門式輕鋼結構建筑物防雷設計淺談

鮑明慧

伴隨國家經濟發展的主旋律,門式輕鋼結構(以下簡稱輕鋼結構)建筑在中國建筑領域得到迅猛發展。輕鋼結構與傳統混凝土建筑物相比具有建筑造型美觀大方,色彩多樣,耐大氣腐蝕,隔熱隔聲阻燃,空間利用率高,建設周期短,工程造價低的優勢,廣泛應用于各類工業廠房、超市、倉庫、展覽館、體育館、飛機庫、機場、別墅等領域。由于輕鋼結構獨特的建筑體系,使得此類建筑和普通磚混結構、框架結構建筑物的防雷工程設計和施工有較大的差異。以下通過工程咨詢、施工階段監理和現場檢查驗收的實際經驗,對輕鋼結構建筑物防雷設計和施工的相關問題談談自己的心得。

1 輕鋼結構建筑物的建筑體系

門式輕鋼結構在我國的應用大約始于20世紀80年代初期,其建筑表現以門式剛架為基礎進行衍化,主要材料是鋼結構框架輔以彩色金屬屋面板。目前國內設計的鋼結構框架普遍采用輕型焊接H形鋼(等截面或變截面)、熱軋 H形鋼(等截面)或冷彎薄壁型鋼等構成實腹式門式剛架或格構式門式剛架作為主要承重骨架,該屋架采用預制構件,不允許現場鉆孔、焊接;鋼結構的次構件為檁條,普遍采用高強度、經防腐處理的冷彎薄壁C形或Z形鋼,檁條和主鋼架采用螺栓連接。

輕鋼結構建筑物的圍護系統(墻體、屋頂)普遍使用金屬屋面板,大多采用自攻螺栓將金屬屋面板和檁條(包括屋面檁條或沿墻檁條)連接。金屬屋面板以彩色涂層鋼板或鍍鋅鋼板為基材,經輥壓冷彎成型;其按保溫芯材的不同可分為硬質聚氨酯夾芯板、聚苯乙烯夾芯板、巖棉夾芯金屬屋面板三種。金屬屋面板連接方式一般為咬合連接或者搭接連接,在金屬屋面板下適當設置金屬支撐。所以,從本質上講,輕鋼結構外維護墻以上的金屬屋面板、鋼屋架及檁條、隅撐、細桿等金屬構件已進行了電氣連接。

對于輕鋼結構外維護墻以下的結構,可分為基礎部分和外維護墻體。基礎部分一般采用鋼筋混凝土獨立基礎或鋼筋混凝土條形基礎,前者在地質情況較好的場地使用,后者則應用于地質情況較差的場地。施工時在基礎部位預埋地腳螺栓,加墊片后和鋼柱相連。

一般而言,輕鋼結構外維護墻體的做法是先砌1 200 mm高、24 mm厚(嚴寒地區厚度為0.37 mm)的磚墻或者加氣混凝土砌塊,其上才是金屬屋面板。

2 輕鋼結構建筑物的防雷及接地

2.1 接閃器

首先我們分析一下防雷系統設計的六大要素：

1)建筑物外部、內部防雷裝置的接閃功能;

2)引下線的分流效果;

3)建筑物內各部位的均衡電位;

4)內部各種設備的屏蔽保護作用;

5)接地效果;

6)內部各種線路的合理分布。

綜合來說就是外部防雷系統與內部防雷系統兩大部分。金屬屋面的防雷屬于外部防雷系統,即接閃器——避雷針、避雷帶或避雷網,由于金屬屋面容易引起雷擊,所以在設計金屬屋面建筑物時,應根據防雷設計的六大要素考慮如何在屋面上的防雷。

傳統建筑物的避雷方式是采用富蘭克林常規避雷導體或避雷針結合避雷網,由于金屬屋面板的金屬板較薄,無法安裝高大沉重的傳統避雷針。以下根據文獻[3]中第4.1.4條給出的金屬屋面作為建筑物(第一類防雷建筑物除外)防雷接閃器的四個要求,對金屬屋面板能否作為接閃器的情況進行論證。

表1 常用的四種保溫芯材的物理特性

規范針對金屬板下面有無易燃品的不同情況,對金屬板的厚度做了不同的要求,明確規定“金屬板下面無易燃品時,其厚度不應小于0.5 mm”。常用的四種保溫芯材的物理特性見表1。

由于平常空氣中大約含21%的氧氣,如果一個材料的氧指數略高于21,那么就可以認為這種材料具有阻燃性。根據表1中數據得知：目前常用的四種金屬屋面板的保溫芯材的氧指數均遠遠大于21,故可以認為金屬屋面板下面無易燃品。根據文獻[3]中第4.1.4條的規定,當利用金屬板作接閃器時,其厚度不應小于0.5 mm即可。所以只要使用厚度不小于0.5 mm的金屬屋面板即能滿足規范4.1.4條中四個要求的第三條。若其厚度不滿足小于0.5 mm,則應參考國家標準圖集01J925-1壓型鋼板、夾芯板屋面及墻體建筑構造做避雷帶,其中壓型鋼板屋面避雷帶的細部做法見該圖集 48頁,夾芯板屋面避雷帶的細部做法見該圖集66頁。國家標準圖集99D501-2建筑物防雷設施安裝和03D501-3利用建筑物金屬體做防雷及接地裝置安裝沒有輕鋼結構屋面避雷帶的細部做法。同時,避雷帶網格大小應該按規范的要求與各類建筑物的防雷類別嚴格對應,設計圖紙應當按規范劃分的標準對其做出明確標注。

輕鋼結構建筑物的外圍護系統連接方式一般為咬合或者搭接。無論是壓型鋼板還是夾芯板形式的金屬屋面板,其外觀都是瓦楞形的。在施工中,采用搭接時的搭接長度至少要達到一個波峰或波谷,完全能夠超過100 mm,所以能夠滿足規范4.1.4條中第一個要求,即金屬板采用搭接時,其搭接長度不應小于100 mm。另外,規范注釋中認為“薄的油漆保護層”均不屬于絕緣被覆層。因此,可以認為彩色涂層鋼板無絕緣被覆層,而鍍鋅鋼板的導電性能更好。所以文獻[3]中第4.1.4條的第四個要求,即金屬屋面板無絕緣被覆層也是滿足的。

綜上所述,可以認為厚度達到0.5 mm,且其下無易燃品時輕鋼結構建筑物的金屬屋面板可以作為接閃器。當金屬屋面板厚度不滿足要求時,則應該參考國家標準圖集01J925-1壓型鋼板、夾芯板屋面及墻體建筑構造做避雷帶。

2.2 引下線

從前面輕鋼結構建筑物的建筑體系可以看出,主鋼架、次構件、圍護系統在施工中已通過螺栓、自攻螺釘做了可靠的連接,形成了持久的電氣通路。因此,只要設置了可靠的接地裝置,就可以按跨度將鋼柱作為引下線。這一點在文獻[3]中第4.2.3條已作了規定。當然,規范中對各類防雷建筑物的引下線間距做了要求,在土建施工時,只要所有的鋼柱和接閃器做了可靠連接,鋼柱和金屬屋面板、金屬墻板都可以認為是引下線,實際可靠連接形成電氣通路的效果超過了規范的標準。

另外,針對文獻[3]中第4.2.5條的規定,即在易受機械損壞和人身接觸的地方,地面上1.7 m至地面下0.3 mm的一段作為引下線的鋼柱應有保護措施。1)從輕鋼結構的建筑體系看,距地有1.2 m高的磚墻或者加氣混凝土砌塊,對人身接觸有一定的防護。2)鋼柱本身要進行防腐、防火處理,含絕緣被覆層,起到一定的防護作用。即從輕鋼結構建筑物的建筑體系看,對地上1.7 m至地面下0.3 mm的一段作為引下線的鋼柱可以認為已采取電氣連接保護措施。

2.3 接地裝置

在常見的輕鋼結構設計圖紙中,一般將基礎鋼筋作為自然接地體,用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼將其連通,并進行總等電位聯結。這樣進行處理,接地電阻很小,一般均能達到設計要求。在設計中建議在室外維護磚墻地上500 mm位置預留接地連接板,做法可以參考國家標準圖集03D501-4接地裝置安裝。這樣,當接地電阻值達不到設計要求時,施工單位可以方便地連接人工接地體和測試接地電阻值,這一點應當在設計圖紙中有所體現。

另外,利用建筑物混凝土獨立基礎鋼筋進行電氣連接雖在設計圖紙中標明,但預埋的接地螺栓本身和混凝土獨立基礎之間是沒有電氣連接的,加墊片后才能和鋼柱相連。所以,土建施工時可用不小于φ 8 mm的圓鋼或截面不小于48 mm2的扁鋼將基礎鋼筋和接地螺栓可靠焊接,具體做法見國家標準圖集03D501-3利用建筑物金屬體做防雷及接地裝置安裝的17頁。這樣,從接閃器到引下線,再到接地裝置,雷電流才具備完整的泄放通道。同時還應該利用短鋼筋將基礎鋼筋可靠焊接,并引出至基礎外,供聯結接地環網,此法有利于降低自然接地體的接地電阻值和實施有效的等電位聯結。這一點對于設置混凝土獨立基礎的輕鋼結構建筑尤其重要,所以有必要在設計圖紙中做出說明。

如果忽視了輕鋼結構建筑物接地裝置的特殊性,即基礎鋼筋和接地螺栓本身并沒有電氣連接這一事實,造成的后果則是整個建筑物沒有可靠的接地網。采取的補救措施是用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼作等電位環網,鍍鋅扁鋼過鋼柱時應和柱底腳板下側可靠焊接,這樣鍍鋅扁鋼可以同時作為接地極和接地線。

除等電位接地環網沿建筑物外圍敷設一周外,在建筑物內還應該按跨度設置均壓網格,不但降低跨步電壓,保護人身安全,而且有利于工業廠房生產設備就地實施等電位聯結,縮短等電位聯結線的長度。

3 結語

以上是對輕鋼結構建筑物防直擊雷的電氣設計方案和施工中執行的標準圖集的認識,結論是：厚度達到0.5 mm的輕鋼結構建筑物的金屬屋面板且其下無易燃品時可以作為接閃器,利用鋼柱作引下線,利用混凝土獨立基礎鋼筋作自然接地體,并通過

40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼連接成可靠的總等電位接地環網,是安全有效的防雷接地措施。

[1] JG 144-2002,門式剛架輕型房屋鋼構件[S].

[2] CECS 102∶2002,門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].

[3] GB 50057-94,建筑物防雷設計規范[S].

[4] GB 50205-2001,鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

[5] JGJ 16-2008,民用建筑電氣設計規范[S].