荆岳大桥防雷设计.docx

荆岳长江公路大桥主体防雷设计聂武夫、陈思文、陈太龙（湖南省岳阳市气象局，414000）摘 要：通过对荆岳长江公路大桥防雷系统的设计，较全面的介绍了大型跨海桥梁雷电防护工程的设计技术直击雷防护主要从 大桥主塔和桥面设施着手设计，并探讨了桥梁电源部分（监控楼、高杆路灯、主桥塔顶航空障碍灯、监控设备、收费站）和信 号通信部分防雷电感应的设计方案根据荆岳长江公路大桥的结构特点和环境特点，针对性提出合理的建议，最大限度地减少 大桥建成后的雷电风险关键词：荆岳长江公路大桥；直击雷；雷电感应；防雷工程1引言随着我国经济的快速发展，基础设施建设进入一个高速发展的黄金时期，桥梁作为跨越江河、峡谷，以 及解决城市交通的基础设施，规模和数量也都得到快速发展然而，对于一些大型跨江、跨海桥梁来说，因 其主塔高（数百米）、跨度大（主跨度数百至千余米）且大多位于沿江或海面等空旷地域，受地形等因素的影 响，极易遭受雷击破坏，发生雷击的概率、雷击强度也大于周围其他地域在大桥上空或附近地区出现较强 的雷暴云并形成雷击，因热力、机械力作用对跨江、跨海大桥可能造成的破坏包括：危及人身安全，损坏塔 顶、桥面各类电子设备，破坏主塔、斜拉索或悬索等主体结构，以及照明等设备（包括高、中、低杆路灯）； 强大的雷电电磁脉冲还有可能对大桥机电、三大系统等造成极大破坏，这些对大桥主体防雷提出了更高的要 求。

因此，做好桥梁防雷是整个桥梁设计中不可或缺的重要一环本文即以荆岳长江公路大桥为例，探讨桥 梁防雷的设计方法荆岳长江公路大桥是我国“五纵七横”国道主干线中同江〜三亚沿海大通道和沈阳〜海口告诉公路跨越 杭州湾的最便捷通道它建成后可缩短宁波至上海间的陆路距离100 多公里，使宁波、舟山、台州、温州等 浙东南地区与上海的联系更加密切，与沪杭、沪甬高速公路一起构成沪、杭、甬两小时交通圈，可以加速环 杭州湾地区的城市化进程和大大提升该地区的国际竞争力大桥跨越杭州湾，极易遭受雷击，而且其社会地 位和经济地位也比较特殊，所以对防雷工程的设计和施工要求较高：不仅要能防直击雷（包括防侧击雷）、还 要能防雷电感应本文即是针对雷电的危害，结合荆岳长江公路大桥的特点，对其进行综合全面的防雷设计2 大桥现场勘查概况荆岳长江公路大桥起自湖北省监利县白螺镇王李村，跨长江后止于湖南省岳阳市云溪区道仁矶镇大鼓山， 建设总里程5419公里，其中长江大桥总长4302.5米，总投资23.42亿元设白螺互通式立交和收费管理养 护分中心一处桥，跨度布置为(100+298) m+816m+ (80+2X75) m,桥塔为H型，南塔高224.5m，北塔高267m；北滩桥为荆岳长江公路大桥地理位置示意图大桥桥型为主跨600米双塔双索面钢箱梁斜拉桥，桥面宽33.5米，双向6车道高速公路，设计时速为每小时100公里。

大桥由连续T梁、连续箱梁和双塔钢箱梁斜拉桥组合而成，主桥为主跨816米混合梁斜拉千米级斜拉桥，综合建造技术极其复杂 m+5X154m+100m七孔预应力砼连续梁桥主桥为混合梁斜拉桥，其主跨816米为全球斜拉桥第六大跨度, 为世界上唯一一座单侧边跨采用混凝土主梁、不对称边中跨布置、高低塔、主跨和另一侧边跨采用钢主梁的电源部分主要采用 10kV 电能传输方式作为大桥照明及其他附属设施供配电系统电源在大桥两岸各建有 一座10kV变电所由于大桥长度较长，在大桥沿线设置变压器，方便为桥面设施供电大桥沿线设有高杆路灯，分全夜灯和半夜灯两种三座主塔上均设有航空障碍灯，采用220V供电收费 站位于大桥主桥南端约360m处，其电源来自于10kV变电所另外，在大桥主桥及引桥桥面上还装有监控设 备和装饰灯、气象仪器、电子情报板等设备管理区监控中心位于大桥北岸，共五层，配电房位于一楼，监控机房位于三楼，其余为普通办公区 3直击雷防护工程设计3.1 接闪器、引下线3.1.1 主塔 为了使主塔部分免遭直击雷的破坏，需要在主塔上安装接闪器，接闪器采用针带结合的方式（图3），由于主塔位于江上，风力较大且江面上腐蚀情况比较严重，因此考虑要加大接闪器的规格，在南塔、北塔顶部 四周明敷接闪带，接闪带采用直径20mm的不锈钢，网格尺寸不得大于5mX5m或6mX4m并在易受雷击的四个 角上各安装一支接闪短针，接闪短针采用高lm,直径为80mm的不锈钢材料制成，并与接闪带焊接，同时还要 将接闪短针与斜拉桥桥塔内部专门用于接地的主筋做多点电气连接。

图3 主塔接闪器示意图塔顶上的各种金属物（如：航空障碍灯等）也应与接闪带作可靠焊接为了防止雷电流通过航空障碍灯 进入室内，航空障碍灯的外壳不与通往室内的PE线相连，另外为了防止航空障碍灯金属外壳带电，可以将外 壳与接闪带相连航空障碍灯的金属配管也应与接闪带相连，且金属配管进入室内后应断开，避免把雷电流 引入室内主塔引下线不必单独设置，而是充分利用利用主桥塔结构内部直径32mm的纵向主钢筋作为自然引下线， 上与接闪器焊接，下与接地体焊接（图4）引下线数量为4根，并沿主塔四周均匀对称布置，每根引下线的 冲击接地电阻不应大于10Q塔顶避雷针接地端子引 出线接地引出线接地引下线I图4 主塔引下线示意图\ \ \I -I I,由于荆岳长江公路大桥的主塔高度在220m以上，又位于空旷的江面上，所以大桥应采取防侧击雷的设计整个主塔利用内部4根直径32mm的结构钢筋作为引下线，并且每隔大约6m将主塔外侧一圈横向结构钢筋焊接起来，形成可靠的均压环，并与引下线做可靠连接（图 5）采用多根引下线不但提高了防雷装置的可靠性 更重要的是其分流作用可大大降低每根引下线的沿线压降，减少侧击的危险而均压环的设置则可以消除雷电流流经引下线时由电磁感应产生的危险电位差。

正立面图侧立面图图5 主塔侧击雷防护3.1.2 大桥拉索的防雷设计大桥的斜拉索是大桥钢箱梁的支撑体，是关键的承重构件，因此要做好防护措施荆岳长江公路大桥斜拉索采用的是平行钢丝成品斜拉索（如图6）纤维增强聚.脂带r■v1■« . ■■曝色PE缠塊细闹逢豉锚下张杭棗乙烯护抵前伽道^CIHIJPE锚杯專坐-图6 平行钢丝成品斜拉索结构平行钢丝索的内部由大约300、400根Q 7mm的高强度镀锌钢丝组成，外层采用双层防护，即镀锌钢丝+ 整体索外热挤聚乙烯防护层所以每根钢索的直径往往在50mm以上，总的截面积也往往大于5000mm2由于 趋肤效应，当雷电流击中斜拉索时，雷电流大部分集中在斜拉索表面（外层防护层）流动，而斜拉索最靠外 的一圈高强钢丝的截面积也往往远大于100mm2，其电流承载能力很强，再加上雷电流通常作用时间比较短, 所以一般来说，雷电流除了影响斜拉索外层的防腐层或造成金属表面的熔化外不会造成斜拉索断裂等严重的 事故，故只要将斜拉索上下两端通过锚具、锚垫板等金属构件分别与主塔内部专门用于接地的主钢筋和桥面 敷设的接地系统作可靠的电气连接，这样即便雷电击中斜拉索，以拉索的规格也完全可以将雷电流安全的泄 放。

3.1.3 桥面直击雷防护由于大桥的跨度较大，按二类滚球半径（45m）计算安装在塔顶的避雷针和接闪带的保护范围难以覆盖到 全桥，并且在保护到的部分也不能防御小于该半径所对应的雷电流，如一类对应的雷电流为5.4kA、二类对 应的雷电流为10.1kA、三类对应的雷电流为15.8kA，小于对应的雷电流可能击中被保护物，所以高出桥面的 栏杆和灯柱等都可能会遭到雷击，所以应该将大桥桥面金属栏杆扶手、金属照明灯杆等作为接闪器，这样可 以保证所有桥梁结构均在防雷装置的保护范围中具体做法是将桥面（包括主桥、引桥）上的栏杆、护栏、 灯柱、摄像头金属支架等金属设施就近与桥面内的防雷接地网络进行可靠连接，与主体桥梁形成完整的防直 击雷系统桥面引下线是利用桥墩内钢筋引上，在盖梁顶上改用①216mm的热镀锌圆钢引上与护栏内的防雷钢筋焊 接，并加装补偿器同时在每个桥墩的桥面电缆槽位置处要预留接地端子3.1.4 桥墩桥墩引下线的目的是将桥梁基础处接地装置的接地引出线上引至桥面，上与桥面接地干线连通，下与接 地体焊接，并与桥墩（基础）的钢护筒焊接（图7）根据规范，二类防雷建筑物引下线间距为18m，但由于桥 墩间距大于18m,故在每个桥墩处都利用桥墩外侧的四根纵向非承重结构钢筋作为引下线。

接地端子引出线 二：71__」 需要注意的是被利用的作为接地引下线的结构钢筋中间若有断头，必须采用搭接焊，接地引下线与接地 端子必须搭接焊双面焊缝长度不小于6D （D为焊接物最大直径），因此设计为焊缝长不小于190mm，接地钢 筋垂直相交处加 L 型过渡钢筋跨接另外，在桥墩支撑桥体的部分有相对移动的情况，并非固定，因此这段 引下线要加装补偿器3.1.5 收费站、管理区收费大棚荆岳长江公路大桥收费站距离主桥南端约360m，划分为第三类防雷建筑物收费大棚是钢架结构、金属 屋面，金属板厚度大于0.5mm，因此可利用其金属顶棚及其他金属构件作为接闪器为了快速泄放雷电流， 同时减少每根引下线上的压降，改善周围电磁环境，应尽可能利用收费大棚所有金属支柱或柱内钢筋作为引 下线所有金属构件均与引下线作可靠的电气连通管理区 管理区大楼应沿屋面敷设接闪带，并在易受雷击的屋角装设接闪短针，接闪带及接闪短针采用直径不小 于 8mm 的圆钢引下线应当利用管理区大楼柱内结构钢筋作为引下线，引下线平均间距不应大于25m每根引下线的冲 击接地电阻不宜大于10Qo3.2 大桥接地系统3.2.1 大桥主体部分击中大桥主塔顶部接闪器或主塔上部的雷电流会通过主塔内的引下线及设在桥墩里的接地极向大地泄 放；击中斜拉索或桥面各金属设施（如栏杆、灯柱等）的雷电流会通过桥面的各种防雷装置进入大桥桥面的 防雷接地网络，然后继续向下通过设在桥墩里的接地极向大地泄放。

一般来说，桥梁防雷装置是根据结构特征进行配置，在保证桥体结构安全的前提下，尽可能利用结构主体构件，采用自然接地的方式，以节约工程投资荆岳长江公路大桥基础结构采用的是钻孔桩+承台基础，且基础处于低土壤电阻率地区，因此对其做以下接地设计在每根桩基中选择一根通长垂直主钢筋作为接地极，另将其余的外围桩基主钢筋并焊在一起，同时还要 与钢护筒焊接，整体作为接地极在利用桩基中的通长垂直主钢筋作为接地极时，每节段之间要加搭接钢筋 焊接在打承台混凝土之前，将承台内所有桩基的钢筋、钢护筒用水平连接线^22圆钢）环绕焊接在一起, 共同作为接地极（图 8）墩身!| i I 接地弓 J I下线I承台丄#昇一Un桩内结构钢 筋接地极立面图接地极连接钢筋桩内结构 钢筋接地 极俯视图图8 桩基础接地示意图桥面上的金属设施连成的等电位连接网应在相应的位置与承台内的防雷接地装置做可靠的电气连接，从 而使大桥建立起一个可靠的防雷接地网络，将各个部位的雷电流都能迅速的泄放掉3.2.2 收费站、管理区部分收费站、管理区的接地装置应利用建筑物基础内的钢筋作为接地体，且为了减小接触电压和跨步电压对 人身安全及设备的危害，还必须将位于桥面上的收费站的接地装置、接地网与大桥的接地系统可靠的连接起 来，实现等电位连接。

4 防雷电感应设计大桥除主体工程外，还建有供电系统、照明系统、监控系统和收费系统等配套工程，各系统均装配了大量的精密电子仪器、微机等微电子设备，这些设备遭雷电感应侵害的可能性很大，因此对其采取防雷电感应措施也是桥梁防雷工程必不可少的一部分防雷电感应主要采取的方法有等电位连接、屏蔽、安装SPD。