對(duì)不同建筑高度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 二類防雷建筑側(cè)擊雷電流幅值區(qū)間隨建筑物高度的變化

從圖2可以看出，在滾球半徑以上高度部分，遭受側(cè)擊雷雷電流幅值范圍隨著建筑高度的增高而增大。對(duì)于二類建筑，在90 m處，其遭受側(cè)擊雷雷電流幅值區(qū)間在10～30 kA；在150 m處，其遭受側(cè)擊雷雷電流幅值區(qū)間在10～65 kA。側(cè)擊雷雷電流幅值隨建筑高度的增高而增大將導(dǎo)致防側(cè)擊雷所需材料規(guī)格的變化。

3 防側(cè)擊雷等電位連接用材截面積的計(jì)算分析

雷電流通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)，若金屬導(dǎo)體的截面積不夠大，可能使導(dǎo)體融化，甚至引發(fā)火災(zāi)。在側(cè)擊雷的作用下，等電位連接導(dǎo)體的截面積應(yīng)滿足一定規(guī)格要求，才能保證泄流的有效性。以上的計(jì)算表明，隨著建筑高度的增加側(cè)擊雷電流幅值也會(huì)增大，最終也將導(dǎo)致所需導(dǎo)體材料規(guī)格的變化，通過(guò)理論計(jì)算分析等電位連接用材規(guī)格的變化。

考慮首次雷擊的情形，并假定雷電流以同樣的波形重復(fù)5次，一次雷電平均包括3～4次放電[11-12]。因此，在單位長(zhǎng)度的鋼筋里由一次雷電產(chǎn)生的總熱量[6,13-14]為

(1)

式(1)中i為隨時(shí)間變化的雷電流(kA)，ρ為鋼筋的平均電阻率(Ω·mm)，S 為鋼筋的截面積(mm2)，t為時(shí)間變量(s)。

單位長(zhǎng)度(1 mm)鋼筋里的內(nèi)能變量為

Q′=CgSΔT。

(2)

式(2)中C為鋼筋的平均比熱容，取0.458 J/ g·℃；g 為鋼筋的密度7.85×10-3g/mm3；ΔT為從正常溫度升高到某一溫度的溫度增量(℃)。

根據(jù)(1)、(2)式 計(jì)算得到

(3)

鋼升高到某溫度時(shí)的電阻率ρ1可按下式計(jì)算

ρ1=ρ0(1+4.5×10-3ΔT+5.8×10-6ΔT2) 。

(4)

式中ρ0為鋼在正常溫度(設(shè)為40 ℃)時(shí)的電阻率,可為(12～16)×10-5Ω·mm，計(jì)算時(shí)取ρ0=14×10-5Ω·mm。

側(cè)擊雷電流流過(guò)圓鋼后，其最高溫度按80～100 ℃考慮，考慮側(cè)擊雷的分流系數(shù)Kc=0.44(等同于多根引下線的情形)，則有

S=0.44Im(6 569.42ρ/CgΔT)1/2=π(d/2)2。

(5)

式(5)中d為圓鋼直徑。

如果鋼的最終溫度按100 ℃計(jì)算，則ΔT=60 ℃，計(jì)算得到d=1.15(Im)1/2；如果鋼的最終溫度按80 ℃計(jì)算，則ΔT=40 ℃，計(jì)算得到d=1.26(Im)1/2。

結(jié)合本文第2部分中關(guān)于建筑高度與側(cè)擊雷最大雷電流幅值的關(guān)系，可以計(jì)算得到不同高度的建筑防側(cè)擊雷等電位連接圓鋼用材所需的最大規(guī)格，計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，隨著建筑高度的增加，防側(cè)擊雷等電位連接所需圓鋼的最大直徑也在增大，不同于規(guī)范中對(duì)引下線最小規(guī)格d=8 mm的要求，防側(cè)擊雷等電位連接所需圓鋼最大直徑可能小于8 mm也可能大于8 mm，例如當(dāng)建筑高度在90 m時(shí)，所需的最大圓鋼直徑約在7 mm；當(dāng)建筑高度達(dá)到150 m時(shí)，所需的最大圓鋼直徑約在10 mm。如果考慮第二類防雷建筑物的最大雷電流150 kA(當(dāng)作側(cè)擊雷電流)，當(dāng)鋼的允許溫度增量為60 ℃時(shí)，可計(jì)算得到圓鋼直徑d=14.08 mm是最大值；當(dāng)鋼的允許溫度增量為40 ℃時(shí)，圓鋼直徑d=15.43 mm是最大值。

表1 不同建筑高度下防側(cè)擊雷等電位連接圓鋼最大直徑 mm

4 結(jié)論與討論

利用GB50057中擊距與雷電流之間的關(guān)系及熱力學(xué)相關(guān)定律，計(jì)算分析了側(cè)擊雷的雷電流幅值隨建筑高度的變化，以及防側(cè)擊雷等電位連接圓鋼用材規(guī)格隨建筑高度的變化，得到以下結(jié)論。

(1)建筑高度越高，側(cè)擊雷的雷電流幅值范圍越大，遭受的側(cè)擊雷雷電流幅值將越大。

(2)建筑高度越高，防側(cè)擊雷等電位連接圓鋼用材所需直徑越大，并且防側(cè)擊雷等電位連接的最大圓鋼直徑與建筑高度之間基本上呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

(3)考慮二類防雷建筑物，分流系數(shù)為0.44時(shí)，以150 kA作為最大側(cè)擊雷電流，當(dāng)鋼的允許溫度增量為60 ℃時(shí)，圓鋼直徑與雷電流關(guān)系式為d=1.15(Im)1/2，圓鋼直徑d=14.08 mm是最大值，當(dāng)鋼的允許溫度增量為40 ℃時(shí)，圓鋼直徑與雷電流關(guān)系式為d=1.26(Im)1/2，圓鋼直徑d=15.43 mm是最大值。

(4)實(shí)際高樓里的鋼筋是成網(wǎng)狀鏈接的，雷電流的散流更為復(fù)雜，本文計(jì)算分析時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，因而本文研究得到的圓鋼直徑和實(shí)際所需圓鋼直徑可能存在一定差異，有待進(jìn)一步研究。