鋼結構廠房防雷接地設計分析

李天宇, 李光達

(深圳中廣核工程設計有限公司, 廣東 深圳 518172)

0 引 言

鋼結構廠房具有建設周期短、工程造價低、外觀形式簡潔、空間利用率高等顯著特點,在工業廠房、商業樓宇等領域獲得廣泛應用。由于鋼結構廠房的固有結構特點,其防雷接地系統的設計及施工均有別于傳統的鋼筋混凝土建筑。本文對鋼結構廠房的防雷接地系統進行分析。

1 通用做法

1.1 防雷接地系統

根據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》[1](以下簡稱《雷規》),防雷接地裝置可分為外部防雷裝置、內部防雷裝置、接地系統。其中外部防雷裝置包括接閃器、引下線、接地裝置,內部防雷裝置包括等電位連接、屏蔽隔離裝置等。防雷接地系統的組成分類如圖1所示。

《雷規》要求,第一類防雷建筑物的防雷措施應裝設獨立接閃桿或架空接閃線或網,并對排放爆炸危險氣體的放散管、呼吸閥及其他突出建筑物的部分做詳細接閃保護考慮。同時,《雷規》第4.3.5和第4.4.5條對第二類和第三類防雷建筑物在利用建筑物鋼筋的情況做了明確要求,而對第一類防雷建筑物無此要求,說明第二類和第三類防雷建筑物可在條件允許情況下,優先利用建筑物內有利條件作為防雷接地裝置。

1.2 接閃器

接閃器的設置取決于建筑物的防雷分類。傳統意義的接閃器包含接閃桿、接閃帶等。按照鋼結構廠房屋面多為彩鋼壓型板或彩鋼夾芯板的特點,根據《雷規》第5.2.7條,除第一類防雷建筑物外,金屬屋面的建筑物宜利用其金屬屋面作為接閃器,并銅鋅合金焊、熔焊、卷邊壓接、縫接、螺釘或螺栓連接方式,確保板間是持久的電氣貫通。金屬板應無絕緣被覆層,金屬屋面材質如表1所示。

表1 金屬屋面材質

此外,《雷規》中強調薄的油漆保護層或1 mm厚的瀝青層或0.5 mm厚聚氯乙烯層均不應屬于絕緣被覆層。項目設計過程中,結構設計人員往往結合項目所在地的風荷載、雨/雪荷載、保溫隔熱等方面選取金屬屋面材質,電氣設計人員應提前與結構設計人員核實確認,通常情況下,金屬板下無易燃物時,厚度大于0.5 mm的壓型鋼板或夾心鋼板作為接閃器,從經濟性、美觀性等方面考慮都不失為一個優選方案。

1.3 引下線

鋼結構廠房中,其主要構件均為焊接型鋼或熱軋型鋼,次要構件為C型鋼或Z型鋼,相互采用螺栓或焊接,其整體框架構成了金屬屋面、結構鋼柱以及鋼柱地腳螺栓的電氣貫通,因此可優先采用建筑物四周的結構鋼柱作為引下線,同時滿足第二類建筑物不大于18 m或第三類建筑物不大于25 m的引下線間距。當建筑物的跨度較大,無法在跨距中間設置引下線時,應在跨距兩端設置引下線并減小其他引下線的間距。

值得注意的是,從引下線設置間距的角度,《雷規》向IEC 62305靠攏,IEC 62305規定第一、二、三類防雷建筑物引下線間距分別為10 m、15 m、25 m,而《雷規》結合國內大多數鋼結構工業廠房的柱距為6 m的事實,將引下線間距適應性調整為12 m、18 m、25 m。此外,從法拉第籠原理出發,引下線密度越大,鋼結構廠房的屏蔽效果越好,雷電流放泄效果越好,分流系數一定程度上會減小,造成的地電位反擊的可能性越小,因此在實際項目設計工程中,應在條件允許的情況下盡可能采用所有鋼柱作為引下線,同時確保金屬屋面、鋼柱以及鋼柱地腳螺栓之間的可靠電氣貫通。

1.4 接地裝置

接地裝置為雷電流泄放至大地提供有效通路。鋼結構廠房基礎多采用樁基、條基、獨立基礎等形式。優先利用基礎內水平鋼筋和樁基內垂直鋼筋作為接地裝置,輔以合適尺寸的人工水平或垂直接地體,在滿足接地要求的基礎上可有效降低工程造價。

通常水平人工接地體采用不小于40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼,《雷規》第5.4.4條要求埋設深度不應小于0.5 m,并宜敷設在凍土層以下,而14D504《接地裝置安裝》[2]第2.5.6條要求埋設深度不宜小于0.8 m。至于垂直接地體,通常采用長度為2.5 m的圓鋼或角鋼。但對于鋼結構廠房來說,其樁基礎深度遠超2.5 m,因此優先采用鋼結構基礎作為接地體。

2 存在的問題

2.1 標準的解讀

2.1.1 專設引下線的要求

《雷規》第4.3.3和第4.4.3條均強調專設引下線不少于2根,但優先利用建筑物內鋼筋作為引下線也是標準中的推薦做法,因此針對已利用建筑物內鋼筋作為引下線后,是否仍需設置不少于2根專設引下線令人疑惑,尤其作為強制性條文給實際設計造成很大困擾。經多方查閱資料后明確,第4.3.3條(4.4.3條)中,第二類(第三類)防雷建筑物當為鋼筋混凝土結構時,應采用建筑物四周和內庭院四周結構柱內不少于2根主筋作引下線,其間距沿周長計算不應大于18 m(25 m)。當建筑物的跨度較大,無法在跨距中間設引下線時,應在跨距兩端設引下線并減小其他引下線的間距,并使引下線的平均間距不應大于18 m(25 m)[3]。

2.1.2 接地體的埋深

針對上文提到的水平接地體的埋深,根據IEEE 142:1991[4]中的相應公式做簡要的計算對比。以土壤電阻率ρ=100 Ω·m,水平接地體總長度L=100 m,接地體半徑10 cm為例,進行計算。接地電阻計算公式:

(1)

L字型接地電阻計算公式:

(2)

Y字型接地電阻計算公式:

(3)

接地電阻隨水平接地體埋深計算結果如表2所示。

表2 接地電阻隨水平接地體埋深計算結果

接地電阻隨水平接地體埋深變化曲線如圖2所示。

圖2 接地電阻隨水平接地體埋深變化曲線

根據上述計算結果可見,隨著水平接地體埋設深度增加,接地電阻有所下降,但其下降數值與埋設增加的深度卻不是正比關系,工程中采用增加埋設深度來降低接地電阻顯然是不科學的。因此,為滿足不同標準規范要求,通常水平接地體埋設深度為1 m。

2.2 接地體連接

目前,很多的設計文件對于采用建筑物基礎作為接地體的做法僅是一筆帶過,深究起來并不清楚現場如何執行,如現場施工人員經驗不足,則存在導致接地裝置失效的風險。

鋼結構廠房中,如鋼柱型有垂直和水平鋼筋網的基礎、杯口型有垂直和水平鋼筋網的基礎等,其基礎內鋼筋與鋼柱地腳螺栓并無連接。按照通用做法中的連接,接地體僅包含承臺內鋼筋和敷設的水平接地體(如有),并沒有利用樁基內鋼筋,此時需明確具體做法或直接指向相關圖集,應采用直徑≥10 mm的鍍鋅圓鋼將基礎內鋼筋與鋼柱地腳螺栓焊接,再將每一樁基的一根主筋同承臺內鋼筋焊接,形成引下線與接地體的電氣貫通。鋼柱型鋼筋網的基礎如圖3所示。

圖3 鋼柱型鋼筋網的基礎

承臺和樁基的鋼筋連接如圖4所示。

圖4 承臺和樁基的鋼筋連接

3 設計及施工建議

3.1 防側擊雷

為滿足工業生產需求,鋼結構廠房通常均為單層、大跨度廠房,其高度一般不會超過25 m,但不排除有特殊功能的工商業鋼結構廠房,當高度超過45 m時,應考慮采取避免雷電側擊的措施,同時針對高層建筑物內的電子信息系統應采取防雷分級,以便指導配電系統的防雷設計。

3.2 實時測量接地電阻

在鋼結構廠房基礎施工階段,在具備條件的情況下可及時測量已完工部分的基礎鋼筋電氣連續性和接地電阻值,從而確保施工過程的有效性,為接地系統驗收奠定堅實基礎,進而確保工程質量。

3.3 標準規范對比考證

由于多種可能原因,針對同一技術問題的不同標準規范給出的要求可能存在一定差別甚至矛盾,因此在設計過程中應該對相關標準進行對比和多方考證。此外,設計人員可將標準規范與施工圖集結合研究、參照比對,便于加深理解,以便得出理想的設計方案。

4 結 語

本文依托標準規范及工程經驗,闡述了第二、三類鋼結構廠房防雷接地系統的設計要點,優先利用鋼結構廠房固有特點,合理利用金屬屋面、鋼結構柱、基礎接地體形成的可靠電氣通路作為雷電流放泄通道,經濟高效,操作便捷,同時給出了工程設計的建設性建議,一定程度上可幫助工程設計人員掃除盲區,提高工作效率。