高层建筑直击雷防护设计的分析

余昌松,　殷春生,　王华卿

(1.淳安县气象局, 浙江 淳安　311700;2.杭州市富阳区气象局, 浙江 杭州　311400)



高层建筑直击雷防护设计的分析

余昌松1,殷春生2,王华卿1

(1.淳安县气象局, 浙江 淳安311700;2.杭州市富阳区气象局, 浙江 杭州311400)

基于滚球法原理,分析了影响建筑物防雷保护范围的主要因子,探讨不同高度的建筑物应采用不同类型的接闪器,指出一般建筑物采用接闪杆,高层、超高层建筑物宜采用接闪带。用定量计算的方法推导出计算公式,通过对实际案例的验算加深了对滚球法的理解,并准确确定接闪器防雷保护范围。

高层建筑; 滚球法; 接闪器; 直击雷; 防护措施

0　引　言

目前,高层建筑在城市中越来越多,建筑高度超过100 m的超高层建筑也随处可见。高层、超高层建筑不仅在结构工艺和消防安全上有更高的要求,而且遭受雷击的可能性更大,对防雷设计和施工人员带来了更多挑战。本文介绍了高层建筑直击雷防护的设计思路,希望能为防雷技术人员提供参考。

1　高层建筑物直击雷防护原理

高层建筑直击雷防护的设计依据是国家标准GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[1](简称《雷规》),其第4.2.4条、4.3.1条、4.4.1条规定,“防雷建筑物外部防雷措施,宜采用装设在建筑物上的接闪网、接闪带、接闪杆以及由接闪网、接闪带、接闪杆混合组成的接闪器;当建筑物高度超过对应类别滚球半径时,首先应沿屋顶周边敷设接闪带,接闪带应设在外墙外表面、屋檐边垂直面上或屋檐边垂直面外。”采用接闪器后,整个屋面组成不大于对应防雷类别规定的接闪网格,整个建筑物要在接闪器的保护范围以内,同时接闪器的保护范围应当采用滚球法确定。对于低于所对应防雷类别滚球半径的建筑物,可以屋顶周边敷设接闪带或接闪杆,但《雷规》没有明确规定具体的安装位置。

滚球法是计算接闪器保护范围的方法,以hr为半径的一个球体,沿需要防直击雷的部位滚动时,球体只触及接闪器(包括作为接闪器的金属物)或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物),而不触及需要保护的部位时,则该部分就得到接闪器的保护。滚球法确定接闪器保护范围的规定适用于任何场合,然而在实际应用上要作具体分析。

2　高层建筑接闪器保护范围的探讨

2.1建筑物高度h≤hr时接闪器保护范围

建筑物(含接闪器)高度h

根据滚球法基本原理,可以得出接闪器范围的计算公式。

(1) 用接闪带:当h

(1)

式中:hx——建筑物的高度。

(2) 用接闪杆:当h

(2)

表1　接闪带在不同高度建筑物女儿墙轴线上

表2　接闪杆在不同高度建筑物女儿墙轴线上的保护宽度和两端保护半径　m

2.2建筑物高度h≥hr时接闪器保护范围

当建筑物(含接闪器)高度h≥hr时,屋顶周边接闪器的保护范围不能完全覆盖外立面。因此,采取防侧击雷措施。防侧击雷的水平接闪带不能被均压环替代,因为高层建筑引下线太长,雷电流产生的电感电压降数值过大,所以将引下线、建筑物的金属结构和金属设备连接到均压环上,以消除建筑物同一高度上因雷击造成的电位差[4-5]。均压环可以安装在建筑物外部或建筑物内部,在实际工程中通常利用建筑物圈梁钢筋作为均压环。防侧击雷用的接闪带、接闪杆等接闪器,要求明敷在建筑物外部,直接截收雷击(防雷电侧击也属于直击雷防护)。水平接闪带采用环状敷设,并且每隔1.0～1.2m需用支持卡作固定,考虑到施工难度比较大,可以将水平的接闪带和接闪杆混合组成接闪器,其接闪带、接闪杆的水平间距以及接闪杆之间的间距应符合本类防雷建筑物保护的要求,具体可以通过以下方法确定。

防侧击雷接闪带剖面图和平面图如图1所示。当滚球在其外立面滚动时,受到两条水平接闪带支撑于A点和D点,并与墙面相切,AD的墙面就能得到A、D两条水平接闪带的保护,则A、D两条接闪带的水平最大间距为

(3)

图1　防侧击雷接闪带剖面图和平面图

防侧击雷接闪杆平面图如图2所示。滚球在其外立面受到四根水平接闪杆支撑于A点、B点、C点和D点,并与墙面相切,BE间的墙面就得到两条水平接闪杆的防雷保护,则两条水平接闪杆之间的最大间距为

(4)

(5)

图2　防侧击雷接闪杆平面图

3　应用实例

某建筑物高度为39 m,需采取一类防雷(hr=30 m),由于h=39 m>30 m,故采取防直击和防侧击雷相结合的措施。

(1) 防侧击雷采用接闪带作为接闪器,接闪带支架高度h=0.15 m,由式(3)求得防侧击雷的两条接闪带的间距为

计算结果与《雷规》第4.2.4.7.1条规定的要求相同,即在建筑物高度30 m处设第一道水平接闪带,36 m处设第二道接闪带,39 m处设第三道接闪带,且第三道接闪带安装在外墙外表面或将接闪带支架顶端适当加长斜弯到规定的位置,确保整个建筑在接闪器的保护范围内。

(2) 防侧击雷采用接闪带、接闪杆组成的混合接闪器,接闪带支架高度h=0.15 m,接闪杆高度hr=0.30 m。

由式(3)计算得:

由式(4)计算得:

一般建筑物的层高约为3 m,取OB=3 m。

由式(5)计算得:

计算结果表明,建筑物高度30 m处设第一道水平接闪带,36 m处设第二道接闪杆,接闪杆间距5.97 m,39 m处设第三道接闪带,且第三道接闪带安装在外墙外表面或将接闪带支架顶端适当加长斜弯到规定的位置,确保整个建筑在接闪器的保护范围内。

4　结　语

理论上滚球法计算接闪器保护范围的方法适用于任何场合,但在实际应用时会遇到许多问题。因此,在确定高度较高、结构比较复杂的建筑物保护范围时,要基于滚球法基本原理进行具体分析。本文以相对简单且较具代表性的建筑结构体为模型,通过实例的分析计算,加深对滚球法的理解,为今后防雷设计、施工和检测提供参考。

[1]建筑物防雷设计规范:GB 50057—2010 [S].

[2]雷电防护 第3部分:建筑物的物理损坏和生命危险:GB/T 21714.3—2008[S].

[3]刘蜀岷.避雷针保护范围不能“绝对化”[J].高电压技术,2005,31(7):82-83.

[4]银燕,杨仲江,郭凤霞,等.防雷技术与科学[M].北京:气象出版社,2011.

[5]许颖,刘继,马宏达,等.建(构)筑物雷电防护[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

Analysis of Lightning Protection Design in High-rise Building

YU Changsong1,YIN Chunsheng2,WANG Huaqing1

(1.Chun’an Meteorological Service, Chun’an 311700, China;2.Fuyang Meteorological Service, Hangzhou 311400, China)

Based on theory of roll ball method,this paper analyzed the main factors that impacted on the lightning protection range of buildings,and discussed that the different height buildings should adopt the different types of lightning arresters,such as the general buildings should adopted the lightning rods and the high-rise or super high-rise buildings are more suitable to be equipped with lightning strips.The computational formulas were inferred by quantitative calculations,and the understanding of roll ball method was deepened through the checking computation of actual cases,which can accurately ensure the lightning protection range of lightning arresters.

high-rise building; rolling ball method; lightning arrester; direct lightning; protection measures

余昌松(1957—),男,工程师,从事雷电防护方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)06-0055-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.06.014

2016-05-18

殷春生(1986—),男,工程师,从事雷电灾害风险评估方面的工作。

王华卿(1976—),女,工程师,从事雷电防护管理方面的工作。