摘要：随着经济的不断发展，城市发展进程的不断加快，越来越多的超高层建筑涌现在大、中型城市。超高层建筑比一般建筑遭雷击概率大很多，由于建筑物中装有大量电子信息设备，一旦遭受雷击，损失严重。所以，对超高层建筑采用合理可靠的防雷措施显得尤为重要。由于钢结构的自重轻、抗震性能好、施工进度快、易于产业化等特点，约70-80%的超高层建筑采用钢结构体系，框架—核心筒结构是目前超高层建筑结构中应用最广泛的形式之一。在以钢结构为主体的超高层建筑物中，其纵向巨型钢柱、横向钢梁等结构形成了一个“法拉第笼”，使整栋建筑物实现等电位连接，成为一个等电位体，因此直接利用建筑物内钢结构作为防雷系统是目前超高层建筑的普遍设计方法。
关键词：超高层建筑；钢结构；防雷雷电效应
随着我国城市化进程的加快，超高层建筑物不断涌现，有数据表明，我国2013-2018年计划建成164幢250m以上的超高层建筑，300-400m的超高层建防雷系统设计筑数量约占总数的43%，500m以上的超高层建也不断增多。然而受区域雷电电磁环境的改变、雷击的选择性等因素的影响，导致此类建筑物易成为遭受雷击的目标，因此必须采取科学有效的防雷措施，鉴于不少超高层建筑均利用钢结构作为防雷系统的普遍设计方法，本文特以天津高银大厦为研究对象，分析超高层建筑利用钢结构作为防雷系统，发生雷电效应时对其结构性能的景响。
1.天津高银117大厦结构概况及防雷设计
1.1工程结构概况
天津高银大厦是一幢以甲级写字楼为主，集六星级豪华商务酒店及相关设施的大型超高层建筑。总建筑面积约37万m2，建筑物高度约为597m，地上117层，地下3层，负一层带局部夹层。由钢筋混凝土核心筒、钢结构巨型支撑筒及巨型框架构成结构体系，楼板系统采用钢梁、压型钢板和混凝土组成。
1.2防雷系统设计
工程采取防直击雷、侧击雷和感应雷措施。防直击雷在塔楼屋顶以及裙房天面女儿墙上设置避雷铜带，屋面用25mm×3mm铜带明敷设置成不大于5m×5m的网格，凡突出屋面的所有金属构建与避雷带可靠焊接，塔楼顶端设置2支2000mm提前放电式避雷针作为接闪器，同时引用幕墙金属框架作为防雷引下线并接到巨型钢柱防雷引下线直至接地网，防侧击雷措施为建筑物高度超过45m时，沿每层建筑物四周的玻璃幕墙金属框架与该层水平结构钢梁接成一体后再与引下线焊接，防雷接闪器附近的电气设备的金属外壳（如泛光照明、航空障碍灯等设备）均应与防雷装置可靠焊接；设置总等电位端子板防感应雷，低压电源进线电缆金属外皮与总等电位端子板连接，进出建筑物的各种金属管道、电缆金属外皮、配电箱的母排以及防雷接地预埋件均应与总等电位端子板连接[1]。为保证电子设备免受浪涌过电压的破坏，对电源系统加装多级浪涌过电压保护器（SPD），在总进线的配电柜前加设一级SPD，标称放电电流Imax=20kA (10/350μs)，在UPS或分配电柜前加装二级SPD，标称放电电流Imax=40kA (8/20μs)，在重要配电系统或工作电源前加装三级SPD，标称放电电流Imax=20kA (8/20μs)。
2.雷电效应对钢结构性能影响分析
从防雷接地系统来看，利用钢结构巨型柱和水平钢梁实现建筑物防雷功能，由于钢结构竖向每一节巨型柱之间、巨型柱与水平钢梁之间及水平钢梁之间均通过焊接或栓接形成有效电气通路，加之钢结构有效连通截面大、屏蔽效果和泄雷效果好等特点，将其作为引下线具备极大优点；利用水平钢梁采用镀锌扁钢焊接出预留幕墙接地钢板，使整个建筑物构成“法拉第笼”，在桩筏结构中，将巨型柱与水平钢筋接地网有效焊接[2。然而，在超高层建筑中，利用钢结构组成的防雷系统，不可忽视钢结构自身耐火性能差的致命缺点。根据理论计算，钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为500°C左右，在火灾情况下，一般火场温度高达800-1000°C，加上超高层建筑内的管道竖井形成的“烟囱效应”和建筑物本身的自然摆动，影响超高层建筑钢结构的结构形变因素众多，其自身形变将引起建筑钢结构性能降低。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此外，在利用钢结构作为防雷系统时，发生雷电时产生的热效应和机械效应也必然对结构自身产生一定影响。
2.1热效应分析
发生雷电时产生的热效应包括高幅值雷电流流经导体电阻时所迅速产生的热量，以及闪电对防雷接闪器或放电间隙击穿所形成的强大电弧附着点热损。本工程设计为二类防雷，其雷电电流Im为150kA,发生雷电时其持续时间可长达数百ms甚至以1s以上，产生的热效应会导致钢结构温度急剧升高，因钢结构性能受温度变化影响较大，为此对超高层建筑中利用钢结构装置作为防雷系统时的温升校验尤为重要[3]。根据第三版《工业与民用配电设计手册》和通过本项目的防雷系统设计等级和引下线钢构件性能参数，以常温20°C为起始温度，计算当发生雷击时,其产生的热效应导致温升后最终温度为20.12°C，从计算结果可以看出，利用钢结构巨型柱作防雷引下线，因为巨型柱截面大，发生雷电时热效应产生的温升可忽略不计，对钢结构造成的影响几乎为零，相比利用圆钢或扁钢作为防雷引下线的传统做法有很大优势，加之钢结构之间的有限焊接面大，接触面好，且能节省焊接材料，从热效应方面分析，利用钢结构装置作为引下线合理有效。
2.2机械效应分析
雷电流峰類碰雷装置会在平行导体间或角状、环形导体之间产生冲击性的电动力，如引下线形成段长且小的平行环路时，雷电流所产生的电动力可按下列公式进行计算：Ft=（μ0/4π）×Im2×（l/d）,其中Ft表示电动力（单位为N），Im表示雷电流幅值（A），μ0表示空气导磁系数（H/m），l代表导体平行段的长度（单位为m），d代表导体平行直线段之间的距离（单位为m），通过计算得出本工翻用钢结构作为引下线产生的电动力为3.8×104N，由计算数据可以看出，当雷电流幅值很大时，其产生的冲击力可达数万N，对于超高层建筑物来说，可能对防雷引下线及相关设施造成损坏，因此在防雷引下线中使用的防雷装置机械强度及其连接方式应进行相应复核。本工程钢结构巨型柱最不利点的承受拉力为9.54×107N>>3.8×104N，校验结果可以看出，在超高层建筑中，利用自身钢结构装置作为防雷引下线，发生雷电时产生的电动力远小于钢结构装置最不利点的承受拉力，满足建筑物的安全性能。
3.防雷措施
雷电的破坏作用有两种: 一是直接击在建筑物上产生热效应作用和电动力作用; 二是雷电流产生的静电感应作用、电磁感应作用及雷电波侵入作用。对前者的防雷措施称为建筑物外部防雷; 对后者的防雷措施称为建筑物内部防雷。(1)建筑物外部防雷措施，建筑物的外部防雷主要是指防直击雷和防侧击雷，保护建筑物本身不遭受雷击，外部防雷装置主要由接闪器、引下线和接地装置组成。(2)建筑物内部防雷，包括防雷电感应及防雷电波入侵。,内部防雷由共用接地装置、等电位联结、屏蔽、电涌保护器等组成，用于减小和防止雷电流在需防护空间内所产生的电磁效应[4]。
4.结语
在超高层建筑工程巾，防雷与接地系统对于建筑物犹如女全保护罩，对建筑物内人员生命和财产安全十分重要。在设十与施工环节，都需要严格把控，笔者认为在严格执行国家强制性技术标准的同时，还需通过相关计算，校验发生雷电时产生的雷电效应对建筑物的防雷与接地装置的影响，尤其是在我国超高层建筑物拔地而起的过程中，不能简单的根据设计规范进行防雷装置的参考选型，还有必要根据建筑物的特点，结合自身的结构特征，力求系统的安全性、简单化和最优化。
参考文献
[1]候超,陈建宾.超高层建筑施工中的顶模系统及核心筒附着爬升式动臂塔吊防雷工法[J].建筑施工,2017,39(11):1678-1680.
[2]尹啸,张青.超高层建筑防雷设计探讨[J].智能建筑电气技术,2015,9(04):22-24+42.
[3]石鸿瑾,左刚,白哲,等.超高层建筑基础筏板接地技术[J].施工技术,2015,44(S1):41-42.
[4]全蜀.超高层建筑利用钢结构防雷雷电效应研究[J].建筑电气,2015,34(01):55-57.
论文作者:杨志辉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/9/10
标签：防雷论文; 钢结构论文; 建筑物论文; 雷电论文; 高层建筑论文; 钢梁论文; 系统论文; 《基层建设》2018年第21期论文;