荊岳大橋防雷設計

1、荊岳長江公路大橋主體防雷設計聶武夫、陳思文、陳太龍（湖南省岳陽市氣象局，414000）摘 要：通過對荊岳長江公路大橋防雷系統(tǒng)的設計，較全面的介紹了大型跨海橋梁雷電防護工程的設計技術。直擊雷防護主要從大橋主塔和橋面設施著手設計，并探討了橋梁電源部分（監(jiān)控樓、高桿路燈、主橋塔頂航空障礙燈、監(jiān)控設備、收費站）和信號通信部分防雷電感應的設計方案。根據(jù)荊岳長江公路大橋的結(jié)構特點和環(huán)境特點，針對性提出合理的建議，最大限度地減少大橋建成后的雷電風險。關鍵詞：荊岳長江公路大橋；直擊雷；雷電感應；防雷工程1引言隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，基礎設施建設進入一個高速發(fā)展的黃金時期，橋梁作為跨越江河、峽谷，以及解決城市交

2、通的基礎設施，規(guī)模和數(shù)量也都得到快速發(fā)展。然而，對于一些大型跨江、跨海橋梁來說，因其主塔高（數(shù)百米）、跨度大（主跨度數(shù)百至千余米）且大多位于沿江或海面等空曠地域，受地形等因素的影響，極易遭受雷擊破壞，發(fā)生雷擊的概率、雷擊強度也大于周圍其他地域。在大橋上空或附近地區(qū)出現(xiàn)較強的雷暴云并形成雷擊，因熱力、機械力作用對跨江、跨海大橋可能造成的破壞包括：危及人身安全，損壞塔頂、橋面各類電子設備，破壞主塔、斜拉索或懸索等主體結(jié)構，以及照明等設備（包括高、中、低桿路燈）；強大的雷電電磁脈沖還有可能對大橋機電、三大系統(tǒng)等造成極大破壞，這些對大橋主體防雷提出了更高的要求。因此，做好橋梁防雷是整個橋梁設計中不可或

3、缺的重要一環(huán)。本文即以荊岳長江公路大橋為例，探討橋梁防雷的設計方法。荊岳長江公路大橋是我國“五縱七橫”國道主干線中同江三亞沿海大通道和沈陽?？诟嬖V公路跨越杭州灣的最便捷通道。它建成后可縮短寧波至上海間的陸路距離100多公里，使寧波、舟山、臺州、溫州等浙東南地區(qū)與上海的聯(lián)系更加密切，與滬杭、滬甬高速公路一起構成滬、杭、甬兩小時交通圈，可以加速環(huán)杭州灣地區(qū)的城市化進程和大大提升該地區(qū)的國際競爭力。大橋跨越杭州灣，極易遭受雷擊，而且其社會地位和經(jīng)濟地位也比較特殊，所以對防雷工程的設計和施工要求較高：不僅要能防直擊雷（包括防側(cè)擊雷）、還要能防雷電感應。本文即是針對雷電的危害，結(jié)合荊岳長江公路大橋的特點

4、，對其進行綜合全面的防雷設計。2大橋現(xiàn)場勘查概況荊岳長江公路大橋起自湖北省監(jiān)利縣白螺鎮(zhèn)王李村，跨長江后止于湖南省岳陽市云溪區(qū)道仁磯鎮(zhèn)大鼓山，建設總里程5419公里，其中長江大橋總長4302.5米，總投資23.42億元。設白螺互通式立交和收費管理養(yǎng)護分中心一處。圖1 荊岳長江公路大橋地理位置示意圖大橋橋型為主跨600米雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，橋面寬 33.5米，雙向6車道高速公路，設計時速為每小時100公里。大橋由連續(xù)T梁、連續(xù)箱梁和雙塔鋼箱梁斜拉橋組合而成，主橋為主跨816米混合梁斜拉橋，跨度布置為（100+298）m+816m+（80+2×75）m，橋塔為 H型，南塔高224.5m

5、，北塔高267m；北灘橋為100 m+5×154m+100m七孔預應力砼連續(xù)梁橋。主橋為混合梁斜拉橋，其主跨816米為全球斜拉橋第六大跨度，為世界上唯一一座單側(cè)邊跨采用混凝土主梁、不對稱邊中跨布置、高低塔、主跨和另一側(cè)邊跨采用鋼主梁的千米級斜拉橋，綜合建造技術極其復雜。圖2 荊岳長江公路大橋效果圖電源部分主要采用10kV電能傳輸方式作為大橋照明及其他附屬設施供配電系統(tǒng)電源。在大橋兩岸各建有一座10kV變電所。由于大橋長度較長，在大橋沿線設置變壓器，方便為橋面設施供電。大橋沿線設有高桿路燈，分全夜燈和半夜燈兩種。三座主塔上均設有航空障礙燈，采用220V供電。收費站位于大橋主橋南端約36

6、0m處，其電源來自于10kV變電所。另外，在大橋主橋及引橋橋面上還裝有監(jiān)控設備和裝飾燈、氣象儀器、電子情報板等設備。管理區(qū)監(jiān)控中心位于大橋北岸，共五層，配電房位于一樓，監(jiān)控機房位于三樓，其余為普通辦公區(qū)。3直擊雷防護工程設計3.1接閃器、引下線3.1.1主塔為了使主塔部分免遭直擊雷的破壞，需要在主塔上安裝接閃器，接閃器采用針帶結(jié)合的方式（圖3），由于主塔位于江上，風力較大且江面上腐蝕情況比較嚴重，因此考慮要加大接閃器的規(guī)格，在南塔、北塔頂部四周明敷接閃帶，接閃帶采用直徑20mm的不銹鋼，網(wǎng)格尺寸不得大于5m×5m或6m×4m并在易受雷擊的四個角上各安裝一支接閃短針，接閃短針

7、采用高1m,直徑為80mm的不銹鋼材料制成，并與接閃帶焊接，同時還要將接閃短針與斜拉橋橋塔內(nèi)部專門用于接地的主筋做多點電氣連接。圖3主塔接閃器示意圖塔頂上的各種金屬物（如：航空障礙燈等）也應與接閃帶作可靠焊接。為了防止雷電流通過航空障礙燈進入室內(nèi)，航空障礙燈的外殼不與通往室內(nèi)的PE線相連，另外為了防止航空障礙燈金屬外殼帶電，可以將外殼與接閃帶相連。航空障礙燈的金屬配管也應與接閃帶相連，且金屬配管進入室內(nèi)后應斷開，避免把雷電流引入室內(nèi)。主塔引下線不必單獨設置，而是充分利用利用主橋塔結(jié)構內(nèi)部直徑32mm的縱向主鋼筋作為自然引下線，上與接閃器焊接，下與接地體焊接（圖4）。引下線數(shù)量為4根，并沿主塔四

8、周均勻?qū)ΨQ布置，每根引下線的沖擊接地電阻不應大于10。圖4主塔引下線示意圖由于荊岳長江公路大橋的主塔高度在220m以上，又位于空曠的江面上，所以大橋應采取防側(cè)擊雷的設計。整個主塔利用內(nèi)部4根直徑32mm的結(jié)構鋼筋作為引下線，并且每隔大約6m將主塔外側(cè)一圈橫向結(jié)構鋼筋焊接起來，形成可靠的均壓環(huán)，并與引下線做可靠連接（圖5）。采用多根引下線不但提高了防雷裝置的可靠性，更重要的是其分流作用可大大降低每根引下線的沿線壓降，減少側(cè)擊的危險。而均壓環(huán)的設置則可以消除雷電流流經(jīng)引下線時由電磁感應產(chǎn)生的危險電位差。圖5主塔側(cè)擊雷防護3.1.2大橋拉索的防雷設計大橋的斜拉索是大橋鋼箱梁的支撐體，是關鍵的承重構件

9、，因此要做好防護措施。荊岳長江公路大橋斜拉索采用的是平行鋼絲成品斜拉索（如圖6）。圖6平行鋼絲成品斜拉索結(jié)構平行鋼絲索的內(nèi)部由大約300、400根7mm的高強度鍍鋅鋼絲組成，外層采用雙層防護，即鍍鋅鋼絲+整體索外熱擠聚乙烯防護層。所以每根鋼索的直徑往往在50mm以上，總的截面積也往往大于5000mm2。由于趨膚效應，當雷電流擊中斜拉索時，雷電流大部分集中在斜拉索表面（外層防護層）流動，而斜拉索最靠外的一圈高強鋼絲的截面積也往往遠大于100mm2，其電流承載能力很強，再加上雷電流通常作用時間比較短，所以一般來說，雷電流除了影響斜拉索外層的防腐層或造成金屬表面的熔化外不會造成斜拉索斷裂等嚴重的事故

10、，故只要將斜拉索上下兩端通過錨具、錨墊板等金屬構件分別與主塔內(nèi)部專門用于接地的主鋼筋和橋面敷設的接地系統(tǒng)作可靠的電氣連接，這樣即便雷電擊中斜拉索，以拉索的規(guī)格也完全可以將雷電流安全的泄放。3.1.3橋面直擊雷防護由于大橋的跨度較大，按二類滾球半徑（45m）計算安裝在塔頂?shù)谋芾揍樅徒娱W帶的保護范圍難以覆蓋到全橋，并且在保護到的部分也不能防御小于該半徑所對應的雷電流，如一類對應的雷電流為5.4kA、二類對應的雷電流為10.1kA、三類對應的雷電流為15.8kA，小于對應的雷電流可能擊中被保護物，所以高出橋面的欄桿和燈柱等都可能會遭到雷擊，所以應該將大橋橋面金屬欄桿扶手、金屬照明燈桿等作為接閃器，這

11、樣可以保證所有橋梁結(jié)構均在防雷裝置的保護范圍中。具體做法是將橋面（包括主橋、引橋）上的欄桿、護欄、燈柱、攝像頭金屬支架等金屬設施就近與橋面內(nèi)的防雷接地網(wǎng)絡進行可靠連接，與主體橋梁形成完整的防直擊雷系統(tǒng)。橋面引下線是利用橋墩內(nèi)鋼筋引上，在蓋梁頂上改用16mm的熱鍍鋅圓鋼引上與護欄內(nèi)的防雷鋼筋焊接，并加裝補償器。同時在每個橋墩的橋面電纜槽位置處要預留接地端子。3.1.4橋墩橋墩引下線的目的是將橋梁基礎處接地裝置的接地引出線上引至橋面，上與橋面接地干線連通，下與接地體焊接，并與橋墩（基礎）的鋼護筒焊接（圖7）。根據(jù)規(guī)范，二類防雷建筑物引下線間距為18m,但由于橋墩間距大于18m,故在每個橋墩處都利用

12、橋墩外側(cè)的四根縱向非承重結(jié)構鋼筋作為引下線。圖7橋墩引下線示意圖需要注意的是被利用的作為接地引下線的結(jié)構鋼筋中間若有斷頭，必須采用搭接焊，接地引下線與接地端子必須搭接焊。雙面焊縫長度不小于6D（D為焊接物最大直徑），因此設計為焊縫長不小于190mm,接地鋼筋垂直相交處加L型過渡鋼筋跨接。另外，在橋墩支撐橋體的部分有相對移動的情況，并非固定，因此這段引下線要加裝補償器。3.1.5收費站、管理區(qū)收費大棚荊岳長江公路大橋收費站距離主橋南端約360m，劃分為第三類防雷建筑物。收費大棚是鋼架結(jié)構、金屬屋面，金屬板厚度大于0.5mm，因此可利用其金屬頂棚及其他金屬構件作為接閃器。為了快速泄放雷電流，同時減

13、少每根引下線上的壓降，改善周圍電磁環(huán)境，應盡可能利用收費大棚所有金屬支柱或柱內(nèi)鋼筋作為引下線。所有金屬構件均與引下線作可靠的電氣連通。管理區(qū)管理區(qū)大樓應沿屋面敷設接閃帶，并在易受雷擊的屋角裝設接閃短針，接閃帶及接閃短針采用直徑不小于8mm的圓鋼。引下線應當利用管理區(qū)大樓柱內(nèi)結(jié)構鋼筋作為引下線，引下線平均間距不應大于25m。每根引下線的沖擊接地電阻不宜大于10。3.2大橋接地系統(tǒng)3.2.1大橋主體部分擊中大橋主塔頂部接閃器或主塔上部的雷電流會通過主塔內(nèi)的引下線及設在橋墩里的接地極向大地泄放；擊中斜拉索或橋面各金屬設施（如欄桿、燈柱等）的雷電流會通過橋面的各種防雷裝置進入大橋橋面的防雷接地網(wǎng)絡，然

14、后繼續(xù)向下通過設在橋墩里的接地極向大地泄放。一般來說，橋梁防雷裝置是根據(jù)結(jié)構特征進行配置，在保證橋體結(jié)構安全的前提下，盡可能利用結(jié)構主體構件，采用自然接地的方式，以節(jié)約工程投資。荊岳長江公路大橋基礎結(jié)構采用的是鉆孔樁+承臺基礎，且基礎處于低土壤電阻率地區(qū)，因此對其做以下接地設計。在每根樁基中選擇一根通長垂直主鋼筋作為接地極，另將其余的外圍樁基主鋼筋并焊在一起，同時還要與鋼護筒焊接，整體作為接地極。在利用樁基中的通長垂直主鋼筋作為接地極時，每節(jié)段之間要加搭接鋼筋焊接。在打承臺混凝土之前，將承臺內(nèi)所有樁基的鋼筋、鋼護筒用水平連接線（22圓鋼）環(huán)繞焊接在一起，共同作為接地極（圖8）。圖8樁基礎接地示

15、意圖橋面上的金屬設施連成的等電位連接網(wǎng)應在相應的位置與承臺內(nèi)的防雷接地裝置做可靠的電氣連接，從而使大橋建立起一個可靠的防雷接地網(wǎng)絡，將各個部位的雷電流都能迅速的泄放掉。3.2.2收費站、管理區(qū)部分收費站、管理區(qū)的接地裝置應利用建筑物基礎內(nèi)的鋼筋作為接地體，且為了減小接觸電壓和跨步電壓對人身安全及設備的危害，還必須將位于橋面上的收費站的接地裝置、接地網(wǎng)與大橋的接地系統(tǒng)可靠的連接起來，實現(xiàn)等電位連接。4 防雷電感應設計大橋除主體工程外，還建有供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和收費系統(tǒng)等配套工程，各系統(tǒng)均裝配了大量的精密電子儀器、微機等微電子設備，這些設備遭雷電感應侵害的可能性很大，因此對其采取防雷電感

16、應措施也是橋梁防雷工程必不可少的一部分。防雷電感應主要采取的方法有等電位連接、屏蔽、安裝SPD等。4.1等電位連接4.1.1橋墩部分作為接地極的橋墩，應用水平連接線把所有鋼護筒、樁主筋連接起來作等電位處理，以防止泄放雷電流時產(chǎn)生的電位差對橋墩結(jié)構引起反擊。4.1.2橋面部分出于對經(jīng)濟和施工情況的考慮，在地面和水面下把各個橋墩連接起來組成閉合環(huán)形接地極是有一定困難的，所以只能在橋面設計等電位連接帶，一來可以作為各接地橋墩的等電位連接帶，二來可以作為橋面其他裝置的等電位連接帶。對于大橋混凝土箱梁段（引橋部分），應在兩側(cè)梁面及箱梁設計水平接地帶（圖9），一般選用40mm×5mm鍍鋅扁鋼,共

17、計四根，所以水平接地帶均要與梁體結(jié)構鋼筋和接地引下線做可靠的電氣連接；圖9橋梁等電位連接帶鋼箱梁段（南北航道橋段）利用梁體作接地帶，且混凝土箱梁與鋼箱梁要可靠柔性連接，接地帶全橋貫通，并且各側(cè)面的接地帶之間應每隔不大于25m用鋼筋焊接做等電位處理。另外利用防撞墻內(nèi)主鋼筋作為橋面的接地貫通線，分散在橋面上的電氣設備及橋梁結(jié)構需要接地的部分，均可就近與接地貫通線可靠連接，達到等電位的要求。橋面上的金屬設施之間可連接成一個等電位連接網(wǎng)，并與防雷裝置及等電位連接帶進行可靠的等電位連接。設在橋面下的各種過江金屬物，如電纜外皮、管道等其相互間凈距小于100mm時應每隔20m30m用金屬線跨接。管道的連接處

18、（如閥門、法蘭盤等），應用金屬線跨接。金屬物應在兩端與就近的等電位連接帶進行可靠的連接。另外所有配電箱、分線盒、電纜槽道、金屬支架、爬梯及所有外露可導電部分等應與橋梁等電位連接帶做好等電位連接，以防雷擊時產(chǎn)生電位差，對其造成影響。如果電纜槽道、爬梯和其他金屬管道過長的，應在每隔不大于25m處做等電位處理。4.1.3主塔部分主塔部分應按前面直擊雷防護設計方法裝設均壓環(huán)，并與主塔內(nèi)部作為引下線的主鋼筋相互連接，與主塔的各種金屬結(jié)構和金屬設備做可靠的等電位連接。4.1.4收費站、管理區(qū)對于收費站、管理區(qū)來說，所有進入建筑物的外來導電物均應在LPZ0A區(qū)或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)的界面處做等電位連接。

19、當外來導電物、電力線、通信線在不同地點進入建筑物時，宜設若干等電位連接帶。進出建筑物的各種金屬管線應就近連接到環(huán)形接地體、內(nèi)部環(huán)形導體或此類鋼筋上。它們在電氣上是貫通的并聯(lián)通到接地體上。進出收費站、管理區(qū)等電子信息系統(tǒng)機房的電源線路宜穿金屬線槽或金屬管埋地敷設，且金屬線槽或金屬管兩端應作可靠的等電位處理。如金屬線槽和金屬管很長時，應每隔30m做一次等電位連接。收費站的機柜、設備外殼、機架等應就近與等電位連接帶可靠連接。管理區(qū)監(jiān)控室內(nèi)應設等電位連接網(wǎng)絡，室內(nèi)所有設備金屬機架（外殼）、金屬線槽、保護接地和SPD接地端等均應做等電位連接并接地。4.2屏蔽低壓配電線路應全線采用埋地電纜引入，在入戶端應

20、將電纜金屬外皮、金屬線槽接地。如有條件限制，可采用架空線，并應在入戶處使用一段金屬鎧裝電纜或護套電纜穿鋼管直接埋地引入，其埋設長度不小于25m,且在架空線與電纜轉(zhuǎn)接處應裝設SPD。戶外的交流供電線路、視頻信號線路、控制信號線路應有金屬屏蔽層并穿鋼管埋地敷設，屏蔽層及鋼管兩端應接地，信號線路、供電線路應分開敷設。4.3過電壓保護4.3.1電源系統(tǒng)管理區(qū)電源系統(tǒng)管理區(qū)的各種線路（如：主控機、分控機的信號控制線、通信線、各種監(jiān)控器的報警信號線等）在進出建筑物LPZ0A區(qū)或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)的界面處應裝設SPD。為避免高電壓經(jīng)過SPD對地泄放后的殘壓過大或因更大的浪涌電流在擊毀SPD后繼續(xù)毀壞后

21、續(xù)設備，以及防止線纜遭受二次感應，管理區(qū)的監(jiān)控機房應采取多級保護（如圖10）。圖10電源系統(tǒng)防雷示意圖（1）在監(jiān)控中心的總配電盤上安裝通流量Iimp25kA（波形10/350s）；響應時間Ta50ns的三相電涌保護器，作為一級保護。（2）在樓層分配電柜上安裝通流量In40kA（波形8/20s）；響應時間Ta25ns的三相電涌保護器，作為第二級保護。（3）在UPS電源前安裝通流量In20kA（波形8/20s）；響應時間Ta50ns的單相電涌保護器，作為第三級保護。（4）在UPS電源后或設備前安裝通流量In10kA（波形8/20s）；響應時間Ta50ns的單相SPD，作為第四級的精細保護。SPD連

22、接導線應短而直，且連接導線不大于0.5m，長度大于0.5m時應適當加粗線徑。當兩級SPD之間距離小于10m時，在兩SPD間加退耦裝置。為防止SPD老化造成短路，要求SPD安裝線路上應有過流保護裝置，如熔斷器，另外應選用有劣化顯示功能的SPD。管理區(qū)外監(jiān)控裝置在管理區(qū)以外還裝有監(jiān)控裝置，對這些設備也要做好電源防雷。在每個外場配電箱內(nèi)各并聯(lián)一組通流量In40kA（波形8/20s）的三相電源SPD，在每個道路車輛檢測器處理器、道路監(jiān)控電子顯示屏及云臺攝像機控制箱內(nèi)也各并聯(lián)安裝一組通流量In20kA（波形8/20s）的單相電源SPD。收費站電源系統(tǒng)收費站電源系統(tǒng)也采用多級保護。第一級安裝在收費站專用配

23、電柜，采用通流量In60kA（波形8/20s）的三相電源SPD，第二級安裝在各收費亭的配電盒內(nèi)，采用通流量In40kA（波形8/20s）的三相電源SPD，第三級安裝在攝像機和終端機的前面，采用通流量In20kA（波形8/20s）的單相電源SPD。另外收費廣場上每臺廣場攝像機控制箱內(nèi)各并聯(lián)安裝一組通流量In20kA（波形8/20s）的單相電源SPD。其他電源防雷對于大橋沿線照明設施，應在其配電盤處安裝通流量In20kA（波形8/20s）的電源SPD。主塔頂部的航空障礙燈也應在其電源控制箱處安裝通流量In60kA（波形8/20s）的三相電源SPD，在各航空障礙燈接線處安裝通流量In20kA（波形8

24、/20s）的單相電源SPD。4.3.2信號系統(tǒng)在橋梁監(jiān)控、收費、通信及辦公自動化等系統(tǒng)內(nèi)集中了計算機網(wǎng)路、程控交換機、無線通信、有線通信、電源、視頻監(jiān)控、交通監(jiān)控等各類子系統(tǒng)，浪涌電流可從各個子系統(tǒng)之間的內(nèi)部纜線引入，因此應對各個子系統(tǒng)進行有效的過電壓保護。包括視頻信號防雷、音頻（電話、對講）信號防雷、數(shù)據(jù)、網(wǎng)路信號防雷、控制信號防雷等，此時應充分考慮防雷產(chǎn)品與被保護的通信設備相匹配。管理區(qū)信號部分主要集中在管理區(qū)的監(jiān)控機房，該機房可以被認為是大橋各種數(shù)據(jù)和信息的集散地，內(nèi)設多臺服務器、電視墻、多路視頻信號線盒程控電話線。因此，在服務器、視頻信號和電話信號的線路上分別設計了網(wǎng)絡信號避雷器、視頻

25、信號避雷器、電話信號避雷器。（圖11）。（1）在監(jiān)控中心機房計算機網(wǎng)絡服務器至網(wǎng)絡交換機(HUB)之間采用同軸線埋地引入方式，應安裝一只In10kA (波形8/20s)網(wǎng)絡信號SPD，以保護服務器。（2）在監(jiān)控中心機房集線器至收費亭的微機間的數(shù)據(jù)線兩端各安裝一只In10kA (波形8/20s)的數(shù)據(jù)線SPD以保護集線器和收費亭微機。（3）在程控電話和緊急電話傳輸線兩端安裝In10kA (波形8/20s)的程控電話電涌保護器。（4）在廣場攝像頭到監(jiān)控中心和收費亭車道的監(jiān)控攝像頭到監(jiān)控中心的視頻傳輸電纜兩端安裝In10kA (波形8/20s)的視頻信號SPD（BNC接口）各一只。圖11大橋監(jiān)控室信號系統(tǒng)防雷電感應設計收費站（1）在收費站專用服務器、IC卡統(tǒng)計計算機、收費管理計算機等設備的RJ45端口處安裝In10kA (波形8/20s)的網(wǎng)絡信號SPD。（2）在收費亭及收費車道的每