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文檔簡介
公路橋梁防雷接地技術研究1引言公路橋梁作為交通基礎設施的關鍵節(jié)點,其安全運行直接關系到區(qū)域交通暢通與公眾生命財產(chǎn)安全。隨著全球氣候變暖,極端天氣事件(如強雷暴)發(fā)生頻率顯著增加,橋梁遭受雷擊的風險日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計,我國年均雷暴日數(shù)超過40天的地區(qū)占國土面積的60%以上,橋梁因雷擊導致的電氣設備損壞、結構鋼筋腐蝕、甚至人員傷亡事故時有發(fā)生。防雷接地系統(tǒng)是橋梁抵御雷擊的核心防線,其設計與施工質(zhì)量直接決定了雷擊防護效果。然而,當前部分橋梁防雷接地設計存在針對性不足(如未結合橋梁結構形式與地域雷電活動特征)、可靠性不高(如接地體腐蝕、電阻超標)等問題。因此,開展公路橋梁防雷接地技術研究,對于提升橋梁防雷性能、保障交通基礎設施安全具有重要的現(xiàn)實意義。2公路橋梁防雷接地理論基礎2.1雷電形成與危害雷電是大氣中云體之間、云地之間的放電現(xiàn)象,其放電電流可達數(shù)十千安至數(shù)百千安,電壓高達數(shù)百萬伏。橋梁遭受雷擊的危害主要體現(xiàn)在以下方面:直接雷擊:雷電擊中橋梁上部結構(如塔頂、拉索、護欄),強大的電流通過結構傳導至地面,可能導致鋼結構熔化、混凝土爆裂;感應雷擊:雷電放電產(chǎn)生的電磁脈沖(EMP)會在橋梁電氣系統(tǒng)(如監(jiān)控、照明線路)中感應出高電壓,損壞敏感電子設備;反擊效應:接地電阻過大時,雷擊電流通過接地體向土壤放電,會在接地體周圍形成高電位,導致橋梁基礎鋼筋與地面設備之間產(chǎn)生電位差,造成人員觸電或設備損壞。2.2防雷接地基本原理防雷接地系統(tǒng)的核心功能是引導雷擊電流安全入地,其原理可概括為“接閃-引流-散流”三個環(huán)節(jié):接閃:通過接閃器(如橋梁塔頂避雷針、拉索屏蔽線)攔截雷電;引流:通過引下線(如橋梁結構鋼筋、專用鋼絞線)將雷擊電流傳導至接地體;散流:通過接地體(如基礎鋼筋網(wǎng)、人工接地極)將電流分散注入土壤,降低接地體周圍電位梯度。關鍵指標包括:接地電阻:接地體與大地之間的電阻,是衡量散流能力的核心參數(shù),規(guī)范要求橋梁防雷接地電阻≤10Ω(特殊環(huán)境下需≤4Ω);等電位連接:將橋梁結構鋼筋、電氣設備金屬外殼、接地體等導電部件通過導體連接,形成統(tǒng)一電位,防止反擊電壓危害。2.3相關規(guī)范標準公路橋梁防雷接地設計需遵循以下國家與行業(yè)標準:《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB____):規(guī)定了防雷等級劃分、接地電阻要求及裝置設計原則;《公路工程技術標準》(JTGB____):明確了橋梁防雷設計應結合地域雷暴日數(shù)、結構形式等因素;《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTGD____):要求橋梁基礎鋼筋網(wǎng)應作為接地體的一部分,形成共用接地系統(tǒng);《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收標準》(GB____):規(guī)范了接地體施工工藝與質(zhì)量驗收要求。3公路橋梁防雷接地關鍵技術3.1接地系統(tǒng)設計原則3.1.1防雷等級劃分根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB____),橋梁防雷等級應依據(jù)所在地區(qū)雷暴日數(shù)(年平均雷暴日數(shù)Td)與橋梁重要性(如是否為交通樞紐、跨江/跨海大橋)確定:一級防雷:Td≥90天的地區(qū),或特大橋、懸索橋、斜拉橋等重要橋梁;二級防雷:40天≤Td<90天的地區(qū),或大橋、中橋;三級防雷:Td<40天的地區(qū),或小橋。3.1.2接地體設計接地體是防雷接地系統(tǒng)的“散流終端”,其設計需遵循以下原則:共用接地系統(tǒng):優(yōu)先利用橋梁基礎鋼筋網(wǎng)(如樁基礎、承臺鋼筋)作為自然接地體,與人工接地體(如水平接地體、垂直接地體)聯(lián)合使用,形成“基礎鋼筋網(wǎng)+人工接地體”的共用接地系統(tǒng),減少工程成本并提高可靠性;接地體布置:對于連續(xù)梁橋,接地體應沿橋梁縱向布置成閉合環(huán)形,增強散流均勻性;對于斜拉橋/懸索橋,接地體應圍繞塔基形成環(huán)形,并與塔頂接閃器、拉索屏蔽線可靠連接;材料選擇:接地體宜采用熱鍍鋅鋼(如φ16mm鍍鋅圓鋼)或銅材(如φ12mm銅棒),鍍鋅鋼的腐蝕速率約為0.05mm/年,適用于一般土壤環(huán)境;銅材的腐蝕速率約為0.01mm/年,適用于鹽堿地、潮濕環(huán)境等強腐蝕區(qū)域。3.2接地電阻計算方法接地電阻是防雷接地系統(tǒng)的核心指標,其計算需考慮土壤電阻率、接地體形狀、布置方式等因素。常用的計算方法包括:3.2.1垂直接地體電阻計算單根垂直接地體(長度L,直徑d)的接地電阻公式為:\[R_v=\frac{\rho}{2\piL}\ln\left(\frac{4L}z3jilz61osys\right)\]式中,ρ為土壤電阻率(Ω·m);L為接地體長度(m);d為接地體直徑(m)。當采用多根垂直接地體(n根,間距s≥2L)時,總電阻為:\[R_{vn}=\frac{R_v}{n\cdot\eta}\]式中,η為接地體利用率(η<1,n越多η越?。?.2.2水平接地體電阻計算單根水平接地體(長度L,直徑d)的接地電阻公式為:\[R_h=\frac{\rho}{2\piL}\ln\left(\frac{2L}{\sqrt{\pidh}}\right)\]式中,h為接地體埋深(m,通常取0.8~1.0m)。對于環(huán)形水平接地體(周長L,直徑D),其電阻公式為:\[R_{ring}=\frac{\rho}{2\piL}\ln\left(\frac{L}{2\pid}\right)\]3.2.3共用接地系統(tǒng)電阻計算當接地體與橋梁基礎鋼筋網(wǎng)連接時,基礎鋼筋網(wǎng)的接地電阻可按面積等效法計算:\[R_{mesh}=\frac{\rho}{4\sqrt{S}}\]式中,S為基礎鋼筋網(wǎng)面積(m2)??偨拥仉娮铻樽匀唤拥伢w(基礎鋼筋網(wǎng))與人工接地體的并聯(lián)電阻:\[R_{total}=\frac{R_{mesh}\cdotR_{artificial}}{R_{mesh}+R_{artificial}}\]3.3防雷裝置協(xié)同設計防雷接地系統(tǒng)需與接閃器、引下線協(xié)同工作,形成完整的防護體系:接閃器:橋梁塔頂、拉索、護欄等易受雷擊部位應設置接閃器,塔頂接閃器宜采用避雷針(高度≥1.5m)或避雷帶(沿塔頂邊緣布置);拉索應采用屏蔽線(如鍍鋅鋼絞線)纏繞,防止雷電直接擊中拉索;引下線:優(yōu)先利用橋梁結構鋼筋(如柱筋、梁筋)作為引下線,其截面應≥16mm2(鍍鋅鋼)或10mm2(銅材);引下線應與接閃器、接地體采用焊接或螺栓連接,接觸電阻≤0.01Ω;等電位連接:橋梁電氣設備(如監(jiān)控攝像頭、照明燈具)的金屬外殼應通過接地干線與接地體連接,形成等電位;橋梁基礎鋼筋網(wǎng)與人工接地體應采用跨接鋼筋焊接,跨接鋼筋截面≥16mm2。4工程案例分析4.1項目概況某跨江大橋為連續(xù)剛構橋,主跨150m,全長800m,位于我國南方雷暴日數(shù)50天/年的地區(qū)(二級防雷)。橋梁基礎采用鉆孔灌注樁(直徑1.5m,深度40m),土壤電阻率測試結果為100Ω·m(表層土壤)、50Ω·m(地下10m)。4.2防雷接地設計方案接地系統(tǒng):采用“基礎鋼筋網(wǎng)+人工接地體”共用接地系統(tǒng),基礎鋼筋網(wǎng)(每根樁鋼筋≥10根φ25mm鋼筋)作為自然接地體,人工接地體采用環(huán)形水平接地體(φ16mm鍍鋅圓鋼,埋深0.8m,周長200m)加4根垂直接地體(φ50mm鍍鋅鋼管,長度3m,間距6m);接地電阻計算:基礎鋼筋網(wǎng)面積S=π×(1.5/2)2×80=141.3m2,其電阻R_mesh=ρ/(4√S)=100/(4×√141.3)≈1.7Ω;人工接地體電阻R_artificial=R_ring||R_vn,其中R_ring=100/(2π×200)×ln(200/(2π×0.016))≈0.08×ln(1984)≈0.08×7.59≈0.61Ω,R_vn=(100/(2π×3)×ln(4×3/0.05))/(4×0.85)≈(100/18.85×ln(240))/3.4≈(5.3×5.48)/3.4≈29.04/3.4≈8.54Ω,故R_artificial≈0.61×8.54/(0.61+8.54)≈0.57Ω;總接地電阻R_total=1.7×0.57/(1.7+0.57)≈0.43Ω,滿足二級防雷≤10Ω的要求;施工與驗收:接地體與基礎鋼筋網(wǎng)采用φ16mm跨接鋼筋焊接,焊接長度≥6倍鋼筋直徑;人工接地體施工后,采用接地電阻測試儀(型號:FLUKE1625)測試,結果為0.5Ω(符合設計要求)。4.3運行效果該橋自2018年建成通車以來,經(jīng)歷了多次強雷暴天氣,未發(fā)生雷擊導致的設備損壞或結構損傷事故。2021年防雷檢測顯示,接地電阻仍保持在0.6Ω以下,說明防雷接地系統(tǒng)運行可靠。5防雷接地技術優(yōu)化策略5.1土壤電阻率改良技術土壤電阻率是影響接地電阻的關鍵因素,對于高電阻率土壤(如沙漠、巖石地區(qū),ρ>500Ω·m),可采用以下改良措施:換土法:將接地體周圍1~2m范圍內(nèi)的高電阻率土壤替換為低電阻率土壤(如黏土、泥炭土,ρ<100Ω·m);降阻劑法:在接地體周圍填充降阻劑(如膨潤土降阻劑、石墨降阻劑),降阻劑可降低土壤電阻率(通??墒功呀档?0%~70%),并增強接地體與土壤的接觸;深井接地法:在土壤電阻率隨深度增加而降低的地區(qū),采用深井接地體(深度≥20m),利用地下低電阻率土壤降低接地電阻。5.2新型接地材料應用傳統(tǒng)鍍鋅鋼接地體在強腐蝕環(huán)境(如鹽堿地、沿海地區(qū))中易腐蝕,導致接地電阻上升。新型接地材料可有效解決這一問題:石墨接地體:以石墨為主要材料,添加導電纖維與防腐劑,腐蝕速率≤0.005mm/年,適用于強腐蝕環(huán)境;納米碳接地體:采用納米碳材料與金屬粉末復合,導電性能優(yōu)于傳統(tǒng)鍍鋅鋼(電阻率≤1.0×10??Ω·m),且具有良好的抗腐蝕性能;柔性接地體:采用銅編織帶或鋁箔帶,適用于橋梁伸縮縫等變形部位,可避免接地體因結構變形而斷裂。5.3智能監(jiān)測系統(tǒng)構建傳統(tǒng)防雷接地系統(tǒng)采用“定期檢測”模式,難以實時掌握接地電阻變化。智能監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)實時監(jiān)控與預警:傳感器布置:在接地體上安裝接地電阻傳感器(如無線式電阻傳感器)、土壤濕度傳感器(監(jiān)測土壤電阻率變化)、腐蝕傳感器(監(jiān)測接地體腐蝕速率);數(shù)據(jù)傳輸:采用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術,將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至后臺服務器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化(如接地電阻隨時間變化曲線);預警機制:當接地電阻超過閾值(如二級防雷≥10Ω)或腐蝕速率超過限值(如鍍鋅鋼≥0.05mm/年)時,系統(tǒng)自動發(fā)送報警信息,提醒維護人員及時處理。6結論公路橋梁防雷接地技術是保障橋梁安全運行的重要手段,其設計需結合地域雷電活動特征、橋梁結構形式、土壤環(huán)境等因素,采用“共用接地系統(tǒng)”與“多類型接地體組合”方案,確保接地電阻滿足規(guī)范要求。工程案例表明,合理的防雷接地設計可有效抵御雷擊危害,而土壤電阻率改良、新型材料應用、智能監(jiān)測系統(tǒng)等優(yōu)化策略,可進一步提升系統(tǒng)可靠性與維護效率。未來,隨著數(shù)字化與智能化技術的發(fā)展,公路橋梁防雷接地技術將向精準設計(如基于雷暴日數(shù)與地形的數(shù)值模擬)、智能維護(如預測性維護)方向發(fā)展,為橋梁安全運行提供更有力的保障。參考文獻[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑物防雷設計規(guī)范(GB____)[S]
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