裝配式木結(jié)構(gòu)建筑防雷設(shè)計分析

黃 景 峰

(清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司, 北京 100084)

0 引 言

近年來,隨著裝配式木結(jié)構(gòu)或鋼木混合結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展和新型工程木產(chǎn)品的出現(xiàn),裝配式木結(jié)構(gòu)建筑規(guī)模越來越大,因雷電引起火災(zāi)的風(fēng)險也越來越大。

木結(jié)構(gòu)建筑的防雷設(shè)計不同于鋼筋混凝土建筑,其內(nèi)部缺乏雷電流引下的良好導(dǎo)體,故防直擊雷以外部防雷裝置為主,如獨立于木結(jié)構(gòu)的接閃桿、接閃帶、接閃網(wǎng)、專用引下線等。接閃器一般采用φ8 mm以上的熱鍍鋅圓鋼,沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位明敷于木質(zhì)屋面,其固定支架高度≥150 mm,固定支架采用隔熱層與木材之間隔離,隔熱層可以是空間間隔50 mm的空氣或者3 mm厚度的不可燃絕緣墊層;引下線一般采用φ8 mm以上的熱鍍鋅圓鋼,沿墻角部位明敷于木質(zhì)墻壁外側(cè),其與木質(zhì)墻壁間的距離應(yīng)大于0.1 m(IEC 62305-3:2010)[1]。

木結(jié)構(gòu)建筑防雷設(shè)計原則是通過獨立于木結(jié)構(gòu)的防雷及引下裝置,對雷電流進行引下、分流、接地,從而將雷電流及發(fā)熱限制在安全范圍以內(nèi)。

1 防雷分類的確定

1.1 按預(yù)計雷擊次數(shù)計算確定防雷等級

依據(jù)GB 50057—2010《建筑防雷設(shè)計規(guī)范》,建筑物根據(jù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)、預(yù)計雷擊次數(shù),按防雷要求分為三類。其中,預(yù)計雷擊次數(shù)是非常明確的量化指標(biāo),也是設(shè)計人員最常采用的判斷依據(jù)。

不規(guī)則建筑等效面積如圖1所示,粗曲線是將建筑外輪廓向外擴展71.084 m后形成的圖形,與建筑物接收相同雷擊次數(shù)的等效面積Ae應(yīng)為粗曲線所包圍的區(qū)域面積,Ae=0.157 1 km2。年預(yù)計雷擊次數(shù)N=kNgAe=0.970 9次/a。故該建筑屬第二類防雷建筑。

1.2 按風(fēng)險評估確定防雷等級

依據(jù)GB 50057—2010《建筑防雷設(shè)計規(guī)范》及IEC 62305-1:2010[2],選擇防雷裝置的目的在于將需要防直擊雷的建筑物年損壞風(fēng)險R值(建筑物每年可能遭雷擊而損壞的概率)降到小于或等于可接受的最大損壞風(fēng)險RT值。規(guī)范中RT值為10-5,即每年1/10 000的損壞概率。

圖1 不規(guī)則建筑等效面積

確定分損壞概率時,應(yīng)考慮到同時發(fā)生兩類事件,即引發(fā)損壞的事件(如金屬熔化、導(dǎo)體熾熱、側(cè)向跳擊、不容許的接觸電壓或跨步電壓等)和被損壞物體的出現(xiàn)(即人、可燃物、爆炸性混合物等的存在)這兩類事件同時發(fā)生。所以規(guī)范給出公式:

(1)

根據(jù)規(guī)范,保護第三類防雷建筑物的防雷裝置效率η為0.81,公共建筑物的NT為1×10-2。將這兩個數(shù)值代入式(1)得,N≤5×10-2/0.19≈0.05。這表明,當(dāng)公共建筑N>0.05時,RT值達不到(即大于)10-5。該項目N=0.97,應(yīng)升級為第二類防雷建筑物的防雷措施。

綜上,按預(yù)計雷擊次數(shù)及風(fēng)險評估確定的防雷等級相同,故確定該項目為第二類防雷建筑物。

2 防直擊雷措施

2.1 防直擊雷設(shè)計

木結(jié)構(gòu)建筑不具備傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑所擁有的自然引下鋼筋及接地體裝置,做防雷設(shè)計時人工接閃器、引下線及接地極應(yīng)從金屬熔化、導(dǎo)體熾熱、側(cè)向跳擊、不容許的接觸電壓或跨步電壓等方面進行驗證。

利用排水鋁板做接閃器及引下線,在整個屋面組成不大于 10 m× 10 m的網(wǎng)格,引下線間距滿足18 m,并做好標(biāo)識。引下線末端通過鋼柱與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)連接,并在地下構(gòu)成環(huán)狀接地體。

2.2 導(dǎo)體融化校驗

依據(jù)IEC 62305-3:2010,屋頂金屬板遭雷擊時,當(dāng)其厚度小于4 mm,與閃擊通道接觸處有可能熔化而燒穿。GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》中雷電流范圍內(nèi)陽極或陰極表面的電壓降Ua.c按常數(shù)考慮(其取值為30 V),全部能量用于加熱金屬體,計算偏于安全。

(2)

式中:V——被熔化金屬的體積;

Ua.c——陽極或陰極表面的電壓降;

Q——雷電流的電荷;

γ——被熔化金屬的密度;

CW——熱容量;

θS——熔化溫度;

θu——環(huán)境溫度;

CS——熔化潛熱。

將Ua.c=30 V、Q=150 C、γ=2 700 kg/m3(鋁)、CW=908 J/kg·K(鋁)、θS=658 ℃、θu=40 ℃,CS=397×1 000 J/kg(鋁)代入式(2),得V=1 733 mm3。

對于2 mm厚的鋁板,在雷擊情況下可以穿孔。但雷擊只會將上層金屬板熔化穿孔,不會擊到下層金屬板,而且上層金屬板的熔化物受到下層金屬板的阻擋,不會滴落到下層金屬板的下方。要強調(diào)的是,夾層物質(zhì)必須是非易燃物且選用高級別的阻燃類別。

2.3 溫升校驗

GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,構(gòu)件的最高允許表面溫度是:對于需要驗算疲勞的構(gòu)件(如吊車梁等承受重復(fù)荷載的構(gòu)件),不宜超過60 ℃;對于屋架、托架、屋面梁等,不宜超過80 ℃;對于其他構(gòu)件(如柱子、基礎(chǔ)),沒有規(guī)定最高允許溫度值,此類構(gòu)件可按不宜超過100 ℃考慮。

建筑物遭雷擊時,雷電流流經(jīng)的路徑為屋面、屋架(或托架或屋面梁)、柱子、基礎(chǔ),則流經(jīng)需要驗算疲勞構(gòu)件的雷電流已分流到很小數(shù)值。因此,雷電流流過屋面排水鋁構(gòu)件后,其最高溫度按70 ℃考慮。現(xiàn)取最終溫度70 ℃作為計算值。鋁構(gòu)件的起始溫度取40 ℃,因此鋁導(dǎo)體的溫度升高考慮為30 ℃,這是很安全的數(shù)值。

根據(jù)IEC 62305-1:2010及GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》,有

(3)

式中:θ-θ0——導(dǎo)體的溫度升高;

α——電阻溫度系數(shù),取4.0×10-31/K;

W/R——沖擊電流的單位能量,取5.6×106J/K;

ρ0——導(dǎo)體在環(huán)境溫度下的電阻率,取29×10-9Ω·m;

q——導(dǎo)體截面積;

γ——物質(zhì)密度,取2 900 kg/m3;

CW——熱容量,取908 kg·K。

由計算結(jié)果可知,當(dāng)引下線鋁導(dǎo)體的截面積q≥149 mm2時,其遭受第一次正極性雷擊時的溫升可以控制在30 ℃以內(nèi)。

2.4 應(yīng)力校驗

依據(jù)文獻[3],雷電流峰值通過防雷裝置導(dǎo)體時,會在平行導(dǎo)體間或角狀、環(huán)狀導(dǎo)體間產(chǎn)生沖擊性電動力。如引下線形成一段長且狹小的平行環(huán)路時,雷電流所產(chǎn)生的電動力可近似按文獻[3]式(13.7.4)計算:

(4)

式中:F(t)——電動力;

i(t)——雷電流幅值,取150 kA;

μo——真空導(dǎo)磁系數(shù),為4π×10-7;

l——導(dǎo)體平行段長度;

d——導(dǎo)體平行直線段之間的距離。

電動力計算統(tǒng)計如表1所示。

表1 電動力計算結(jié)果

表1是2根平行引下線形成一段長2.2 m、間距0.2～3.2 m的平行環(huán)路時,雷電流所產(chǎn)生的電動力。電動力數(shù)據(jù)在進行幕墻設(shè)計時,應(yīng)提供給材料供貨商。

3 接地設(shè)計

建筑接地設(shè)計通常結(jié)合基礎(chǔ)形式設(shè)計。該項目地下室部分為承臺樁基,部分為筏板基礎(chǔ),基礎(chǔ)彼此之間由拉梁聯(lián)通。引下線末端通過鋼柱與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)連接,并在建筑物基礎(chǔ)防腐層下面的混凝土墊層內(nèi)敷設(shè)40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼人工環(huán)形基礎(chǔ)接地體。

3.1 接地體熱效應(yīng)校驗

根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》,利用基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋網(wǎng)作為接地體時,在周圍地面以下距地面不應(yīng)小于0.5 m。每根引下線所連接的鋼筋表面積總和應(yīng)為

(5)

式中:kc——分流系數(shù)。

根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》附錄E,分流系數(shù)可為0.44。把kc=0.44代入式(5),得出結(jié)論:要求在周圍地面以下距地面不小于0.5 m,每一柱子基礎(chǔ)內(nèi)所連接的鋼筋表面積總和應(yīng)大于等于0.82 m2。

3.2 環(huán)形接地體

3.2.1 環(huán)形人工基礎(chǔ)接地體的原則

環(huán)形人工基礎(chǔ)接地體的原則:建議優(yōu)先選用多根扁鋼;圓鋼直徑不宜大于φ12 mm;混凝土電阻率取100 m;周長≥60 m,按60 m考慮。因此,在建筑物基礎(chǔ)防腐層下面的混凝土墊層內(nèi)敷設(shè)40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼做人工環(huán)形基礎(chǔ)接地體。

3.2.2 引下線處補打接地極

根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》,共用接地裝置的接地電阻應(yīng)按50 Hz電氣裝置的接地電阻確定,不應(yīng)大于按人身安全所確定的接地電阻值。利用槽形、板形或條形基礎(chǔ)的鋼筋作為接地體或在基礎(chǔ)下面混凝土墊層內(nèi)敷設(shè)人工環(huán)形基礎(chǔ)接地體,當(dāng)槽形、板形基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)在水平面的投影面積或成環(huán)的條形基礎(chǔ)鋼筋或人工環(huán)形基礎(chǔ)接地體所包圍的面積符合下列規(guī)定時,可不補加接地體:當(dāng)土壤電阻率小于或等于800 Ω·m時,所包圍的面積應(yīng)大于或等于79 m2;當(dāng)土壤電阻率大于800 Ω·m且小于或等于3 000 Ω·m 時,所包圍的面積應(yīng)大于或等于按下式計算的值:

(6)

按最嚴(yán)重的情況進行計算,將土壤電阻率3 000 Ω·m代入式(6),得到A=7 543 m2。即當(dāng)環(huán)形接地體包圍的面積應(yīng)大于等于7 543 m2時,可不在引下線處補加接地體。

4 防閃電感應(yīng)措施

4.1 等電位聯(lián)結(jié)

被保護建筑物內(nèi)的金屬物接地是防閃電感應(yīng)的主要措施,即總等電位聯(lián)結(jié)。建筑物內(nèi)所有的設(shè)備、管道、構(gòu)架等主要金屬物,全部就近接到防雷裝置或共用接地裝置上。建筑物內(nèi)防閃電感應(yīng)接地干線與接地裝置的連接不應(yīng)少于2處。

依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》,平行敷設(shè)的管道、構(gòu)架和電纜金屬外皮等長金屬物,其凈距小于100 mm時,應(yīng)采用金屬線跨接,跨接點的間距不應(yīng)大于30 m;交叉凈距小于100 mm時,其交叉處也應(yīng)跨接(基于一類防雷建筑的參數(shù))。若計算采用二類防雷建筑的參數(shù),計算結(jié)果如下:

(7)

式中:L——平行管道成環(huán)路的長度,取30 m;

di/dt——流經(jīng)引下線的雷電流的陡度,根據(jù)表F.0.1-3的參量,取150 kA/μs;

M——2根間距300 mm平行管道與引下線之間的互感,取0.019 1 μH/m;

EL——電感電壓的空氣擊穿強度,取3 000 kV/m。

將數(shù)據(jù)代入式(7)得,d=0.029 m。對于第二類防雷建筑物,平行敷設(shè)的管道、構(gòu)架和電纜金屬外皮等長金屬物的凈距小于300 mm,當(dāng)雷電發(fā)生時,所感應(yīng)的電壓僅可能擊穿0.029 m的空氣間隙。若間距減小到100 mm,由于平行管道與引下線之間的互感M值減小,所感應(yīng)的電壓更小。

因此,平行、交叉敷設(shè)的管道、構(gòu)架和電纜金屬外皮等長金屬物的凈距小于100 mm時,采用金屬線跨接,跨接點的間距不應(yīng)大于30 m,可以降低雷電引起金屬管道之間放電的風(fēng)險。

4.2 金屬物或線路與引下線之間的間隔距離

依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》,為防止雷電流流經(jīng)引下線和接地裝置時產(chǎn)生的高電位對附近金屬物或電氣和電子系統(tǒng)線路的反擊,在木結(jié)構(gòu)建筑中金屬物或線路與引下線之間的間隔距離為

Sa3≥0.06kclX

(8)

式(8)是根據(jù) IEC 62305-3:2010第6.3.1條的規(guī)定得出的。根據(jù)IEC 62305-3:2010第6.3.1條表10、表11可知,第二類防雷建筑物,ki取0.06,金屬物或線路與引下線之間與木材料隔開時,其擊穿強度應(yīng)為空氣擊穿強度的1/2。所以,式(8)可改為

Sa3≥0.12kclX

(9)

金屬物或線路與引下線之間與木材料隔開時,lx引下線計算點到連接點的長度(連接點即金屬物或電氣和電子系統(tǒng)線路與防雷裝置之間直接或通過電涌保護器(SPD)相連之點)與間距有要求,計算結(jié)果如表2所示。

表2 計算結(jié)果

4.2.1 沖擊電流Iimp

依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》,電源總配電箱處所裝設(shè)的SPD,其每一保護模式的沖擊電流值來源于式(4.2.4-6),是考慮第一類防雷建筑物的參數(shù):

(10)

式中:I——雷電流,第二類防雷,取150 kA;

n——地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù),取3;

m——電氣線路內(nèi)導(dǎo)體芯線的總根數(shù),取4。

將上述數(shù)據(jù)代入式(9),可得Iimp=6.25 kA。

4.2.2 有效電壓保護水平Up

220/380 V三相配電系統(tǒng)需要保護的線路和設(shè)備的耐沖擊電壓,可按GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》規(guī)定取值。

4.2.3 SPD安裝位置

安裝的SPD越靠近引來線路入戶處(安裝在總配電箱處),建筑物內(nèi)將被這處SPD保護到的設(shè)備越多(經(jīng)濟利益最大化);SPD越靠近需要保護的設(shè)備,其保護越有效(技術(shù)利益最大化)。設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)以上原則進行技術(shù)經(jīng)濟比較。

IEC 62305-4:2010[4]附錄C有以下的規(guī)定:“在以下條件下建筑物內(nèi)系統(tǒng)得到保護:

(1) 它們在能量上與上游的SPD配合好。

(2) 滿足下列條件之一:

1) 當(dāng) SPD 與要保護的設(shè)備之間的電路長度是很小時(典型的情況是SPD安裝在設(shè)備的接線端處):Up/f≤Uw;

2) 當(dāng)電路長度不大于10 m時(典型的情況是SPD安裝在分配電箱處或安裝在插座處):Up/f≤0.8Uw(注:在建筑物內(nèi)系統(tǒng)發(fā)生故障會危及人員或公共服務(wù)設(shè)施之處,應(yīng)考慮由于振蕩而將電壓加倍,要求Up/f≤Uw/2);

3) 當(dāng)電路長度大于10 m時(典型的情況是SPD安裝在線路進入建筑物處或在某些情況安裝在分配電箱處):Up≤(Uw-Ui)/2。當(dāng)建筑物(或房間)有空間屏蔽、有線路屏蔽(采用有屏蔽的線路或金屬線槽)時,在大多數(shù)情況下感應(yīng)電壓Ui很小,可略去不計。”

lEC 61643-12:2008[5]“6.1.2 振蕩現(xiàn)象對保護距離(某些國家叫分開距離)的影響:當(dāng)用SPD保護特定設(shè)備或當(dāng)位于總配電箱處的SPD不能對一些設(shè)備提供足夠保護時,SPD應(yīng)安裝在盡可能靠近需要保護的設(shè)備處。如果SPD與被保護設(shè)備之間的距離過大時,振蕩通常能導(dǎo)致設(shè)備端子上的電壓升高到2倍Up,在某些情況下甚至可能還超過這一電壓水平。雖然安裝了SPD,這一電壓可能損壞被保護的設(shè)備。可接受的距離(稱為保護距離)取決于SPD的形式、系統(tǒng)的形式、所進來電涌的陡度和波形以及所連接的負(fù)荷。特別僅在以下情況下才可能將電壓加倍:設(shè)備是一高阻抗負(fù)荷或設(shè)備在內(nèi)部被斷開。通常,對小于10 m的距離可不管振蕩現(xiàn)象。”

客觀上,木結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)部與鋼筋混凝土建筑最大的區(qū)別在于無法提供一個有空間屏蔽的建筑物(或房間),所以木結(jié)構(gòu)建筑中電纜應(yīng)使用金屬管或金屬線槽敷設(shè),并盡量減小電路長度、帶電體與 PE 線之間的距離。

考慮市場上SPD產(chǎn)品的參數(shù),建議采用以下措施:在配電室低壓進線母線上裝一級SPD(In≥12.5 kA,10/350 μs;Up≤2.5 kV);各層配電箱內(nèi)裝二級SPD(In≥40 kA,8/20 μs;Up≤2.0 kV;末端有需要的配電箱內(nèi)裝三級SPD(Up≤1.5 kV);電子設(shè)備處裝D1類高能量試驗類型SPD。屋頂處安裝照明配電箱內(nèi)裝一級SPD保護。

4.3 網(wǎng)殼照明設(shè)備的防閃電電涌措施

該工程中網(wǎng)殼部位的電氣設(shè)備主要為照明燈具及其配電設(shè)備,這些設(shè)備采用的防止閃電電涌侵入的具體措施如下。

(1) 從配電箱引出的配電線路穿鋼管保護,可采用SC鍍鋅鋼管或KBG薄壁鋼管。鋼管一端與配電箱和 PE 線相連;另一端與用電設(shè)備外殼、保護罩相連,并應(yīng)就近與屋頂防雷裝置相連。當(dāng)鋼管因連接設(shè)備而中間斷開時設(shè)跨接線。

(2) 在配電箱內(nèi)應(yīng)在開關(guān)的電源側(cè)裝設(shè)I級試驗的SPD,其電壓保護水平不應(yīng)大于2.5 kV;當(dāng)燈具為LED光源時,其電壓保護水平不應(yīng)大于 1.5 kV。

(3) SPD與最遠一只燈具的電氣距離不大于10 m。

5 限制接觸電壓及跨步電壓

參照IEC 62305-3:2010,雷擊條件下接觸電壓和跨步電壓的安全性不能用AC 50 Hz的計算式來判斷,因其機理是不同的。IEC/TS 60479-1:2005[6]和IEC/TR 60479-4:2020[7]對此有充分闡述。

IEC對防接觸電壓和跨步電壓措施的建議:將人可接觸到的防雷引下線部分絕緣,采用阻擋物,提高人體接觸電阻,敷設(shè)等電位均衡線或采用盡量多的防雷引下線,減少入地電流,從而把接觸電壓和跨步電壓降低到允許值以下。

木結(jié)構(gòu)建筑中建議每一根防雷引下線入地處3 m范圍內(nèi),地面以下300 mm,敷設(shè)網(wǎng)格為150 mm×150 mm、φ3 mm的鐵絲網(wǎng)做等電位均衡線。同時,等電位均衡線以下敷設(shè)5 cm厚瀝青層或15 cm厚礫石層。

6 結(jié) 語

本文結(jié)合實際木結(jié)構(gòu)建筑項目,從防雷分類、防直擊雷措施、接地措施和防閃電感應(yīng)措施等方面介紹了木結(jié)構(gòu)建筑防雷設(shè)計,提出電氣設(shè)備和金屬管道與木質(zhì)構(gòu)件的安全距離、防火隔離措施等要求,可為類似木結(jié)構(gòu)建筑提供參考。