關于高層建筑防側擊雷等電位連接圓鋼用材規格的探討

梁忠武，周 睿，黃耀磊，尹 娟，周國軍

(1.湘西土家族苗族自治州氣象災害防御技術中心，湖南吉首市 416000；2.永順縣氣象局，湖南永順縣 416700)

現代城市快速發展，高層建筑大量涌現。同時，全球氣候變暖，極端天氣氣候事件頻發，致使雷擊事故時有發生。高層建筑不僅會遭受雷電直擊，還會遭到雷電側擊，形成所謂的側擊雷。高層建筑一旦遭到側擊雷，輕則造成建筑側面的門窗、幕墻、護欄、外掛空調損壞，重則可能造成相關人員的傷亡。高層建筑側擊雷防護是雷電安全工程的重要內容，直接關系到建筑雷電防護的有效性。側擊雷防護中，金屬門窗、護欄等的等電位連接用材起到泄放雷電流的作用，如果等電位連接用材規格偏小，由于雷電的熱效應將導致連接用材的融化，因而等電位連接用材規格的合理性直接關系到能否有效泄放雷電流，進而影響到側擊雷防護的有效性，所以防側擊雷等電位連接用材的研究顯得尤為重要。

關于側擊雷的防護研究，鄧峰等[1-3]研究了玻璃幕墻、金屬門窗、外掛空調等的側擊防護技術，李家啟等[4-5]研究了雷擊繞擊率特征及側擊雷雷電流幅值隨建筑高度的變化情況，而關于側擊雷防護中等電位連接用材規格的研究較少。徐澤芳等[6-7]研究探討了防雷引下線的截面積，在《建筑物防雷設計規范》(GB 50057—2010)(下文簡稱GB50057)[8]中也只給出了等電位連接用材規格的一般要求。在不同建筑高度的情況下，由于側擊雷雷電流幅值大小的不同必然導致所需等電位連接用材規格的不同。通過理論計算分析側擊雷的雷電流幅值隨建筑高度的變化，以及防側擊雷等電位連接用材(圓鋼)規格隨建筑高度的變化，這將對高層建筑防側擊雷等電位連接施工以及降低防護成本起到重要的指導意義。

1 側擊雷及防側擊雷用材的相關要求

根據GB50057，擊距與雷電流強度存在以下關系hr=10I0.65，hr(m)為擊距，即滾球半徑(下統稱為滾球半徑)，I(kA)為雷電流強度。每一個雷電流強度對應一個滾球半徑，當雷電先導頭部發展到離地面物體的距離等于或大于該雷電流強度對應的滾球半徑臨界值時，雷電流將被接閃。由規范對第一、二、三類防雷建筑物定義的滾球半徑(30 、45 、60 m)，可分別計算出對應的有效攔截雷電流幅值為5、10、16 kA[8]。當雷電流幅值高于有效攔截雷電流幅值時，滾球半徑大于臨界值，雷電將擊于接閃器；雷電流小于有效攔截雷電流幅值時，雷電將繞開接閃器擊于被保護物，雷電繞開屋頂接閃器而擊于被保護物的側面時，形成側擊雷，所以側擊雷也可以被看作是一種繞擊雷。從以上定義也可以看出相對于直擊雷，側擊雷的雷電流幅值相對較小，這也決定了側擊雷防護用材區別于直擊雷。

在直擊雷防護中，規范明確規定用作接閃與引下雷電流的圓鋼直徑不少于8 mm，防側擊雷主要考慮高層建筑金屬門窗、護欄的等電位連接用材，GB50057要求用作等電位連接的圓鋼截面積不少于50 mm2，這樣一個規定比較籠統且不夠具體。

2 側擊雷的雷電流幅值計算分析

當建筑的高度低(小)于滾球半徑時，建筑遭受小于滾球半徑所對應雷電流的側擊，雷擊電流相對較小(有效攔截雷電流幅值以下)；但當建筑的高度高(大)于滾球半徑時，高出滾球半徑部分遭側擊雷的雷電流幅值不可預知。這種側擊雷對應的雷電流幅值有多大，其與建筑的高度又有何關系，需要進行計算分析。測量研究表明，自然雷電流幅值大概在200 kA以內[9-10]。

選取GB50057中規定的第二類防雷建筑物，考慮到滾球半徑以下高度部分側擊雷電流的幅值規范已給出，本文側重分析二類防雷建筑對應滾球半徑以上高度部分側擊雷電流幅值的變化，即以防側擊雷起始高度(45 m)對應的雷電流幅值(10 kA)為最小臨界值開始計算分析，并且假定屋面有直擊雷防護裝置。

根據擊距與雷電流強度關系可以得出：I=(hr/10)1.54。如圖1所示，滾球H1的滾球半徑hr對應的雷電流為I0，滾球H2的滾球半徑h對應的雷電流為I1，因此，當I

圖1 建筑物滾球半徑與保護范圍示意圖(圖中H1代表小的滾球，其滾球半徑為hr，對應圖中A點高度；H2代表大的滾球，其滾球半徑為h，對應圖中C點高度；B點位于地面，A、B、C處于同一垂直線。)

若取建筑高度h為100 m，滾球半徑hr為45 m，可計算出I0≈10 kA，I1≈35 kA。即建筑高度低于45 m部分遭受繞擊雷的雷電流幅值范圍為：0 kA

為進一步得到建筑高度與側擊雷雷擊電流幅值之間的關系，本文針對不同建筑高度進行計算，結果如圖2所示。

圖2 二類防雷建筑側擊雷電流幅值區間隨建筑物高度的變化

從圖2可以看出，在滾球半徑以上高度部分，遭受側擊雷雷電流幅值范圍隨著建筑高度的增高而增大。對于二類建筑，在90 m處，其遭受側擊雷雷電流幅值區間在10～30 kA；在150 m處，其遭受側擊雷雷電流幅值區間在10～65 kA。側擊雷雷電流幅值隨建筑高度的增高而增大將導致防側擊雷所需材料規格的變化。

3 防側擊雷等電位連接用材截面積的計算分析

雷電流通過金屬導體時，若金屬導體的截面積不夠大，可能使導體融化，甚至引發火災。在側擊雷的作用下，等電位連接導體的截面積應滿足一定規格要求，才能保證泄流的有效性。以上的計算表明，隨著建筑高度的增加側擊雷電流幅值也會增大，最終也將導致所需導體材料規格的變化，通過理論計算分析等電位連接用材規格的變化。

考慮首次雷擊的情形，并假定雷電流以同樣的波形重復5次，一次雷電平均包括3～4次放電[11-12]。因此，在單位長度的鋼筋里由一次雷電產生的總熱量[6,13-14]為

(1)

式(1)中i為隨時間變化的雷電流(kA)，ρ為鋼筋的平均電阻率(Ω·mm)，S 為鋼筋的截面積(mm2)，t為時間變量(s)。

單位長度(1 mm)鋼筋里的內能變量為

Q′=CgSΔT。

(2)

式(2)中C為鋼筋的平均比熱容，取0.458 J/ g·℃；g 為鋼筋的密度7.85×10-3g/mm3；ΔT為從正常溫度升高到某一溫度的溫度增量(℃)。

根據(1)、(2)式 計算得到

(3)

鋼升高到某溫度時的電阻率ρ1可按下式計算

ρ1=ρ0(1+4.5×10-3ΔT+5.8×10-6ΔT2) 。

(4)

式中ρ0為鋼在正常溫度(設為40 ℃)時的電阻率,可為(12～16)×10-5Ω·mm，計算時取ρ0=14×10-5Ω·mm。

側擊雷電流流過圓鋼后，其最高溫度按80～100 ℃考慮，考慮側擊雷的分流系數Kc=0.44(等同于多根引下線的情形)，則有

S=0.44Im(6 569.42ρ/CgΔT)1/2=π(d/2)2。

(5)

式(5)中d為圓鋼直徑。

如果鋼的最終溫度按100 ℃計算，則ΔT=60 ℃，計算得到d=1.15(Im)1/2；如果鋼的最終溫度按80 ℃計算，則ΔT=40 ℃，計算得到d=1.26(Im)1/2。

結合本文第2部分中關于建筑高度與側擊雷最大雷電流幅值的關系，可以計算得到不同高度的建筑防側擊雷等電位連接圓鋼用材所需的最大規格，計算結果如表1所示。從表1可以看出，隨著建筑高度的增加，防側擊雷等電位連接所需圓鋼的最大直徑也在增大，不同于規范中對引下線最小規格d=8 mm的要求，防側擊雷等電位連接所需圓鋼最大直徑可能小于8 mm也可能大于8 mm，例如當建筑高度在90 m時，所需的最大圓鋼直徑約在7 mm；當建筑高度達到150 m時，所需的最大圓鋼直徑約在10 mm。如果考慮第二類防雷建筑物的最大雷電流150 kA(當作側擊雷電流)，當鋼的允許溫度增量為60 ℃時，可計算得到圓鋼直徑d=14.08 mm是最大值；當鋼的允許溫度增量為40 ℃時，圓鋼直徑d=15.43 mm是最大值。

表1 不同建筑高度下防側擊雷等電位連接圓鋼最大直徑 mm

4 結論與討論

利用GB50057中擊距與雷電流之間的關系及熱力學相關定律，計算分析了側擊雷的雷電流幅值隨建筑高度的變化，以及防側擊雷等電位連接圓鋼用材規格隨建筑高度的變化，得到以下結論。

(1)建筑高度越高，側擊雷的雷電流幅值范圍越大，遭受的側擊雷雷電流幅值將越大。

(2)建筑高度越高，防側擊雷等電位連接圓鋼用材所需直徑越大，并且防側擊雷等電位連接的最大圓鋼直徑與建筑高度之間基本上呈線性增長關系。

(3)考慮二類防雷建筑物，分流系數為0.44時，以150 kA作為最大側擊雷電流，當鋼的允許溫度增量為60 ℃時，圓鋼直徑與雷電流關系式為d=1.15(Im)1/2，圓鋼直徑d=14.08 mm是最大值，當鋼的允許溫度增量為40 ℃時，圓鋼直徑與雷電流關系式為d=1.26(Im)1/2，圓鋼直徑d=15.43 mm是最大值。

(4)實際高樓里的鋼筋是成網狀鏈接的，雷電流的散流更為復雜，本文計算分析時進行了簡化，因而本文研究得到的圓鋼直徑和實際所需圓鋼直徑可能存在一定差異，有待進一步研究。