鐵路斜拉橋梁防雷接地設計分析

孫汝楊

（中國鐵路設計集團有限公司，天津300300）

1 引言

隨著經濟快速發展，基建進入一個快速發展時期，鐵路建設不斷增加。由于鐵路速度快，橋隧占比大，出現了不少斜拉橋、懸索橋等形式的特大橋梁。由于大多鐵路橋梁位于空曠地域，周圍無高聳建筑，雷擊概率、強度大于其他地域。雷暴云所產生的熱力、機械力會對橋體結構以及內部電子照明系統造成較大破壞。因此，鐵路特大橋梁防雷接地系統成為橋梁設計中不可或缺的重要一環。

本文選取某個鐵路工程中斜拉索橋梁作為研究對象，結合鐵路綜合接地系統等特點，對其防雷接地系統進行綜合設計。

2 大橋環境及其雷電風險評估

此斜拉橋主體部分長580m，橋面寬度約20.5m，通過混合梁斜拉橋方式跨過黃河，采用約100m 高的H 型索塔。

根據年平均雷暴日數統計表，當地年均雷電日數Td為16.6d/a，此斜拉橋年預計雷擊次數計算【1】如下：

式中，N為建筑物年預計雷擊次數，次/a；K為校正系數，取值2；Ng為所處地區雷擊大地的年平均密度，次/（km2·a），Ng=0.1Td；Ae為截收相同雷擊次數的等效面積，km2，Ae=0.166 9km2。

經計算可知N=0.554 08 次/a，根據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》【2】規定，該橋為第二類防雷建筑物，按第二類防雷設計標準進行設計。

3 大橋防雷接地設計要素

與建筑物防雷設計相似，橋梁防雷設計包括外部防雷、內部防雷。具體分為接閃器部分、引下線部分、感應雷防護及接地系統等。

外部防雷：主要考慮對橋梁及橋面的直擊雷和側擊雷的防護。高聳主塔在空曠區域是雷暴云尖端放電的主要途徑，雷電會直接擊中其頂部或側面。內部防雷：對內部電子照明系統進行感應雷防護，雷電在橋內會產生感應過電壓，會對內部電子設施產生電流沖擊，從而破壞內部設施【3】。

與建筑物防雷設計不同之處在于建筑物大多數以其外沿為防護界面，而鐵路橋梁不僅考慮斜拉索、主塔等的防雷設計，還需考慮電子照明設施、綜合接地系統等。

運用綜合防雷設計，可很大程度上降低雷擊對斜拉索橋本身的破壞，降低雷電對橋面設施的威脅，降低感應雷對電子照明設施的損壞。

4 防雷系統設計

4.1 直擊雷防護

4.1.1 索塔雷電防護

主塔采用鋼筋混凝土H 型式，在頂部四周、橫梁外沿處明敷避雷帶，采用不小于50mm2的不銹鋼作為接閃器。避雷帶高度150mm，1m 設置1 個支持卡子，距外沿10mm。由于設有檢修通道和航空障礙燈，所以，在每個索塔頂部設置3m 高免維護型避雷針，其基礎聯結2 處以上不小于φ16mm 的主筋。

利用橋梁結構主筋作為引下線，其上端與明敷避雷帶及避雷針可靠聯結，下端與承臺和樁基內主筋可靠聯結。每個墩柱四角分別設引下線，其間距小于18m，作為引下線的鋼筋直徑應不少于16mm。如圖1 所示。

圖1 H型索塔防雷接地系統示意圖

4.1.2 斜拉索雷電防護

索塔及避雷針只能保護局部范圍，其保護范圍外部分需采取其他方式進行防護。

斜拉索橋面荷載從梁體傳遞到斜拉索，再傳至索塔，斜拉索體在整體結構力學中起到關鍵作用，斜拉索應選用高密度聚乙烯護套進行保護。對于斜拉索的防護可采用對斜拉索加裝接閃帶的方式，也可利用斜拉索內鋼絲對雷電所產生的沖擊電流進行泄流。

根據文獻【3】所述，對不同材質的斜拉索進行了雷電沖擊模擬實驗，短時雷電能量對纜索的使用壽命影響不顯著，長時雷擊能量是影響其使用壽命的主要因素。由于大跨度斜拉橋的索塔較高，斜拉索會長達150m 以上，接閃器自身重量對斜拉索在風阻及受力上會產生較大影響，大風條件下斜拉索會產生較大幅度的擺動，對橋面上設施會有一定影響。

通過對本橋斜拉索進行加強，并對其護套采取阻燃措施，利用其內部若干根鋼絲對雷電沖擊進行釋放。在斜拉索與索塔和主梁錨固金具處，就近設置接地鋼板以聯結，保證斜拉索內鋼絲能與主梁和索塔進行可靠電氣聯結。

4.2 側擊雷防護

當斜拉橋索塔及索纜高度超過橋梁閃電側擊雷高度時，應采取側擊雷防護措施。本斜拉橋閃電側擊高度為28.28m。因此，塔身每隔10m 利用結構鋼筋連接成均壓環，并與內部所有引下線及金屬構件做可靠電氣連通。

4.3 電子設施防護

橋內檢修通道設有照明系統，索橋設有航空障礙燈、助航標志燈等設施，在為其供電的箱式變電站低壓母線側上并聯1套避雷器，在供電總配電箱處設置二級浪涌保護器防護。

供電系統采取TN-C-S 系統，通過多層防護措施，使電子設施受到雷電感應侵害的可能性大大降低。

5 接地系統設計

接地系統電阻應不大于10Ω，利用橋墩臺基礎內不少于2根且直徑不少于16mm 的主鋼筋作為接地裝置，其豎向鋼筋應每隔6m 用箍筋焊接1 次，并與樁基承臺底部鋼筋網可靠連接。應保證索塔頂接閃器至樁基礎利用混凝土內鋼筋進行完整的電氣可靠連接，形成多條完整的雷電電流釋放通路。

建議橋梁接地系統不與鐵路綜合接地系統中的貫通地線直接相聯結，避免雷電電流在釋放過程中形成進入貫通地線的直接路徑。

5.1 橋墩部分

橋墩基礎內鋼筋采用環氧樹脂等措施進行防護，混凝土包覆在絕緣防水層內，沿橋墩周邊增設厚度不小于5mm 的人工接地銅板，其與接地引下線間用截面積不小于100mm2銅質連接帶連接，每個銅板連接點不少于4 處，詳見圖1。

樁基礎底部設置鍍鋅鋼板接地板，在外表面涂抹防腐措施。每座樁基礎內應有2 根以上直徑不少于16mm 的主筋與樁基承臺底部鋼筋網可靠連接。

5.2 等電位連接部分

在檢修平臺處預埋鍍鋅鋼板，設置接地端子或接地測試點，并與引下線進行可靠連接。

橋梁金屬構件物之間應進行等電位連接，橋面縱向兩側設置截面積不小于100mm2且厚度不小于4mm 的熱鍍鋅扁鋼作為橋面等電位連接帶，并與橋墩引下線進行連接。橋面上伸縮縫兩側的等電位連接帶應做U 型自由變形處理，橋面等電位連接帶應在橋墩位置處和橋梁縱向每隔30m 與主梁、鋼筋混凝土、鋼箱梁做電氣可靠連接。

6 結語

綜上所述，高速鐵路中特大型橋梁越來越多，大跨度斜拉橋橋梁的防雷接地設計應引起足夠的重視。利用橋梁自身的結構鋼筋，配合一系列的防雷接地措施，形成橋梁整體的防雷接地系統。對于保護橋梁整體使用壽命以及橋面上各種附屬設備，均起到了一定的保護效果。