大跨度建筑物防雷電側(cè)擊探究

徐彬彬 彭哲文 劉日棋

(麗水市防雷中心,浙江麗水 323000)

大跨度建筑物防雷電側(cè)擊探究

徐彬彬 彭哲文 劉日棋

(麗水市防雷中心,浙江麗水 323000)

近年來,隨著地方經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,群眾的精神文化及體育健身要求也越來越高,隨之配套的大型場館不斷拔地而起,該類建筑為了滿足其功能要求,往往設(shè)計(jì)為大跨度結(jié)構(gòu),此類建筑外形設(shè)計(jì)對(duì)雷電防護(hù)提出了更特別的要求,其外形特點(diǎn)決定不能按照普通防雷電側(cè)擊方法對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。必須探究與其相適應(yīng)的新型防雷電側(cè)擊方法。

大跨度建筑物 防雷電側(cè)擊

隨著人類文體活動(dòng)的要求不斷增長，大跨度、大空間，無立柱支撐結(jié)構(gòu)的建筑物因其內(nèi)部空間不受限制，可以滿足舉辦大型展覽，大型體育活動(dòng)又不受天氣影響的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們青睞。早在公元前27年，羅馬城內(nèi)就已經(jīng)建造了穹頂直徑達(dá)43.3m且無立柱支撐的萬神廟。近年來，隨著我國國力的增強(qiáng)，大型體育及博覽會(huì)不斷在國內(nèi)舉辦，大跨度結(jié)構(gòu)的建筑物層出不窮，國家大劇院，世博文化中心等都是近期的新建項(xiàng)目，這些建筑外形線條優(yōu)美，渾然天成，但對(duì)雷電防護(hù)卻提出了新的要求，本文將根據(jù)國標(biāo)的基本原則，就鵝蛋形大跨度建筑物如何防護(hù)雷電側(cè)擊進(jìn)行探討。

圖1

圖2

圖3

1 大跨度建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

由多根桿件按照某種規(guī)律的幾何圖形通過節(jié)點(diǎn)連接起來的空間結(jié)構(gòu)稱之為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中雙層或多層平板形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架。它通常是采用鋼管或型鋼材料制作而成。

圖4

圖5

圖6

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式：(1)平面桁架系組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：兩向正交正放網(wǎng)架、兩向斜交斜放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、三向網(wǎng)架等型式。(2)四角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架、星型四角錐網(wǎng)架、單向折線型網(wǎng)架等型式。(3)三角錐組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：三角錐網(wǎng)架、抽空三角錐網(wǎng)架(分Ⅰ型和Ⅱ型)、蜂窩形三角錐網(wǎng)架等型式。(4)六角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要形式有：正六角錐網(wǎng)架。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)為傳力途徑簡捷；重量輕、剛度大、抗震性能好；施工安裝簡便；網(wǎng)架桿件和節(jié)點(diǎn)便于定型化、商品化、可在工廠中成批生產(chǎn)，有利于提高生產(chǎn)效率；網(wǎng)架的 平面布置靈活，屋蓋平整，有利于吊頂、安裝管道和設(shè)備；網(wǎng)架的建筑造型輕巧、美觀、大方，便于建筑處理和裝飾。

1.2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

曲面形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，有單層網(wǎng)殼和雙層網(wǎng)殼之分。網(wǎng)殼的用材主要有鋼網(wǎng)殼、木網(wǎng)殼、鋼筋混凝土網(wǎng)殼等。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形式主要有球面網(wǎng)殼、雙曲面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼等。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)兼有桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特性，桿件比較單一，受力比較合理；結(jié)構(gòu)的剛度大、跨越能力大；可以用小型構(gòu)件組裝成大型空間，小型構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)可以在工廠預(yù)制；安裝簡便，不需大型機(jī)具設(shè)備，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好；造型豐富多彩，不論是建筑平面還是空間曲面外形，都可根據(jù)創(chuàng)作要求任意選取。

1.3 懸索結(jié)構(gòu)

懸索結(jié)構(gòu)是以能受拉的索作為基本承重構(gòu)件，并將索按照一定規(guī)律布置所構(gòu)成的一類結(jié)構(gòu)體系，懸索屋蓋結(jié)構(gòu)通常由懸索系統(tǒng)，屋面系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)三部分構(gòu)成。用于 懸索結(jié)構(gòu)的鋼索大多采用由高強(qiáng)鋼絲組成的平行鋼絲束，鋼絞線或鋼纜繩等，也可采用圓鋼、型鋼、帶鋼或鋼板等材料。

懸索結(jié)構(gòu)形式：懸索結(jié)構(gòu)按索的布置方向和層數(shù)分為：單向單層懸索結(jié)構(gòu)；輻射式單層懸索結(jié)構(gòu)；雙向單層懸索結(jié)構(gòu)；單向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)；輻射式預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)；雙向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。

懸索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：懸索結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是僅通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載的作用，結(jié)構(gòu)中不出現(xiàn)彎距和剪力效應(yīng)，可充分利用鋼材的強(qiáng)度；懸索結(jié)構(gòu)形式多樣，布置靈活，并能適應(yīng)多種建筑平面；由于鋼索的自重很小，屋蓋結(jié)構(gòu)較輕，安裝不需要大型起重設(shè)備，但懸索結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)理論與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，比較復(fù)雜，限制了它的廣泛應(yīng)用。

除以上幾種空間結(jié)構(gòu)外，尚有組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、管桁結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、點(diǎn)連接玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等幾種常用空間結(jié)構(gòu)，都有自身的特點(diǎn)和實(shí)用范圍。比如點(diǎn)連接式玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)能利用玻璃的透明特性追求建筑物內(nèi)外空間的溝通和融合，人們可以透過玻璃清楚地看到支承玻璃面板的整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不僅起到支承作用，而且具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)功能；索穹頂結(jié)構(gòu)則完全體現(xiàn)了fuller關(guān)于“壓桿的孤島存在于拉桿的海洋中”的思想，是由連續(xù)的拉索和不連續(xù)的壓桿組成的一各受力合理、結(jié)構(gòu)效率極高的結(jié)構(gòu)體系。

2 大跨度建筑物防側(cè)擊雷探索

近年來，大跨度建筑物不斷的拔地而起，由于其建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其覆蓋面積廣，建筑高度相對(duì)較低，根據(jù)國標(biāo)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010版，在各地區(qū)的防雷設(shè)計(jì)審核中，往往把該類建筑物劃歸為二類人員密集場所，要求做好相應(yīng)的防直擊雷措施，防雷電感應(yīng)及雷電波入侵措施，而對(duì)于更為重要的防雷電側(cè)擊措施，卻往往因?yàn)槠浣ㄖ叨任催_(dá)到國標(biāo)的45m的起始高度而未提出相應(yīng)要求，因此，設(shè)計(jì)方在設(shè)計(jì)中未考慮其相應(yīng)的防側(cè)擊雷設(shè)計(jì)，導(dǎo)致施工過程中缺乏側(cè)擊雷措施的施工過程，為以后該類建筑的安全使用埋下了安全隱患。

大跨度建筑物大量采用結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，安裝方便的鋼結(jié)構(gòu)，部分殼體建筑外表面還采用金屬覆板，而空中雷云等效帶電中心向地面分級(jí)發(fā)展是電場畸變和能量損耗過程，同時(shí)也是一個(gè)尋找最佳能量釋放途徑的過程，發(fā)展方向是隨機(jī)的，依據(jù)頭部附近空中電場畸變結(jié)果而不斷調(diào)整，其對(duì)某一目的物的定位決定于先導(dǎo)前方電場的強(qiáng)度和分布情況，隨機(jī)的雷電先導(dǎo)每一次分級(jí)躍變都是選擇的必然結(jié)果。雷電先導(dǎo)電場的大小，是接閃器產(chǎn)生迎面先導(dǎo)大小的決定因素。接閃器迎面先導(dǎo)對(duì)隨機(jī)雷電先導(dǎo)的攔截能力，是后者能否對(duì)接閃器定位的關(guān)鍵。不同材質(zhì)、不同形狀處在不同高度的接閃器，發(fā)生迎面先導(dǎo)的能力不同，對(duì)雷電先導(dǎo)的攔截高度不同，亦即最后定位高度不同，因此，跟普通高層建筑物只在頂端安裝有接閃器的部分容易產(chǎn)生迎面先導(dǎo)不同，大跨度建筑物整個(gè)外表面發(fā)展成迎面先導(dǎo)的機(jī)會(huì)基本均等，對(duì)其進(jìn)行側(cè)擊雷的防護(hù)，不能一味死板的按照50057-2010的要求，從45m高度開始采取側(cè)擊雷的措施，而是應(yīng)該根據(jù)更加科學(xué)的雷電擊距原理和滾球法原理對(duì)起始高度進(jìn)行更加嚴(yán)格的計(jì)算。

如圖1所示，該建筑為某市一新建體育館，外形為新型殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為鋼結(jié)構(gòu)，高度33.0m，表面覆蓋鋁板，頂部分布36個(gè)導(dǎo)光管。主體分兩個(gè)部分，東側(cè)為一會(huì)展中心，西部為體育館，可以承辦國家級(jí)賽事。

按照常規(guī)防雷設(shè)計(jì)審核標(biāo)準(zhǔn)，將其劃歸為二類防雷建筑物，因其主體高度為33m，未達(dá)到二類防雷建筑物從45m起采取防側(cè)擊雷措施的標(biāo)準(zhǔn)，因此，初步審核可以不做防側(cè)擊雷措施。我們采用滾球法，對(duì)其建筑物外立面進(jìn)行滾球計(jì)算，以地面為45m半徑滾球的一個(gè)支點(diǎn)，沿著建筑物外表面進(jìn)行滾動(dòng)。東西軸滾球示意圖(圖2所示)，滾球與建筑物的觸點(diǎn)，東面為29.65m(圖3所示)，西面為13.26m(圖4所示)，南北軸線滾球觸點(diǎn)為8.802m(圖5所示)，南北軸滾球示意圖(圖6所示)。

根據(jù)圖示，滾球與建筑物觸點(diǎn)都低于45m以下，觸點(diǎn)其上的空間，從圖示效果來看，都處于雷擊非保護(hù)區(qū)。該項(xiàng)目的防側(cè)擊雷設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮在防雷設(shè)計(jì)中，且其起始高度應(yīng)從觸點(diǎn)最低點(diǎn)8.802m開始。其次，還有一些圓殼體類建筑的側(cè)擊雷起始高度分析，應(yīng)當(dāng)根據(jù)滾球作圖法，在地面上尋找一個(gè)支點(diǎn)，取滾球面與建筑物表面相切的點(diǎn)作為起始高度，從該高度開始，做防側(cè)擊雷的措施，才能保證建筑物主體的安全。

3 綜合結(jié)論

根據(jù)本文的分析，在二類建筑防側(cè)擊雷的問題上，廣大的防雷工作者對(duì)報(bào)審的建筑物應(yīng)該區(qū)別對(duì)待，普通長方體類住宅或商業(yè)用房，我們可以根據(jù)國標(biāo)的規(guī)定，對(duì)其45m高度以上要求做防側(cè)擊雷措施，但對(duì)那些大跨度的建筑物，不能籠統(tǒng)的認(rèn)為其高度較低而不用防側(cè)擊雷，而應(yīng)該根據(jù)其外表面特點(diǎn)，采用滾球法確定其防側(cè)擊雷高度，保證建筑物在今后使用中免受雷電困擾，給建筑開發(fā)單位及用戶一個(gè)安全的保證。

[1]王惠忱《雷電擾擊機(jī)理分析》.HIGH VOLTAGE ENGINEERING,1999,9．

[2]《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010.