荆岳大桥防雷设计

1、荆岳长江公路大桥主体防雷设计聂武夫、陈思文、陈太龙（湖南省岳阳市气象局，414000）摘 要：通过对荆岳长江公路大桥防雷系统的设计，较全面的介绍了大型跨海桥梁雷电防护工程的设计技术。直击雷防护主要从大桥主塔和桥面设施着手设计，并探讨了桥梁电源部分（监控楼、高杆路灯、主桥塔顶航空障碍灯、监控设备、收费站）和信号通信部分防雷电感应的设计方案。根据荆岳长江公路大桥的结构特点和环境特点，针对性提出合理的建议，最大限度地减少大桥建成后的雷电风险。关键词：荆岳长江公路大桥；直击雷；雷电感应；防雷工程1引言随着我国经济的快速发展，基础设施建设进入一个高速发展的黄金时期，桥梁作为跨越江河、峡谷，以及解决城市交

2、通的基础设施，规模和数量也都得到快速发展。然而，对于一些大型跨江、跨海桥梁来说，因其主塔高（数百米）、跨度大（主跨度数百至千余米）且大多位于沿江或海面等空旷地域，受地形等因素的影响，极易遭受雷击破坏，发生雷击的概率、雷击强度也大于周围其他地域。在大桥上空或附近地区出现较强的雷暴云并形成雷击，因热力、机械力作用对跨江、跨海大桥可能造成的破坏包括：危及人身安全，损坏塔顶、桥面各类电子设备，破坏主塔、斜拉索或悬索等主体结构，以及照明等设备（包括高、中、低杆路灯）；强大的雷电电磁脉冲还有可能对大桥机电、三大系统等造成极大破坏，这些对大桥主体防雷提出了更高的要求。因此，做好桥梁防雷是整个桥梁设计中不可或

3、缺的重要一环。本文即以荆岳长江公路大桥为例，探讨桥梁防雷的设计方法。荆岳长江公路大桥是我国“五纵七横”国道主干线中同江三亚沿海大通道和沈阳海口告诉公路跨越杭州湾的最便捷通道。它建成后可缩短宁波至上海间的陆路距离100多公里，使宁波、舟山、台州、温州等浙东南地区与上海的联系更加密切，与沪杭、沪甬高速公路一起构成沪、杭、甬两小时交通圈，可以加速环杭州湾地区的城市化进程和大大提升该地区的国际竞争力。大桥跨越杭州湾，极易遭受雷击，而且其社会地位和经济地位也比较特殊，所以对防雷工程的设计和施工要求较高：不仅要能防直击雷（包括防侧击雷）、还要能防雷电感应。本文即是针对雷电的危害，结合荆岳长江公路大桥的特点

4、，对其进行综合全面的防雷设计。2大桥现场勘查概况荆岳长江公路大桥起自湖北省监利县白螺镇王李村，跨长江后止于湖南省岳阳市云溪区道仁矶镇大鼓山，建设总里程5419公里，其中长江大桥总长4302.5米，总投资23.42亿元。设白螺互通式立交和收费管理养护分中心一处。图1 荆岳长江公路大桥地理位置示意图大桥桥型为主跨600米双塔双索面钢箱梁斜拉桥，桥面宽 33.5米，双向6车道高速公路，设计时速为每小时100公里。大桥由连续T梁、连续箱梁和双塔钢箱梁斜拉桥组合而成，主桥为主跨816米混合梁斜拉桥，跨度布置为（100+298）m+816m+（80+2×75）m，桥塔为 H型，南塔高224.5m

5、，北塔高267m；北滩桥为100 m+5×154m+100m七孔预应力砼连续梁桥。主桥为混合梁斜拉桥，其主跨816米为全球斜拉桥第六大跨度，为世界上唯一一座单侧边跨采用混凝土主梁、不对称边中跨布置、高低塔、主跨和另一侧边跨采用钢主梁的千米级斜拉桥，综合建造技术极其复杂。图2 荆岳长江公路大桥效果图电源部分主要采用10kV电能传输方式作为大桥照明及其他附属设施供配电系统电源。在大桥两岸各建有一座10kV变电所。由于大桥长度较长，在大桥沿线设置变压器，方便为桥面设施供电。大桥沿线设有高杆路灯，分全夜灯和半夜灯两种。三座主塔上均设有航空障碍灯，采用220V供电。收费站位于大桥主桥南端约36

6、0m处，其电源来自于10kV变电所。另外，在大桥主桥及引桥桥面上还装有监控设备和装饰灯、气象仪器、电子情报板等设备。管理区监控中心位于大桥北岸，共五层，配电房位于一楼，监控机房位于三楼，其余为普通办公区。3直击雷防护工程设计3.1接闪器、引下线3.1.1主塔为了使主塔部分免遭直击雷的破坏，需要在主塔上安装接闪器，接闪器采用针带结合的方式（图3），由于主塔位于江上，风力较大且江面上腐蚀情况比较严重，因此考虑要加大接闪器的规格，在南塔、北塔顶部四周明敷接闪带，接闪带采用直径20mm的不锈钢，网格尺寸不得大于5m×5m或6m×4m并在易受雷击的四个角上各安装一支接闪短针，接闪短针

7、采用高1m,直径为80mm的不锈钢材料制成，并与接闪带焊接，同时还要将接闪短针与斜拉桥桥塔内部专门用于接地的主筋做多点电气连接。图3主塔接闪器示意图塔顶上的各种金属物（如：航空障碍灯等）也应与接闪带作可靠焊接。为了防止雷电流通过航空障碍灯进入室内，航空障碍灯的外壳不与通往室内的PE线相连，另外为了防止航空障碍灯金属外壳带电，可以将外壳与接闪带相连。航空障碍灯的金属配管也应与接闪带相连，且金属配管进入室内后应断开，避免把雷电流引入室内。主塔引下线不必单独设置，而是充分利用利用主桥塔结构内部直径32mm的纵向主钢筋作为自然引下线，上与接闪器焊接，下与接地体焊接（图4）。引下线数量为4根，并沿主塔四

8、周均匀对称布置，每根引下线的冲击接地电阻不应大于10。图4主塔引下线示意图由于荆岳长江公路大桥的主塔高度在220m以上，又位于空旷的江面上，所以大桥应采取防侧击雷的设计。整个主塔利用内部4根直径32mm的结构钢筋作为引下线，并且每隔大约6m将主塔外侧一圈横向结构钢筋焊接起来，形成可靠的均压环，并与引下线做可靠连接（图5）。采用多根引下线不但提高了防雷装置的可靠性，更重要的是其分流作用可大大降低每根引下线的沿线压降，减少侧击的危险。而均压环的设置则可以消除雷电流流经引下线时由电磁感应产生的危险电位差。图5主塔侧击雷防护3.1.2大桥拉索的防雷设计大桥的斜拉索是大桥钢箱梁的支撑体，是关键的承重构件

9、，因此要做好防护措施。荆岳长江公路大桥斜拉索采用的是平行钢丝成品斜拉索（如图6）。图6平行钢丝成品斜拉索结构平行钢丝索的内部由大约300、400根7mm的高强度镀锌钢丝组成，外层采用双层防护，即镀锌钢丝+整体索外热挤聚乙烯防护层。所以每根钢索的直径往往在50mm以上，总的截面积也往往大于5000mm2。由于趋肤效应，当雷电流击中斜拉索时，雷电流大部分集中在斜拉索表面（外层防护层）流动，而斜拉索最靠外的一圈高强钢丝的截面积也往往远大于100mm2，其电流承载能力很强，再加上雷电流通常作用时间比较短，所以一般来说，雷电流除了影响斜拉索外层的防腐层或造成金属表面的熔化外不会造成斜拉索断裂等严重的事故

10、，故只要将斜拉索上下两端通过锚具、锚垫板等金属构件分别与主塔内部专门用于接地的主钢筋和桥面敷设的接地系统作可靠的电气连接，这样即便雷电击中斜拉索，以拉索的规格也完全可以将雷电流安全的泄放。3.1.3桥面直击雷防护由于大桥的跨度较大，按二类滚球半径（45m）计算安装在塔顶的避雷针和接闪带的保护范围难以覆盖到全桥，并且在保护到的部分也不能防御小于该半径所对应的雷电流，如一类对应的雷电流为5.4kA、二类对应的雷电流为10.1kA、三类对应的雷电流为15.8kA，小于对应的雷电流可能击中被保护物，所以高出桥面的栏杆和灯柱等都可能会遭到雷击，所以应该将大桥桥面金属栏杆扶手、金属照明灯杆等作为接闪器，这

11、样可以保证所有桥梁结构均在防雷装置的保护范围中。具体做法是将桥面（包括主桥、引桥）上的栏杆、护栏、灯柱、摄像头金属支架等金属设施就近与桥面内的防雷接地网络进行可靠连接，与主体桥梁形成完整的防直击雷系统。桥面引下线是利用桥墩内钢筋引上，在盖梁顶上改用16mm的热镀锌圆钢引上与护栏内的防雷钢筋焊接，并加装补偿器。同时在每个桥墩的桥面电缆槽位置处要预留接地端子。3.1.4桥墩桥墩引下线的目的是将桥梁基础处接地装置的接地引出线上引至桥面，上与桥面接地干线连通，下与接地体焊接，并与桥墩（基础）的钢护筒焊接（图7）。根据规范，二类防雷建筑物引下线间距为18m,但由于桥墩间距大于18m,故在每个桥墩处都利用

12、桥墩外侧的四根纵向非承重结构钢筋作为引下线。图7桥墩引下线示意图需要注意的是被利用的作为接地引下线的结构钢筋中间若有断头，必须采用搭接焊，接地引下线与接地端子必须搭接焊。双面焊缝长度不小于6D（D为焊接物最大直径），因此设计为焊缝长不小于190mm,接地钢筋垂直相交处加L型过渡钢筋跨接。另外，在桥墩支撑桥体的部分有相对移动的情况，并非固定，因此这段引下线要加装补偿器。3.1.5收费站、管理区收费大棚荆岳长江公路大桥收费站距离主桥南端约360m，划分为第三类防雷建筑物。收费大棚是钢架结构、金属屋面，金属板厚度大于0.5mm，因此可利用其金属顶棚及其他金属构件作为接闪器。为了快速泄放雷电流，同时减

13、少每根引下线上的压降，改善周围电磁环境，应尽可能利用收费大棚所有金属支柱或柱内钢筋作为引下线。所有金属构件均与引下线作可靠的电气连通。管理区管理区大楼应沿屋面敷设接闪带，并在易受雷击的屋角装设接闪短针，接闪带及接闪短针采用直径不小于8mm的圆钢。引下线应当利用管理区大楼柱内结构钢筋作为引下线，引下线平均间距不应大于25m。每根引下线的冲击接地电阻不宜大于10。3.2大桥接地系统3.2.1大桥主体部分击中大桥主塔顶部接闪器或主塔上部的雷电流会通过主塔内的引下线及设在桥墩里的接地极向大地泄放；击中斜拉索或桥面各金属设施（如栏杆、灯柱等）的雷电流会通过桥面的各种防雷装置进入大桥桥面的防雷接地网络，然

14、后继续向下通过设在桥墩里的接地极向大地泄放。一般来说，桥梁防雷装置是根据结构特征进行配置，在保证桥体结构安全的前提下，尽可能利用结构主体构件，采用自然接地的方式，以节约工程投资。荆岳长江公路大桥基础结构采用的是钻孔桩+承台基础，且基础处于低土壤电阻率地区，因此对其做以下接地设计。在每根桩基中选择一根通长垂直主钢筋作为接地极，另将其余的外围桩基主钢筋并焊在一起，同时还要与钢护筒焊接，整体作为接地极。在利用桩基中的通长垂直主钢筋作为接地极时，每节段之间要加搭接钢筋焊接。在打承台混凝土之前，将承台内所有桩基的钢筋、钢护筒用水平连接线（22圆钢）环绕焊接在一起，共同作为接地极（图8）。图8桩基础接地示

15、意图桥面上的金属设施连成的等电位连接网应在相应的位置与承台内的防雷接地装置做可靠的电气连接，从而使大桥建立起一个可靠的防雷接地网络，将各个部位的雷电流都能迅速的泄放掉。3.2.2收费站、管理区部分收费站、管理区的接地装置应利用建筑物基础内的钢筋作为接地体，且为了减小接触电压和跨步电压对人身安全及设备的危害，还必须将位于桥面上的收费站的接地装置、接地网与大桥的接地系统可靠的连接起来，实现等电位连接。4 防雷电感应设计大桥除主体工程外，还建有供电系统、照明系统、监控系统和收费系统等配套工程，各系统均装配了大量的精密电子仪器、微机等微电子设备，这些设备遭雷电感应侵害的可能性很大，因此对其采取防雷电感

16、应措施也是桥梁防雷工程必不可少的一部分。防雷电感应主要采取的方法有等电位连接、屏蔽、安装SPD等。4.1等电位连接4.1.1桥墩部分作为接地极的桥墩，应用水平连接线把所有钢护筒、桩主筋连接起来作等电位处理，以防止泄放雷电流时产生的电位差对桥墩结构引起反击。4.1.2桥面部分出于对经济和施工情况的考虑，在地面和水面下把各个桥墩连接起来组成闭合环形接地极是有一定困难的，所以只能在桥面设计等电位连接带，一来可以作为各接地桥墩的等电位连接带，二来可以作为桥面其他装置的等电位连接带。对于大桥混凝土箱梁段（引桥部分），应在两侧梁面及箱梁设计水平接地带（图9），一般选用40mm×5mm镀锌扁钢,共

17、计四根，所以水平接地带均要与梁体结构钢筋和接地引下线做可靠的电气连接；图9桥梁等电位连接带钢箱梁段（南北航道桥段）利用梁体作接地带，且混凝土箱梁与钢箱梁要可靠柔性连接，接地带全桥贯通，并且各侧面的接地带之间应每隔不大于25m用钢筋焊接做等电位处理。另外利用防撞墙内主钢筋作为桥面的接地贯通线，分散在桥面上的电气设备及桥梁结构需要接地的部分，均可就近与接地贯通线可靠连接，达到等电位的要求。桥面上的金属设施之间可连接成一个等电位连接网，并与防雷装置及等电位连接带进行可靠的等电位连接。设在桥面下的各种过江金属物，如电缆外皮、管道等其相互间净距小于100mm时应每隔20m30m用金属线跨接。管道的连接处

18、（如阀门、法兰盘等），应用金属线跨接。金属物应在两端与就近的等电位连接带进行可靠的连接。另外所有配电箱、分线盒、电缆槽道、金属支架、爬梯及所有外露可导电部分等应与桥梁等电位连接带做好等电位连接，以防雷击时产生电位差，对其造成影响。如果电缆槽道、爬梯和其他金属管道过长的，应在每隔不大于25m处做等电位处理。4.1.3主塔部分主塔部分应按前面直击雷防护设计方法装设均压环，并与主塔内部作为引下线的主钢筋相互连接，与主塔的各种金属结构和金属设备做可靠的等电位连接。4.1.4收费站、管理区对于收费站、管理区来说，所有进入建筑物的外来导电物均应在LPZ0A区或LPZ0B区与LPZ1区的界面处做等电位连接。

19、当外来导电物、电力线、通信线在不同地点进入建筑物时，宜设若干等电位连接带。进出建筑物的各种金属管线应就近连接到环形接地体、内部环形导体或此类钢筋上。它们在电气上是贯通的并联通到接地体上。进出收费站、管理区等电子信息系统机房的电源线路宜穿金属线槽或金属管埋地敷设，且金属线槽或金属管两端应作可靠的等电位处理。如金属线槽和金属管很长时，应每隔30m做一次等电位连接。收费站的机柜、设备外壳、机架等应就近与等电位连接带可靠连接。管理区监控室内应设等电位连接网络，室内所有设备金属机架（外壳）、金属线槽、保护接地和SPD接地端等均应做等电位连接并接地。4.2屏蔽低压配电线路应全线采用埋地电缆引入，在入户端应

20、将电缆金属外皮、金属线槽接地。如有条件限制，可采用架空线，并应在入户处使用一段金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引入，其埋设长度不小于25m,且在架空线与电缆转接处应装设SPD。户外的交流供电线路、视频信号线路、控制信号线路应有金属屏蔽层并穿钢管埋地敷设，屏蔽层及钢管两端应接地，信号线路、供电线路应分开敷设。4.3过电压保护4.3.1电源系统管理区电源系统管理区的各种线路（如：主控机、分控机的信号控制线、通信线、各种监控器的报警信号线等）在进出建筑物LPZ0A区或LPZ0B区与LPZ1区的界面处应装设SPD。为避免高电压经过SPD对地泄放后的残压过大或因更大的浪涌电流在击毁SPD后继续毁坏后

21、续设备，以及防止线缆遭受二次感应，管理区的监控机房应采取多级保护（如图10）。图10电源系统防雷示意图（1）在监控中心的总配电盘上安装通流量Iimp25kA（波形10/350s）；响应时间Ta50ns的三相电涌保护器，作为一级保护。（2）在楼层分配电柜上安装通流量In40kA（波形8/20s）；响应时间Ta25ns的三相电涌保护器，作为第二级保护。（3）在UPS电源前安装通流量In20kA（波形8/20s）；响应时间Ta50ns的单相电涌保护器，作为第三级保护。（4）在UPS电源后或设备前安装通流量In10kA（波形8/20s）；响应时间Ta50ns的单相SPD，作为第四级的精细保护。SPD连

22、接导线应短而直，且连接导线不大于0.5m，长度大于0.5m时应适当加粗线径。当两级SPD之间距离小于10m时，在两SPD间加退耦装置。为防止SPD老化造成短路，要求SPD安装线路上应有过流保护装置，如熔断器，另外应选用有劣化显示功能的SPD。管理区外监控装置在管理区以外还装有监控装置，对这些设备也要做好电源防雷。在每个外场配电箱内各并联一组通流量In40kA（波形8/20s）的三相电源SPD，在每个道路车辆检测器处理器、道路监控电子显示屏及云台摄像机控制箱内也各并联安装一组通流量In20kA（波形8/20s）的单相电源SPD。收费站电源系统收费站电源系统也采用多级保护。第一级安装在收费站专用配

23、电柜，采用通流量In60kA（波形8/20s）的三相电源SPD，第二级安装在各收费亭的配电盒内，采用通流量In40kA（波形8/20s）的三相电源SPD，第三级安装在摄像机和终端机的前面，采用通流量In20kA（波形8/20s）的单相电源SPD。另外收费广场上每台广场摄像机控制箱内各并联安装一组通流量In20kA（波形8/20s）的单相电源SPD。其他电源防雷对于大桥沿线照明设施，应在其配电盘处安装通流量In20kA（波形8/20s）的电源SPD。主塔顶部的航空障碍灯也应在其电源控制箱处安装通流量In60kA（波形8/20s）的三相电源SPD，在各航空障碍灯接线处安装通流量In20kA（波形8

24、/20s）的单相电源SPD。4.3.2信号系统在桥梁监控、收费、通信及办公自动化等系统内集中了计算机网路、程控交换机、无线通信、有线通信、电源、视频监控、交通监控等各类子系统，浪涌电流可从各个子系统之间的内部缆线引入，因此应对各个子系统进行有效的过电压保护。包括视频信号防雷、音频（电话、对讲）信号防雷、数据、网路信号防雷、控制信号防雷等，此时应充分考虑防雷产品与被保护的通信设备相匹配。管理区信号部分主要集中在管理区的监控机房，该机房可以被认为是大桥各种数据和信息的集散地，内设多台服务器、电视墙、多路视频信号线盒程控电话线。因此，在服务器、视频信号和电话信号的线路上分别设计了网络信号避雷器、视频

25、信号避雷器、电话信号避雷器。（图11）。（1）在监控中心机房计算机网络服务器至网络交换机(HUB)之间采用同轴线埋地引入方式，应安装一只In10kA (波形8/20s)网络信号SPD，以保护服务器。（2）在监控中心机房集线器至收费亭的微机间的数据线两端各安装一只In10kA (波形8/20s)的数据线SPD以保护集线器和收费亭微机。（3）在程控电话和紧急电话传输线两端安装In10kA (波形8/20s)的程控电话电涌保护器。（4）在广场摄像头到监控中心和收费亭车道的监控摄像头到监控中心的视频传输电缆两端安装In10kA (波形8/20s)的视频信号SPD（BNC接口）各一只。图11大桥监控室信号系统防雷电感应设计收费站（1）在收费站专用服务器、IC卡统计计算机、收费管理计算机等设备的RJ45端口处安装In10kA (波形8/20s)的网络信号SPD。（2）在收费亭及收费车道的每