高層建筑深基礎接地裝置可行性探討

摘 要：高層建筑深基礎作為接地裝置在實踐中有一定的應用，但設計時大部分是建立在實際工程經驗的基礎上，所以在具體的應用上有一定的爭議。以廈門電力調度中心工程接地裝置的選用作為例子，對高層建筑深基礎接地裝置的接地電阻進行等效計算，從而對深基礎作為接地裝置的做法給予計算上的支持。

關鍵詞：高層建筑;深基礎接地裝置;接地電阻;可行性探討

中圖分類號：TU文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）09-0356-02

1 高層建筑接地裝置一般做法與爭議

高層建筑中，常將動力系統的接地與防雷合用一個接地裝置，并采用均壓措施。而對于電力系統的通訊調度樓來說，在電力部行業標準《防雷技術標準及措施》中也有明確規定：“調度通訊綜合樓內的通訊站應與同一樓內的動力裝置、建筑物避雷裝置共用一個接地網”。接地電阻要求小于1Ω。

接地裝置包括自然接地體和人工接地體組成。

廈門電力調度中心是由華東電力設計院設計的。

大樓施工前，施工單位根據以往施工經驗向籌建處提出以大廈樁基作為接地極的想法。為了慎重起見，我們特地跟廈門建筑設計院的電氣專業設計人員請教廈門地區的具體情況。他們認為，由于廈門的獨特的海島地理位置，以建筑物深基礎作為接地極是再合適不過的，而且效果也好。他們還介紹環員當湖一帶的以深基礎作為接地極的建筑物的接地電阻測試一般都在1Ω以下，并建議電力調度中心也采用這種方式。

但是施工交底時與設計院設計人員提出這個問題時，設計人員與我們還是存在了意見上的分歧。設計院的意見還是在以基礎作為接地極只是建立在經驗的基礎上。

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2 高層建筑以深基礎作為接地極可行性探討

2.1 高層建筑樁基基礎結構分析

高層建筑的基礎樁基，在結構上都是等效于將一根根鋼筋混凝土柱子深入地中，直達幾十米深的巖層。樁基上做大廈的承臺，承臺也是用鋼筋混凝土制作的，它把樁基聯成一體。承臺上是大廈的剪力墻及柱子，大廈的地面部分就座落在承臺上。構成如圖1：

圖1 高層建筑樁基基礎結構

2.2 深基礎接地極接地電阻等效計算方法的探討

2.2.1 接地電阻值

接地線的電阻很小，可以略去不計，所以一般認為接地電阻等于流散電阻。以下的討論也是以此為基礎展開的。

2.2.2 單根樁基接地電阻的等效計算

所以我們根據最不利點的原則，將同一樁內多根鋼筋的流散方式等效為單根同徑鋼筋的流散作用，即可等效為圓柱混凝土中的垂直圓鋼接地體。這樣，我們就可以計算出單根樁基的流散電阻RC：RC=ρ/(2πl)*ln(d1/d2)+ ρ1/(2πl)*ln(4l/d1) 

電阻系數如表1：

2.2.3 多根樁基組成的組合接地裝置接地電阻的等效計算

有了單根樁基的等效計算方法，我們就可以將單根樁等效為一根棒型垂直接地體，其流散電阻RC為以上計算所得的值。考慮到各根樁基彼此之間流散電流相互干擾而產生的屏蔽作用，利用下式可計算出這組接地裝置的工頻流散電阻RC總：RC總= RC/(n*η)

n ：組合接地樁基數量；η：接地體利用系數

其中接地體利用系數η選擇如下表2：（a:L為接地體距離與其長度比值）

2.2.4 沖擊接地電阻的計算

以上為工頻接地電阻的計算。沖擊接地電阻是指雷電流流經接地裝置泄入大地時所受到的接地電阻，包括接地線電阻與流散電阻。由于強大的雷電流泄入大地時，在接地體附近形成較大電場，泄入處土壤被擊穿并產生火花，使流散電阻顯著降低。同時土壤電阻系數也隨著電場強度的增加而降低。當然，由于雷電波陡度大，具有高頻特性，同時會使接地線的感抗有所增加，對于比較短的接地體，接地線的阻抗比起流散電阻來，畢竟是較小的，可以忽略。但對于較長的接地體，雷電流的高頻特性引起接地體較大的電抗阻礙了后續電流的流散，考慮這一因素，接地體有效長度應按L=2*ρ計算。（其中ρ為接地體周圍介質電阻系數）

因此，總的說來，沖擊電阻一般小于工頻接地電阻。沖擊接地電阻RCH可用下式計算：

3 該計算方法在實際中的應用 

3.1 實際計算運用情況 

現在，有了以上的近似等效計算方法，我們不妨以一個實際工程作為例子來驗證以下。我們還是以廈門電力調度中心作為例子進行討論。廈門電力調度中心共有樁基356根，每根樁長50米，直徑800mm，樁內鋼筋籠長24米，每個鋼筋籠配筋情況為12∮20主筋，箍筋為∮8＠200，并以點焊形式將鋼筋籠連為一體。現在我們將一根樁基等效為一根直徑為800mm，中含一直徑20mm，長24m鋼筋的圓柱混凝土接地極。我們可計算出單根的流散電阻RC：

根據表2，廈門電力調度中心地下為砂質粘土，地下水含鹽成分，選土壤電阻系數ρ1=30Ω*米，混凝土在濕土中電阻系數ρ=200Ω*米，鋼筋長度L=24米，直徑d2=0.02米，樁基直徑d1=0.8米，得出: 

然后我們再從356根中選取一組相互距離為12米共計16根的樁基組成環行垂直接地體，從表2選取利用系數η=0.4，可算出本接地裝置的接地電阻RC總：

RC總= RC/(n*η)=5.84/(16*0.4)=0.91Ω

3.2 實際測試情況

以上的計算要求在施工中電氣專業與土建專業配合，將有關鋼筋按要求焊接起來。廈門電力調度中心大樓在基礎施工完畢后，并準備進行上部工程的施工時，我們與施工單位對柱內引下線預埋件進行接地電阻測試，結果非常令人滿意，為0.21Ω，即使當作測量時為剛降過雨而乘上一季節調整系數3，也只有0.63Ω，也是一較令人滿意的結果。雖然測試結果比較滿意，但是由于調度中心利用樁基作為接地極的提法在圖紙會審時被設計院否定，所以在樁基施工時，也未進行電氣焊接上的專門配合。所以最終根據設計要求進行了環形接地極的施工。97年4月8日大樓基本全面竣工時，我們又測了一次接地電阻為0.12～0.14Ω。

4 深基礎接地裝置可行性探討的意義

在前面的結構特點中我們已提及利用基礎組成的接地網具有巨大表面積的流散面，有很高的熱穩定性與疏散電流的能力，接地電阻低，而且由于高層建筑基礎很深，有的常在地下水位以下，使得接地電阻終年穩定，不受季節、氣候影響；同時利用大廈的樁基及承臺鋼筋做接地極，使整個建筑物地下如同敷設了均壓網，使地面電位分布均勻；施工方便，可省去大量土方開挖工程量，施工時，只要與土建專業做好配合，把有關鋼筋焊接起來即可，這樣就節省了大量的鋼材；同時由于利用了結構鋼筋，平時這些鋼筋被混凝土保護，不易腐蝕，不受機械損傷，使得維護工程量降至最少限度。