摘要：現(xiàn)如今，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的突飛猛進(jìn)，大型橋梁在交通網(wǎng)絡(luò)中日益扮演著不可替代的重要角色。然而，受新疆地區(qū)特殊地理位置、氣候條件等影響，當(dāng)?shù)乩纂姲l(fā)生頻次較高，大型橋梁雷擊事件也時(shí)有發(fā)生，不僅嚴(yán)重威脅橋梁結(jié)構(gòu)安全、損壞附屬電氣設(shè)備，甚至還將阻礙交通正常運(yùn)行。對(duì)此，本文簡要分析新疆地區(qū)雷電特征，系統(tǒng)闡述雷電對(duì)大型橋梁結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備、通行安全等的危害，后從接閃系統(tǒng)優(yōu)化、引下線改進(jìn)設(shè)計(jì)、嚴(yán)格做好等電位連接等維度提出強(qiáng)有力的防雷技術(shù)措施，僅供參考。
引言
大型橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，承擔(dān)繁重的交通運(yùn)輸任務(wù)，其安全、正常運(yùn)行與區(qū)域交通順暢、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等息息相關(guān)。然而，隨著全球氣候加劇變暖，加之新疆地區(qū)特殊的地形地貌與氣候，致使區(qū)域雷電災(zāi)害頻發(fā)。由于大型橋梁多位于空曠地帶，再加上其建構(gòu)材料特殊，極易成為雷擊目標(biāo)。一旦雷電擊中大型橋梁，極易損壞其鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等橋梁結(jié)構(gòu)及監(jiān)控與照明等附屬電氣設(shè)備，甚至還將阻礙車輛與人員正常通行。對(duì)此，本文重點(diǎn)剖析大型橋梁防雷技術(shù)措施，對(duì)提升大型橋梁防雷水平，盡可能減少其雷擊事故發(fā)生率，保障大型橋梁的安全、正常運(yùn)行等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1、新疆地區(qū)雷電特征
圖1 2005-2021年新疆雷電災(zāi)害統(tǒng)計(jì)
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005-2021年新疆累計(jì)出現(xiàn)雷電災(zāi)害158次，年均9.3次。結(jié)合上圖1可見，在研究時(shí)段內(nèi)，新疆雷電災(zāi)害頻次整體以-13.578次/10a的速率呈顯著的下降趨勢(shì)，其中年雷電災(zāi)害頻次的峰值為33次（2005年），2020年與2021年未出現(xiàn)過雷電災(zāi)害。就空間分布而言，新疆山地、盆地地形差異顯著，天山山脈、阿爾泰山脈等區(qū)域雷電活動(dòng)相對(duì)頻繁。山區(qū)地形抬升氣流，更容易觸發(fā)雷暴云形成與發(fā)展，致使雷電災(zāi)害發(fā)生頻次高于盆地、沙漠等平坦地區(qū)。
2、雷電對(duì)大型橋梁的危害
雷電對(duì)大型橋梁的危害嚴(yán)峻，具體包括以下幾點(diǎn)。
2.1對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的危害
一方面，損傷鋼結(jié)構(gòu)。大型橋梁使用的鋼塔、鋼箱梁等鋼結(jié)構(gòu)均是良好的導(dǎo)體。一旦大型橋梁遭受雷電襲擊，強(qiáng)大的雷電流將在瞬間通過鋼結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生焦耳熱，致使其局部急劇升溫，使鋼材熱膨脹、變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)熔融、開裂。此外，雷電流引發(fā)的電磁力還會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)桿件承受瞬間機(jī)械應(yīng)力，一旦應(yīng)力超出鋼材所能承受范圍，必將導(dǎo)致桿件出現(xiàn)彎曲，甚至斷裂，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性；另一方面，損傷混凝土結(jié)構(gòu)。大型橋梁混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中均配有鋼筋等，一旦遭受雷電侵襲，雷電流將通過鋼筋快速傳導(dǎo)，在此過程中，混凝土自身也極易由于電動(dòng)力、熱應(yīng)力等遭受破壞。雷電電流在混凝土當(dāng)中傳導(dǎo)時(shí)，形成的電場會(huì)電解混凝土內(nèi)部水分，并產(chǎn)生一定量氣體，致使混凝土內(nèi)部壓強(qiáng)顯著增加，導(dǎo)致其出現(xiàn)開裂甚至剝落。此外，因鋼筋與混凝土間溫度不同，由此產(chǎn)生的熱膨脹也存在一定差異，極易破壞兩者之間的粘結(jié)力，使混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與承載能力顯著下降。除此之外，新疆地區(qū)橋梁混凝土還受晝夜溫差大、氣候干燥等因素影響，經(jīng)雷電襲擊后，更易出現(xiàn)碳化、凍融破壞等問題，致使大型橋梁結(jié)構(gòu)劣化現(xiàn)象明顯加劇。
2.2對(duì)橋梁附屬設(shè)施的危害
雷電對(duì)橋梁附屬設(shè)施的危害也不容忽視。首先，損壞電氣與智能系統(tǒng)。通常大型橋梁均配備有照明、動(dòng)力供電等電氣系統(tǒng)及監(jiān)控?cái)z像頭、車輛監(jiān)測設(shè)備等智能交通系統(tǒng)。一旦雷電擊中大型橋梁，由此產(chǎn)生的浪涌電流極易通過信號(hào)線、電源線等入侵上述系統(tǒng)，致使橋梁照明癱瘓、交通監(jiān)控失效、通信中斷，嚴(yán)重影響橋梁的交通疏導(dǎo)與安全管理；其次，損毀現(xiàn)有的防雷設(shè)施。盡管大型橋梁當(dāng)中安裝有接閃器、引下線、接地裝置等防雷裝置，但由此產(chǎn)生的強(qiáng)大能量極易超出防雷裝置所能承受的范圍，導(dǎo)致出現(xiàn)接閃器尖端融化或斷裂、引下線銹蝕或燒斷、接地電阻增加使雷電流無法有效泄放于大地等，威脅橋梁結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備的安全性。
2.3對(duì)橋梁運(yùn)營的危害
雷電對(duì)大型橋梁運(yùn)營的危害也相當(dāng)嚴(yán)峻。其一，交通秩序紊亂。雷電引發(fā)的橋梁照明系統(tǒng)故障、交通監(jiān)控失效，將導(dǎo)致夜間通行或高峰期橋梁陷入“失明”、“失聰”狀態(tài)，此時(shí)，駕駛員無法清晰辨認(rèn)橋面標(biāo)線與障礙物，致使追尾、碰撞等事故多發(fā)；同時(shí)，智能收費(fèi)系統(tǒng)等設(shè)備故障，還極易導(dǎo)致收費(fèi)站口擁堵，干擾區(qū)域正常交通秩序；其二，人員安全隱患。雷電發(fā)生時(shí)，極易導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、附屬設(shè)施墜落等問題，直接危害橋上行人、車輛內(nèi)人員安全性。同時(shí)，一旦雷電引發(fā)電氣系統(tǒng)故障，還極易出現(xiàn)短路起火事故。一旦起火事故出現(xiàn)在隧道式橋梁、雙層橋梁下層等封閉橋梁內(nèi)，極易由于通風(fēng)不暢、逃生通道有限等，嚴(yán)重威脅人員的生命健康安全；除此之外，雷擊產(chǎn)生的強(qiáng)光、巨響，還可能在瞬間干擾駕駛員的視覺與聽覺，引發(fā)操作失誤，致使事故發(fā)生概率顯著增加。
3、大型橋梁防雷措施
為有效降低雷擊對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施與橋梁運(yùn)營的危害，可從以下維度構(gòu)建系統(tǒng)化防雷體系，為大型橋梁的安全、有序運(yùn)營保駕護(hù)航。
3.1接閃系統(tǒng)優(yōu)化
優(yōu)化接閃系統(tǒng)是大型橋梁防雷的重要一環(huán)。
3.1.1橋塔接閃器設(shè)置
其一，利用自然接閃。針對(duì)鋼質(zhì)或鋼混結(jié)構(gòu)的橋塔，優(yōu)先利用其頂部塔頂裝飾鋼件、檢修平臺(tái)護(hù)欄等金屬構(gòu)件作為自然接閃器。選作接閃器的金屬構(gòu)件的材質(zhì)必須滿足熱穩(wěn)定要求，同時(shí)，熱鍍鋅圓鋼直徑超8mm，扁鋼截面超48mm2且厚度超4mm，并通過焊接等方式以確保電氣暢通，使雷電流可順利傳導(dǎo)；其二，獨(dú)立接閃器補(bǔ)充。一旦橋塔自然接閃構(gòu)件保護(hù)范圍不足，應(yīng)在塔頂安裝獨(dú)立接閃桿。結(jié)合滾球法對(duì)接閃桿高度進(jìn)行計(jì)算，以確保其可覆蓋橋塔頂部關(guān)鍵設(shè)備及塔身一定范圍。接閃桿應(yīng)采用熱鍍鋅鋼材，其底部應(yīng)與橋塔引下線間做可靠焊接，并在焊接位置處通過涂刷防腐漆并包覆防水膠帶等方式嚴(yán)格做好防腐處理；其三，科學(xué)布置環(huán)形接閃帶。沿橋塔頂部女兒墻、檢修平臺(tái)等邊緣區(qū)域規(guī)范敷設(shè)閉合環(huán)形接閃帶，選用40mm×4mm的熱鍍鋅扁鋼，通過支架進(jìn)行固定，確保各支架間距小于1m。同時(shí)，接閃帶與橋塔引下線多點(diǎn)焊接連接，構(gòu)成“均壓環(huán)”，以降低雷擊時(shí)橋塔不同部位產(chǎn)生的電位差，以防出現(xiàn)側(cè)擊雷。
3.1.2纜索接閃防護(hù)
其一，主纜接閃處理。懸索橋主纜多為平行鋼絲束，可在主纜跨中最高點(diǎn)及兩端錨固區(qū)上方科學(xué)安裝專用接閃短桿。一般情況下，接閃短桿采用不銹鋼材質(zhì)，并以抱箍的方式連接主纜，抱箍內(nèi)側(cè)襯墊導(dǎo)電橡膠，以確保電氣良好接觸，接觸電阻低于0.03Ω，使雷電流可快速經(jīng)接閃短桿、引下線泄放。其二，斜拉索接閃設(shè)計(jì)。應(yīng)于斜拉橋斜拉索頂端與橋塔連接位置處安裝小型接閃器，可采用預(yù)放電接閃針，提前引導(dǎo)雷電放電。同時(shí)，在斜拉索下端針對(duì)索體開展局部絕緣處理，以有效阻斷雷電流沿索體直接傳入橋面結(jié)構(gòu)。此外，絕緣套管兩端設(shè)置金屬連接端子，連接橋面引下線，以確保雷電流可順利導(dǎo)入接地系統(tǒng)。
3.1.3橋面接閃設(shè)計(jì)
針對(duì)鋼橋面，可選用橋面兩側(cè)防撞護(hù)欄頂部金屬板作為自然接閃帶，護(hù)欄金屬板間通過焊接或螺栓連接，以確保電氣連續(xù)。一旦護(hù)欄金屬板截面不足，應(yīng)在其上方明敷熱鍍鋅圓鋼作為接閃帶補(bǔ)充，一般將其沿橋面縱向通長布置，每隔20m與護(hù)欄金屬板做可靠焊接；而針對(duì)混凝土橋面，可在橋面防撞墻頂部明敷熱鍍鋅扁鋼作為接閃帶，并嚴(yán)格做好固定處理。同時(shí)，利用橋面鋪裝層內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋作為暗敷接閃網(wǎng)，將鋼筋交叉點(diǎn)焊接，形成小于20m×20m的網(wǎng)格，接閃帶與接閃網(wǎng)多點(diǎn)焊接連通，增強(qiáng)接閃效果。除此之外，應(yīng)在橋面燈桿、監(jiān)控桿等金屬立柱頂部加裝接閃針，并使針體與接閃帶或接閃網(wǎng)做可靠連接，以助力其接閃效果得以充分發(fā)揮。
3.2引下線改進(jìn)設(shè)計(jì)
引下線改進(jìn)設(shè)計(jì)對(duì)大型橋梁防雷也至關(guān)重要。首先，科學(xué)做好橋塔引下線選型與敷設(shè)。一般情況下，橋塔引下線多選用直徑大于12mm的熱鍍鋅圓鋼或40mm×4mm的扁鋼。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋塔，多選用塔架自身鋼結(jié)構(gòu)主肢作為引下線，各主肢之間必須做牢固焊接，以確保電氣貫通。對(duì)于混凝土橋塔，多在塔壁表面明敷引下線，并使用支架進(jìn)行固定，確保各支架間距在1~1.5m之間。引下線在塔底還應(yīng)預(yù)留一定的測試端子，為檢測接地電阻提供便利；其次，橋面引下線布置。橋面引下線布置包括縱向與橫向兩種方式。其中前者多沿橋面兩側(cè)防撞墻或人行道邊緣進(jìn)行布設(shè)，各引下線間距在30~50m。其材質(zhì)與橋塔引下線保持一致，一端焊接橋面接閃帶（接閃網(wǎng)），另一端通過橋梁伸縮縫，采用柔性銅編織帶做過渡連接，以防橋梁伸縮損傷引下線，確保電氣連續(xù)性；而后者多在布設(shè)于橋面伸縮縫與支座之下，將橋面接閃系統(tǒng)與橋墩引下線連接。此類引下線多選用熱鍍鋅扁鋼，與縱向引下線、橋墩引下線焊接，構(gòu)建網(wǎng)狀引下結(jié)構(gòu)，均衡橋面雷電流的分布，以降低局部電位差。
3.3嚴(yán)格做好等電位連接
等電位連接是大型橋梁防雷系統(tǒng)中的核心防護(hù)措施，主要通過構(gòu)建電氣通路，消除雷擊時(shí)各構(gòu)件間的電位差，降低反擊風(fēng)險(xiǎn)，保障橋梁結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)施安全。
橋梁主體結(jié)構(gòu)由鋼筋、鋼箱梁等金屬構(gòu)件構(gòu)成，在實(shí)踐施工時(shí)應(yīng)通過焊接、螺栓連接等方式，將橋墩、主梁、斜拉索等金屬部件進(jìn)行可靠電氣連通，構(gòu)建連續(xù)的等電位網(wǎng)絡(luò)，確保雷擊電流可均勻傳導(dǎo)。對(duì)于照明系統(tǒng)、交通監(jiān)控設(shè)備、通信基站等橋梁附屬設(shè)施，應(yīng)將其金屬外殼、接地端子與橋梁主體等電位連接，以防設(shè)備與橋梁結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生電位差，防止雷擊時(shí)設(shè)備遭受反擊損壞；在橋面鋪裝層，應(yīng)鋪設(shè)金屬網(wǎng)格并與主體結(jié)構(gòu)連接，形成法拉第籠效應(yīng)，屏蔽雷擊電磁脈沖對(duì)橋面上電子設(shè)備的干擾。此外，橋梁伸縮縫處極易由于絕緣材料存在而導(dǎo)致等電位連接中斷，此時(shí)，應(yīng)選用銅編織帶等柔性導(dǎo)電材料進(jìn)行跨接，以保障等電位網(wǎng)絡(luò)的完整性。此外，完成等電位連接施工后，還要定期針對(duì)連接點(diǎn)的電氣導(dǎo)通性與接觸電阻進(jìn)行檢測，既可保障連接可靠性，又可大幅提升大型橋梁的防雷性能，助力橋梁安全穩(wěn)定運(yùn)行。
作者：李利軒 李萍 劉洪波
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