朱芙蓉

摘要 基于安徽省芜湖地区2006—2011年闪电数据，分析了该区域雷电活动规律、芜湖长江大桥面临的雷电风险、雷电对大桥的可能危害方式等，按照雷电防护原理，结合相关标准和规范，阐述了雷电防护C、D、B、S、E 5项措施在芜湖长江大桥雷电防护中的实践应用，并指出桥梁雷电防护的重点措施是等电位连接和电源、信号线路的屏蔽。

关键词 芜湖长江大桥；雷电风险；危险性分析；雷电防护；实践应用

中图分类号 P429；U447 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）01-0230-03

Abstract Based on the lightning data of Wuhu region in Anhui Province from 2006 to 2011，lightning activity regularity of the area，the lightning risk that Wuhu Yangtze River Bridge facing and the harm mode of lightning to bridge was analyzed，according to the theory of lightning protection，combined with the relevant standards and norms，the practical application of C，D，B，S，E five lightning protection measures in Wuhu Yangtze River Bridge lightning protection was elaborated，and pointed out that the key measures of bridge lightning protection is equipotential connection and shield of power supply and signal lines.

Key words Wuhu Yangtze River Bridge；lightning risk；harm analysis；lightning protection；practical application

芜湖市是皖江城市带承接产业转移的核心区、安徽省省域城镇体系和社会经济发展的“双核心”之一，2012年芜湖长江二桥又获批准建设，并进入勘测、设计阶段。芜湖长江二桥横跨长江水面，因河流通航的需要，对桥梁的高度、跨度都提出了一定的要求，同时现代化的大桥还包含很多智能电子信息系统，保证桥梁免受雷电侵害是至关重要的一项工作。由于国家对桥梁的雷电防护措施的设计没有出台统一的标准，因此本文基于安徽省芜湖地区2006—2011年闪电数据，分析该区域雷击大地密度以及雷电流强度的时空发布等雷电活动规律，结合大桥建筑特性以及相关电气电子线路及设备特性分析大桥面临的雷电风险，雷电对大桥的可能危害方式等，运用IEC62305雷电防护的原理，参照国家和行业相关标准，结合芜湖长江大桥建设过程中的实践，对C、D、B、S、E 5项措施进行分析阐述，以期对芜湖长江二桥等后续桥梁工程防雷工作提供借鉴。

1 芜湖长江大桥概况

芜湖长江大桥于1997年3月22日正式开工，2000年9月建成通车，其桥型为公、铁两用钢桁梁斜拉桥，公路在上层，铁路在下层；公路桥面总宽21 m，铁路为I级双线，正桥钢梁采用低碳中强钢（14锰铌钢）双向对称悬臂架设，铁路穿钢箱梁而过（图1）。公路桥长6 078 m，铁路桥长10 616 m，其中跨江桥长2 193.7 m。全桥正桥钢梁14孔，钢梁跨径（120+2×144+2联3×144+180+320+180+2×120）m，主跨312 m，采用大跨度连续钢桁梁低塔斜拉公铁桥，低塔高度84.2 m，距公路面高度33.7 m，通航净高24 m[1]。

2 雷电对大桥产生的危害

雷电是自然的天气现象，且尚法无用装置和其他方法阻止雷击放电[2]。由雷击电流参数的特性可知，雷击对建筑物或设施、人身的损害主要由于其热效用、机械效应、电磁感应效应。表现在强大的雷电流能使雷击点的材料熔化和腐蚀，物体受热膨胀变形，相邻导体之间因雷电流产生电动力使物体扭曲变形，放电产生的冲击波能产生强大的冲击力，雷电流瞬间变化产生的交变磁场对电子信息系统产生不可恢复的损害。

2.1 雷电对大桥拉索力学性能危害可能性分析

雷电产生的热效应可能会影响索塔和钢缆结构性质的主要是钢构架的刚度和弹性模量，因此主要从这2个方面进行分析研究。倘若索塔和钢缆均未采取防雷措施，那么若索塔或钢缆被雷电直接击中，雷电流通过钢架必然会引起发热和升温情况。为方便计算，假设雷电流为I（A），其持续时间为t（s），温升为T（K），则：

T=Q/mc

其中，Q= R0 I 2t

式中：m—钢材单位长度的质量（kg）；c—钢材的比热容，等于460.5 J/（kg·K）；R0—单位长度钢材的电阻（Ω）。

2.1.1 刚度分析。据文献可知，建筑材料的强度、刚度、耐久性等指标随着温度升高明显劣化，同时相邻构件之间的相互约束还可能产生较大的温度应力，从而导致结构的变形增大，承载能力和耐久性能显著降低。国内外大量试验结果表明，各种钢筋在高温下强度均表现为随温度升高而逐渐降低的趋势，但降低幅度各有区别。

欧洲钢结构协会推荐的钢材屈服强度的计算表达式为：

2.1.2 弹性模量分析。欧洲钢结构协会推荐的钢材弹性模量Es（T）的计算表达式为：

Es（T）=（1-17.2×10-12T4+11.8×10-9T3-34.5×10-7T2+15.9×105T）Es

由此，可以得到弹性模量随温度升高而逐渐降低，但与钢筋种类关系不大。因此，雷电击中索塔和钢缆，可能会影响其力学性能变化，导致材质性能改变影响承重性及其寿命，故建议在斜拉索外套接金属套管，并将其上、下两端与就近的防雷装置连接，使雷电流仅在斜拉索的外层金属套管上流过，不影响拉索的承重性和使用寿命。

2.2 雷电对大桥钢筋和混凝土高温粘结性能危害分析

钢筋与混凝土之间的粘结力主要由混凝土硬化收缩时将钢筋握裹而产生的摩擦力、钢筋表面与水泥胶体的胶结力、混凝土与钢筋接触表面上凹凸不平的机械咬合力所组成。雷电具有极强大的功率，雷电流的机械力作用会使被击物体被破坏，由于被击物在雷击点处缝隙中的气体和水分在雷电流作用下剧烈膨胀，水分急剧蒸发而引起被击物爆裂。加热条件下，混凝土抗拉强度随着温度升高而显著降低，这样就降低了混凝土同钢筋之间的粘结力（图2）。

3 芜湖地区及大桥区域雷电环境分析

图3至图7是芜湖地区及芜湖长江大桥区域2006—2011年6年间闪电资料统计分析得到的雷电活动规律。

由图可见，芜湖长江大桥区域雷击大地密度为每年3～7次/km2，雷击发生较为频繁。雷电流强度为30～40 kA，最大超过100 kA，强度较大，总之，雷电危险性较大。

4 芜湖长江大桥雷电防护措施的实践

4.1 雷电防护系统

IEC62305提出避免雷电损害主要和最有效的措施[3]是雷电防护系统，其由外部、内部和雷击电磁脉冲3个雷电防护系统构成。外部防雷主要是防直击雷击；内部防雷主要防闪电感应、反击以及闪电电涌的侵入和生命危险；雷击电磁脉是对建筑物内系统（包括线路和设施）防雷电流引发的电磁效应，它包含防经导线传导的闪电电涌和辐射脉冲电磁场效应。采取的防护措施是使用接闪器截获击向建筑物的直击雷；使用引下线把雷电流安全引向大地；使用接地装置泄放雷电流到大地；使用等电位连接或间隔距离组织建筑物内外部的防雷装置部件和建筑物内其他电气导体元件之间产生的危险火花；使用空间屏蔽和配合电涌保护，使电气和电子系统免受雷击电磁脉冲的危害。即CDBSE——传导（Conducting）、分流（Dividing）、均压（Bonding）、屏蔽（Shie-lding）和接地（Earthing）5项措施的综合。

4.2 芜湖长江大桥雷电防护等级的确定

芜湖长江大桥横跨长江，两端引桥为高架桥并且两边没有高大建筑，桥体距离水面近40 m，桥墩间距最大达到312 m。根据GB50057—2010的相关规定，芜湖长江大桥的预计年雷击次数N=kNgAe。式中N为大桥年预计雷击次数（次/年）；k为校正系数，大桥应考虑为孤立建筑，取k=2；Ng=0.1 Td，Td为该地区的年平均雷暴日数，芜湖年平均雷暴日数Td=34.6 d；Ae为与大桥截收相同雷击次数的等效面积（km2）。计算结果：N=3.39次/年，故确定雷电防护等级为Ⅱ级。

4.3 雷电防护措施

4.3.1 直击雷与侧击雷的防护（传导措施）。由于大桥钢梁采用了整体节点构造，主桁腹杆与弦杆的连接采用向节点板间插入的方法连接等各种新技术，整个桥梁成为一个钢结构整体。上层公路桥面：低塔的顶部采用直径20 mm的热镀锌圆四周明敷并与塔内钢筋连接，塔内高度每隔5 m作环形连接并焊接到塔内作引下线的钢筋上，引下线设置四角各1根。钢质材料的路灯杆和护栏作为桥面直击雷和侧击雷的防护，路灯杆和钢护栏的底部基座采用4 mm×40 mm的热镀锌扁钢与整个等电位焊接，并做防腐处理。

4.3.2 引下线的设置（分流和接地措施）。由于桥梁的桥墩间距最小为120 m，主跨达到312 m，依据IEC62305和参照建筑物防雷设计规范的标准，引下线的间隔是远远达不到要求。一旦桥梁遭受雷击，则桥梁上任意一点的暂态电压为U=IR+hL0di/dt，因距离引下点太远，必将产生的很大的电感电压。因此，每个桥墩内对角另设4根直径20 mm的钢筋作引下线，并每隔5 m做环形连接。公路和铁路桥在主桥与引桥的连接处，各增设2根引下线作分流措施。桥墩为钢筋混凝土结构并且底部长年矗立水中，整个钢结构桥梁与桥墩已经是浑然一体，依据钢筋混凝土含水量对电阻率影响特性构成一个新的“大地”，利用基础作自然接地。

4.3.3 等电位连接（均压和屏蔽措施）。GB50057—2010把“将分开的装置、诸导电物体等用等电位连接导体或电涌保护器连接起来以减小雷电流的电位差”定义为等电位连接，IEC62305以及其他规范的定义虽略有差别，但都强调了带电导体被连接并和大地电位相等的原则。当大桥遭受雷击时，假定击中大桥中间部位的拉杆或路灯，按照桥墩引线平均分配50%的雷电流估算，由公式U=i0R+hL0di/dt可得到该处的暂态电压U=2 365 kV（i0=100×50%/2 kA，R=1，h=156，L0=1.5，di/dt=100/10=10）。如此高的暂态电压如果不能散流进入大地，必将对周围物体造成反击，在无法阻止雷击放电的情况下，最可靠的解决办法就是等电位连接，使整个桥梁处于同一电位。根据大桥上不同的设施位置情况采取以下措施。

等电位连接：在公路、铁路桥的桥面两边采用4 mm×40 mm的热镀锌扁铁分别设置全桥贯通的等电位连接带，使桥面构成一个大“口”型等电位连接环路，连接带设置在等电位连接桥槽内。公路桥面内的钢筋网与桥墩的引下线钢筋焊接，每隔5 m与等电位连接带焊接；护栏每隔5 m与等电位连接带重复焊接；每个路灯的钢基座与等电位连接带焊接。铁路桥的桥面金属、铁轨之间使用截面积120 mm2的多股软铜线作过渡连接；铁路信号接地网的主干线与桥墩的引下线焊接，并使用截面积120 mm2的多股软铜线每隔5 m与等电位连接带作重复连接，与金属接地干线之间的连接作氧焊接处理。所有暴露的金属焊接处做防腐处理。

公路桥面路灯配电系统：电源配电线路采用电缆沟+桥架敷设，电缆沟的盖板下层采用厚度4 mm的钢板上加水泥盖板作屏蔽处理，桥架和钢板每各20 m与等电位连接带作重复连接；配电系统的PE线采用截面积为16 mm2的多股软铜线与路灯作等电位连接。路灯配电采用3级波形为8/20 us电源SPD保护，第一级In为60 kA，安装在低压配电房出线侧；第二级In为40 kA，安装在路灯组母线处；第三级In为20 kA，安装在智能控制箱路灯开关处，控制箱外壳使用截面积10 mm2的多股软铜线连接到等电位连接带。

铁路桥面：利用桥梁的支撑、拉杆等本身金属构件，实现大空间屏蔽网作用的“法拉弟笼”，雷电防护总原则采用等电位连接。在“口”型等电位连接环路的中间增加1条等电位连接带，供铁路上、下行线的信号机、轨道控制箱等设备预留接地使用，预留线使用16 mm2的多股软铜线一段氧焊接在等电位连接带上。在桥梁梁箱进、出口处，四边用热镀锌扁铁增设接地引下线并连接到桥墩的接地体上。电源、信号电缆埋地≥15 m，外套金属等电位连接带连接，所有作屏蔽作用的等电位连接确保两端同时接地。铁路信号设备专用防雷保安器按照铁路部门的标准另行设计[3-5]。

5 结语

桥梁雷电防护的重点措施是等电位连接，使整个桥梁处于同一电位上；桥梁上的配电、智能信息系统等线路应采取有效的屏蔽措施。实践证明：芜湖长江大桥于1997年3月22日正式开工，大桥在建设过程中，芜湖市防雷中心的技术人员积极参与主动介入，提供相应的技术服务，在设计、施工、监理等部门专家的支持配合下，大桥的雷电防护措施得以完善。2000年9月建成通车至今已有12年之久，尚未出现雷击事件。本文根据芜湖市防雷中心为大桥建设过程中提供技术服务过程中的记录和多年对大桥雷电防护的维护检测，整理出大桥雷电防护措施，一方面为大桥的后期维护检测提供依据，另一方面为同类型大桥建设提供参考。

6 参考文献

[1] 方秦汉.芜湖长江大桥[J].华中科技大学学报：城市科学版，2002，19（1）：3-5.

[2] 杨仲江.防雷装置检测审核与验收[M].北京：气象出版社，2009：9.

[3] 尹巧珍.桥梁防雷装置设置的技术探讨[J].福建建筑，2008（6）：107-110.

[4] 彭锦荣，郭志勇，张健波，等.斜拉索桥梁中拉索的防雷设计要点[J].气象研究与应用，2010（2）：161-163.

[5] DB50/T279-2008.桥梁工程防雷技术规范[S].北京：中国标准出版社，2008.