鋼結(jié)構(gòu)廠房防雷接地設(shè)計(jì)分析

李天宇, 李光達(dá)

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司, 廣東 深圳 518172)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)廠房具有建設(shè)周期短、工程造價低、外觀形式簡潔、空間利用率高等顯著特點(diǎn),在工業(yè)廠房、商業(yè)樓宇等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。由于鋼結(jié)構(gòu)廠房的固有結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工均有別于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑。本文對鋼結(jié)構(gòu)廠房的防雷接地系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 通用做法

1.1 防雷接地系統(tǒng)

根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](以下簡稱《雷規(guī)》),防雷接地裝置可分為外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置、接地系統(tǒng)。其中外部防雷裝置包括接閃器、引下線、接地裝置,內(nèi)部防雷裝置包括等電位連接、屏蔽隔離裝置等。防雷接地系統(tǒng)的組成分類如圖1所示。

《雷規(guī)》要求,第一類防雷建筑物的防雷措施應(yīng)裝設(shè)獨(dú)立接閃桿或架空接閃線或網(wǎng),并對排放爆炸危險氣體的放散管、呼吸閥及其他突出建筑物的部分做詳細(xì)接閃保護(hù)考慮。同時,《雷規(guī)》第4.3.5和第4.4.5條對第二類和第三類防雷建筑物在利用建筑物鋼筋的情況做了明確要求,而對第一類防雷建筑物無此要求,說明第二類和第三類防雷建筑物可在條件允許情況下,優(yōu)先利用建筑物內(nèi)有利條件作為防雷接地裝置。

1.2 接閃器

接閃器的設(shè)置取決于建筑物的防雷分類。傳統(tǒng)意義的接閃器包含接閃桿、接閃帶等。按照鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面多為彩鋼壓型板或彩鋼夾芯板的特點(diǎn),根據(jù)《雷規(guī)》第5.2.7條,除第一類防雷建筑物外,金屬屋面的建筑物宜利用其金屬屋面作為接閃器,并銅鋅合金焊、熔焊、卷邊壓接、縫接、螺釘或螺栓連接方式,確保板間是持久的電氣貫通。金屬板應(yīng)無絕緣被覆層,金屬屋面材質(zhì)如表1所示。

表1 金屬屋面材質(zhì)

此外,《雷規(guī)》中強(qiáng)調(diào)薄的油漆保護(hù)層或1 mm厚的瀝青層或0.5 mm厚聚氯乙烯層均不應(yīng)屬于絕緣被覆層。項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員往往結(jié)合項(xiàng)目所在地的風(fēng)荷載、雨/雪荷載、保溫隔熱等方面選取金屬屋面材質(zhì),電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)提前與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員核實(shí)確認(rèn),通常情況下,金屬板下無易燃物時,厚度大于0.5 mm的壓型鋼板或夾心鋼板作為接閃器,從經(jīng)濟(jì)性、美觀性等方面考慮都不失為一個優(yōu)選方案。

1.3 引下線

鋼結(jié)構(gòu)廠房中,其主要構(gòu)件均為焊接型鋼或熱軋型鋼,次要構(gòu)件為C型鋼或Z型鋼,相互采用螺栓或焊接,其整體框架構(gòu)成了金屬屋面、結(jié)構(gòu)鋼柱以及鋼柱地腳螺栓的電氣貫通,因此可優(yōu)先采用建筑物四周的結(jié)構(gòu)鋼柱作為引下線,同時滿足第二類建筑物不大于18 m或第三類建筑物不大于25 m的引下線間距。當(dāng)建筑物的跨度較大,無法在跨距中間設(shè)置引下線時,應(yīng)在跨距兩端設(shè)置引下線并減小其他引下線的間距。

值得注意的是,從引下線設(shè)置間距的角度,《雷規(guī)》向IEC 62305靠攏,IEC 62305規(guī)定第一、二、三類防雷建筑物引下線間距分別為10 m、15 m、25 m,而《雷規(guī)》結(jié)合國內(nèi)大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的柱距為6 m的事實(shí),將引下線間距適應(yīng)性調(diào)整為12 m、18 m、25 m。此外,從法拉第籠原理出發(fā),引下線密度越大,鋼結(jié)構(gòu)廠房的屏蔽效果越好,雷電流放泄效果越好,分流系數(shù)一定程度上會減小,造成的地電位反擊的可能性越小,因此在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)工程中,應(yīng)在條件允許的情況下盡可能采用所有鋼柱作為引下線,同時確保金屬屋面、鋼柱以及鋼柱地腳螺栓之間的可靠電氣貫通。

1.4 接地裝置

接地裝置為雷電流泄放至大地提供有效通路。鋼結(jié)構(gòu)廠房基礎(chǔ)多采用樁基、條基、獨(dú)立基礎(chǔ)等形式。優(yōu)先利用基礎(chǔ)內(nèi)水平鋼筋和樁基內(nèi)垂直鋼筋作為接地裝置,輔以合適尺寸的人工水平或垂直接地體,在滿足接地要求的基礎(chǔ)上可有效降低工程造價。

通常水平人工接地體采用不小于40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼,《雷規(guī)》第5.4.4條要求埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.5 m,并宜敷設(shè)在凍土層以下,而14D504《接地裝置安裝》[2]第2.5.6條要求埋設(shè)深度不宜小于0.8 m。至于垂直接地體,通常采用長度為2.5 m的圓鋼或角鋼。但對于鋼結(jié)構(gòu)廠房來說,其樁基礎(chǔ)深度遠(yuǎn)超2.5 m,因此優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)作為接地體。

2 存在的問題

2.1 標(biāo)準(zhǔn)的解讀

2.1.1 專設(shè)引下線的要求

《雷規(guī)》第4.3.3和第4.4.3條均強(qiáng)調(diào)專設(shè)引下線不少于2根,但優(yōu)先利用建筑物內(nèi)鋼筋作為引下線也是標(biāo)準(zhǔn)中的推薦做法,因此針對已利用建筑物內(nèi)鋼筋作為引下線后,是否仍需設(shè)置不少于2根專設(shè)引下線令人疑惑,尤其作為強(qiáng)制性條文給實(shí)際設(shè)計(jì)造成很大困擾。經(jīng)多方查閱資料后明確,第4.3.3條(4.4.3條)中,第二類(第三類)防雷建筑物當(dāng)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時,應(yīng)采用建筑物四周和內(nèi)庭院四周結(jié)構(gòu)柱內(nèi)不少于2根主筋作引下線,其間距沿周長計(jì)算不應(yīng)大于18 m(25 m)。當(dāng)建筑物的跨度較大,無法在跨距中間設(shè)引下線時,應(yīng)在跨距兩端設(shè)引下線并減小其他引下線的間距,并使引下線的平均間距不應(yīng)大于18 m(25 m)[3]。

2.1.2 接地體的埋深

針對上文提到的水平接地體的埋深,根據(jù)IEEE 142:1991[4]中的相應(yīng)公式做簡要的計(jì)算對比。以土壤電阻率ρ=100 Ω·m,水平接地體總長度L=100 m,接地體半徑10 cm為例,進(jìn)行計(jì)算。接地電阻計(jì)算公式:

(1)

L字型接地電阻計(jì)算公式:

(2)

Y字型接地電阻計(jì)算公式:

(3)

接地電阻隨水平接地體埋深計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 接地電阻隨水平接地體埋深計(jì)算結(jié)果

接地電阻隨水平接地體埋深變化曲線如圖2所示。

圖2 接地電阻隨水平接地體埋深變化曲線

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可見,隨著水平接地體埋設(shè)深度增加,接地電阻有所下降,但其下降數(shù)值與埋設(shè)增加的深度卻不是正比關(guān)系,工程中采用增加埋設(shè)深度來降低接地電阻顯然是不科學(xué)的。因此,為滿足不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,通常水平接地體埋設(shè)深度為1 m。

2.2 接地體連接

目前,很多的設(shè)計(jì)文件對于采用建筑物基礎(chǔ)作為接地體的做法僅是一筆帶過,深究起來并不清楚現(xiàn)場如何執(zhí)行,如現(xiàn)場施工人員經(jīng)驗(yàn)不足,則存在導(dǎo)致接地裝置失效的風(fēng)險。

鋼結(jié)構(gòu)廠房中,如鋼柱型有垂直和水平鋼筋網(wǎng)的基礎(chǔ)、杯口型有垂直和水平鋼筋網(wǎng)的基礎(chǔ)等,其基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋與鋼柱地腳螺栓并無連接。按照通用做法中的連接,接地體僅包含承臺內(nèi)鋼筋和敷設(shè)的水平接地體(如有),并沒有利用樁基內(nèi)鋼筋,此時需明確具體做法或直接指向相關(guān)圖集,應(yīng)采用直徑≥10 mm的鍍鋅圓鋼將基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋與鋼柱地腳螺栓焊接,再將每一樁基的一根主筋同承臺內(nèi)鋼筋焊接,形成引下線與接地體的電氣貫通。鋼柱型鋼筋網(wǎng)的基礎(chǔ)如圖3所示。

圖3 鋼柱型鋼筋網(wǎng)的基礎(chǔ)

承臺和樁基的鋼筋連接如圖4所示。

圖4 承臺和樁基的鋼筋連接

3 設(shè)計(jì)及施工建議

3.1 防側(cè)擊雷

為滿足工業(yè)生產(chǎn)需求,鋼結(jié)構(gòu)廠房通常均為單層、大跨度廠房,其高度一般不會超過25 m,但不排除有特殊功能的工商業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房,當(dāng)高度超過45 m時,應(yīng)考慮采取避免雷電側(cè)擊的措施,同時針對高層建筑物內(nèi)的電子信息系統(tǒng)應(yīng)采取防雷分級,以便指導(dǎo)配電系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)。

3.2 實(shí)時測量接地電阻

在鋼結(jié)構(gòu)廠房基礎(chǔ)施工階段,在具備條件的情況下可及時測量已完工部分的基礎(chǔ)鋼筋電氣連續(xù)性和接地電阻值,從而確保施工過程的有效性,為接地系統(tǒng)驗(yàn)收奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),進(jìn)而確保工程質(zhì)量。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對比考證

由于多種可能原因,針對同一技術(shù)問題的不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范給出的要求可能存在一定差別甚至矛盾,因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比和多方考證。此外,設(shè)計(jì)人員可將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與施工圖集結(jié)合研究、參照比對,便于加深理解,以便得出理想的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié) 語

本文依托標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn),闡述了第二、三類鋼結(jié)構(gòu)廠房防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn),優(yōu)先利用鋼結(jié)構(gòu)廠房固有特點(diǎn),合理利用金屬屋面、鋼結(jié)構(gòu)柱、基礎(chǔ)接地體形成的可靠電氣通路作為雷電流放泄通道,經(jīng)濟(jì)高效,操作便捷,同時給出了工程設(shè)計(jì)的建設(shè)性建議,一定程度上可幫助工程設(shè)計(jì)人員掃除盲區(qū),提高工作效率。