鐵路斜拉橋梁防雷接地設(shè)計分析

孫汝楊

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津300300）

1 引言

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，基建進入一個快速發(fā)展時期，鐵路建設(shè)不斷增加。由于鐵路速度快，橋隧占比大，出現(xiàn)了不少斜拉橋、懸索橋等形式的特大橋梁。由于大多鐵路橋梁位于空曠地域，周圍無高聳建筑，雷擊概率、強度大于其他地域。雷暴云所產(chǎn)生的熱力、機械力會對橋體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部電子照明系統(tǒng)造成較大破壞。因此，鐵路特大橋梁防雷接地系統(tǒng)成為橋梁設(shè)計中不可或缺的重要一環(huán)。

本文選取某個鐵路工程中斜拉索橋梁作為研究對象，結(jié)合鐵路綜合接地系統(tǒng)等特點，對其防雷接地系統(tǒng)進行綜合設(shè)計。

2 大橋環(huán)境及其雷電風險評估

此斜拉橋主體部分長580m，橋面寬度約20.5m，通過混合梁斜拉橋方式跨過黃河，采用約100m 高的H 型索塔。

根據(jù)年平均雷暴日數(shù)統(tǒng)計表，當?shù)啬昃纂娙諗?shù)Td為16.6d/a，此斜拉橋年預計雷擊次數(shù)計算【1】如下：

式中，N為建筑物年預計雷擊次數(shù)，次/a；K為校正系數(shù)，取值2；Ng為所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度，次/（km2·a），Ng=0.1Td；Ae為截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2，Ae=0.166 9km2。

經(jīng)計算可知N=0.554 08 次/a，根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》【2】規(guī)定，該橋為第二類防雷建筑物，按第二類防雷設(shè)計標準進行設(shè)計。

3 大橋防雷接地設(shè)計要素

與建筑物防雷設(shè)計相似，橋梁防雷設(shè)計包括外部防雷、內(nèi)部防雷。具體分為接閃器部分、引下線部分、感應雷防護及接地系統(tǒng)等。

外部防雷：主要考慮對橋梁及橋面的直擊雷和側(cè)擊雷的防護。高聳主塔在空曠區(qū)域是雷暴云尖端放電的主要途徑，雷電會直接擊中其頂部或側(cè)面。內(nèi)部防雷：對內(nèi)部電子照明系統(tǒng)進行感應雷防護，雷電在橋內(nèi)會產(chǎn)生感應過電壓，會對內(nèi)部電子設(shè)施產(chǎn)生電流沖擊，從而破壞內(nèi)部設(shè)施【3】。

與建筑物防雷設(shè)計不同之處在于建筑物大多數(shù)以其外沿為防護界面，而鐵路橋梁不僅考慮斜拉索、主塔等的防雷設(shè)計，還需考慮電子照明設(shè)施、綜合接地系統(tǒng)等。

運用綜合防雷設(shè)計，可很大程度上降低雷擊對斜拉索橋本身的破壞，降低雷電對橋面設(shè)施的威脅，降低感應雷對電子照明設(shè)施的損壞。

4 防雷系統(tǒng)設(shè)計

4.1 直擊雷防護

4.1.1 索塔雷電防護

主塔采用鋼筋混凝土H 型式，在頂部四周、橫梁外沿處明敷避雷帶，采用不小于50mm2的不銹鋼作為接閃器。避雷帶高度150mm，1m 設(shè)置1 個支持卡子，距外沿10mm。由于設(shè)有檢修通道和航空障礙燈，所以，在每個索塔頂部設(shè)置3m 高免維護型避雷針，其基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)2 處以上不小于φ16mm 的主筋。

利用橋梁結(jié)構(gòu)主筋作為引下線，其上端與明敷避雷帶及避雷針可靠聯(lián)結(jié)，下端與承臺和樁基內(nèi)主筋可靠聯(lián)結(jié)。每個墩柱四角分別設(shè)引下線，其間距小于18m，作為引下線的鋼筋直徑應不少于16mm。如圖1 所示。

圖1 H型索塔防雷接地系統(tǒng)示意圖

4.1.2 斜拉索雷電防護

索塔及避雷針只能保護局部范圍，其保護范圍外部分需采取其他方式進行防護。

斜拉索橋面荷載從梁體傳遞到斜拉索，再傳至索塔，斜拉索體在整體結(jié)構(gòu)力學中起到關(guān)鍵作用，斜拉索應選用高密度聚乙烯護套進行保護。對于斜拉索的防護可采用對斜拉索加裝接閃帶的方式，也可利用斜拉索內(nèi)鋼絲對雷電所產(chǎn)生的沖擊電流進行泄流。

根據(jù)文獻【3】所述，對不同材質(zhì)的斜拉索進行了雷電沖擊模擬實驗，短時雷電能量對纜索的使用壽命影響不顯著，長時雷擊能量是影響其使用壽命的主要因素。由于大跨度斜拉橋的索塔較高，斜拉索會長達150m 以上，接閃器自身重量對斜拉索在風阻及受力上會產(chǎn)生較大影響，大風條件下斜拉索會產(chǎn)生較大幅度的擺動，對橋面上設(shè)施會有一定影響。

通過對本橋斜拉索進行加強，并對其護套采取阻燃措施，利用其內(nèi)部若干根鋼絲對雷電沖擊進行釋放。在斜拉索與索塔和主梁錨固金具處，就近設(shè)置接地鋼板以聯(lián)結(jié)，保證斜拉索內(nèi)鋼絲能與主梁和索塔進行可靠電氣聯(lián)結(jié)。

4.2 側(cè)擊雷防護

當斜拉橋索塔及索纜高度超過橋梁閃電側(cè)擊雷高度時，應采取側(cè)擊雷防護措施。本斜拉橋閃電側(cè)擊高度為28.28m。因此，塔身每隔10m 利用結(jié)構(gòu)鋼筋連接成均壓環(huán)，并與內(nèi)部所有引下線及金屬構(gòu)件做可靠電氣連通。

4.3 電子設(shè)施防護

橋內(nèi)檢修通道設(shè)有照明系統(tǒng)，索橋設(shè)有航空障礙燈、助航標志燈等設(shè)施，在為其供電的箱式變電站低壓母線側(cè)上并聯(lián)1套避雷器，在供電總配電箱處設(shè)置二級浪涌保護器防護。

供電系統(tǒng)采取TN-C-S 系統(tǒng)，通過多層防護措施，使電子設(shè)施受到雷電感應侵害的可能性大大降低。

5 接地系統(tǒng)設(shè)計

接地系統(tǒng)電阻應不大于10Ω，利用橋墩臺基礎(chǔ)內(nèi)不少于2根且直徑不少于16mm 的主鋼筋作為接地裝置，其豎向鋼筋應每隔6m 用箍筋焊接1 次，并與樁基承臺底部鋼筋網(wǎng)可靠連接。應保證索塔頂接閃器至樁基礎(chǔ)利用混凝土內(nèi)鋼筋進行完整的電氣可靠連接，形成多條完整的雷電電流釋放通路。

建議橋梁接地系統(tǒng)不與鐵路綜合接地系統(tǒng)中的貫通地線直接相聯(lián)結(jié)，避免雷電電流在釋放過程中形成進入貫通地線的直接路徑。

5.1 橋墩部分

橋墩基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋采用環(huán)氧樹脂等措施進行防護，混凝土包覆在絕緣防水層內(nèi)，沿橋墩周邊增設(shè)厚度不小于5mm 的人工接地銅板，其與接地引下線間用截面積不小于100mm2銅質(zhì)連接帶連接，每個銅板連接點不少于4 處，詳見圖1。

樁基礎(chǔ)底部設(shè)置鍍鋅鋼板接地板，在外表面涂抹防腐措施。每座樁基礎(chǔ)內(nèi)應有2 根以上直徑不少于16mm 的主筋與樁基承臺底部鋼筋網(wǎng)可靠連接。

5.2 等電位連接部分

在檢修平臺處預埋鍍鋅鋼板，設(shè)置接地端子或接地測試點，并與引下線進行可靠連接。

橋梁金屬構(gòu)件物之間應進行等電位連接，橋面縱向兩側(cè)設(shè)置截面積不小于100mm2且厚度不小于4mm 的熱鍍鋅扁鋼作為橋面等電位連接帶，并與橋墩引下線進行連接。橋面上伸縮縫兩側(cè)的等電位連接帶應做U 型自由變形處理，橋面等電位連接帶應在橋墩位置處和橋梁縱向每隔30m 與主梁、鋼筋混凝土、鋼箱梁做電氣可靠連接。

6 結(jié)語

綜上所述，高速鐵路中特大型橋梁越來越多，大跨度斜拉橋橋梁的防雷接地設(shè)計應引起足夠的重視。利用橋梁自身的結(jié)構(gòu)鋼筋，配合一系列的防雷接地措施，形成橋梁整體的防雷接地系統(tǒng)。對于保護橋梁整體使用壽命以及橋面上各種附屬設(shè)備，均起到了一定的保護效果。