澳凼第四條跨海大橋防雷系統(tǒng)研究

劉 潮，趙慶吉，韓亞剛

[林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401120]

0 引言

澳凼第四條跨海大橋位于澳門特區(qū)，連接港珠澳大橋，澳門新城區(qū)填海A 區(qū)、E1 區(qū)（見圖1）。主線全長約3.085 km，城市快速路，為連續(xù)鋼桁架梁橋，大橋箱梁及桁架為鋼結(jié)構(gòu)，箱梁距地面或水面高度2.5～38 m，橋墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 項目俯視圖

大橋包括主橋部分及南、北引橋，主線為雙向八車道，其中公路車道共六條，電單車專道兩條，兩側(cè)設(shè)有風(fēng)障及公共管線空間。主橋標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度48.4 m，引橋標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度47.75 m，設(shè)計時速80 km/h。其中2.86 km 位于海面上，其余位于鄰海陸地，周邊無高大構(gòu)筑物。

主橋橫斷面組成為：主橋：6.25 m（管線）+0.5 m（風(fēng)障+護(hù)欄）+12.25 m（行車道）+2.5 m（桁架區(qū)）+3.5 m（電單車道）+0.5 m（護(hù)欄）+3.5 m（電單車道）+2.5 m（桁架區(qū)）+12.25 m（行車道）+0.5 m（風(fēng)障+護(hù)欄）+4.15 m（管線）=48.4 m（見圖2）。

圖2 主橋標(biāo)橫圖

引橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面組成為：6.25 m（管線）+0.5 m（風(fēng)障+護(hù)欄）+12.25 m（行車道）+3.5 m（電單車道）+0.5 m（護(hù)欄）+3.5 m（電單車道）+12.25 m（行車道）+0.5 m（風(fēng)障+護(hù)欄）+3.5 m（管線）=47.75 m。

1 防雷系統(tǒng)研究目的

該橋防雷系統(tǒng)研究，利用滾球法及求圓心法兩種方法，通過作圖及求解方程圓心坐標(biāo)相結(jié)合，確認(rèn)橋面行人及相關(guān)設(shè)施均位于防雷設(shè)施保護(hù)范圍之內(nèi)，滿足雷擊防護(hù)要求，從而證實該項目利用燈桿及橋上相關(guān)金屬構(gòu)件作為防雷接閃裝置，是可行的，經(jīng)濟(jì)的，安全的。

2 防雷計算原則

（1）該大橋防雷設(shè)計，依據(jù)QXT 330-2016《大型橋梁防雷設(shè)計規(guī)范》4.1.3 條規(guī)定，按二類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計。

（2）依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010）5.2.12 條規(guī)定，二類防雷建筑物，滾球半徑hr取值45 m；參考IEC 62305-1 8.3.3 條表4 規(guī)定，二類防雷建筑物，滾球半徑hr 取值30 m；該項設(shè)計采用IEC 標(biāo)準(zhǔn)值30 m進(jìn)行防雷計算。

（3）該項防雷選取距橋面2.2 m高做為保護(hù)面（電單車道行車限高2.2 m，小汽車高度一般低于2.2 m，而大型車輛利用法拉第籠效應(yīng)，保證車內(nèi)人員不受雷擊直接傷害），若防雷保護(hù)范圍內(nèi)滾球經(jīng)過最不利點處保護(hù)高度大于2.2 m，則滿足二類防雷保護(hù)要求。

（4）依據(jù)《橋梁防雷技術(shù)規(guī)范》（GB/T 31067—2014）4.2.5 中“當(dāng)拱肋為鋼結(jié)構(gòu)時，可利用其鋼架作為接閃帶”，該項設(shè)計考慮到鋼桁架受雷電時結(jié)構(gòu)可能受影響，沿拱頂單獨敷設(shè)接閃帶，并通過墩柱單獨引下。

（5）防雷主要考慮利用沿橋布設(shè)路燈燈桿（燈具設(shè)防浪涌裝置實現(xiàn)防雷）作為自然接閃裝置，利用鋼箱梁本身作等電位連接，按照當(dāng)?shù)匾?guī)范及習(xí)慣性做法，增設(shè)鍍錫銅帶作為獨立引下線，利用樁基礎(chǔ)作為自然接地極做法。

主線橋標(biāo)準(zhǔn)段采用等高路燈設(shè)計，該項計算按標(biāo)準(zhǔn)四桿作圖求解；橋墩等下部結(jié)構(gòu)按滾球法作圖求解；其余路段單獨設(shè)置電單車道道路照明，安裝與主線道路照明不同高度路燈，按球面公式求解：因路燈均勻布置，任取路燈四點坐標(biāo)計算半徑為30m 球面方程，求得球心位置，映像至橋面處即為防雷球面離地最小保護(hù)高度的保護(hù)最不利點。

3 防雷計算

該項防雷計算選取主橋段主線橋標(biāo)準(zhǔn)段、引橋加寬段（機(jī)動車道寬度≤17 m）、引橋加寬段（機(jī)動車道寬度17～22 m）、防側(cè)擊雷四部分進(jìn)行防雷計算，采用方法為滾球法。

3.1 主線橋標(biāo)準(zhǔn)段

主線橋標(biāo)準(zhǔn)段部分：斷面最大寬度27 m，兩側(cè)間距25 m布置12 m高路燈，斷面如圖3 所示。

圖3 主線橋橫斷面圖（單位：mm）

該項計算按最不利原則考慮，斷面尺寸取值27 m。防雷設(shè)計利用橋上兩側(cè)燈桿作為接閃裝置，計算原則為四根燈桿桿體一組滾球法計算。通過計算，C 點為橋面防雷計算中最不利點，通過滾球作圖法（見圖4）算得防雷C 處保護(hù)高度為5.70 m，滿足大于2.2 m保護(hù)高度要求。

圖4 滾球作圖法圖示（單位：mm）

結(jié)論：主線橋標(biāo)準(zhǔn)段滿足對橋面的二類防雷保護(hù)要求。

3.2 引橋加寬段（機(jī)動車道寬度≤17 m）、主線橋加寬段、主橋段

引橋加寬段（機(jī)動車道寬度≤17 m）部分：兩側(cè)間距25 m布置12 m高路燈，中分帶間距15 m布置4.5 m高路燈，斷面如圖5 所示。

圖5 引橋加寬段橫斷面圖（一）

若按最不利半幅橋計算防雷滿足要求，則整幅橋均滿足防雷要求。半幅橋按機(jī)動車道加寬至17 m最不利處情況考慮，結(jié)構(gòu)區(qū)3 m，電單車道3.5 m，半幅橋梁總斷面寬度23.5 m。防雷設(shè)計利用橋上兩側(cè)燈桿及電單車道燈桿作為接閃裝置，計算原則為四根燈桿桿體一組滾球法解球面方程計算。對橋面防雷最不利燈桿布置情況出現(xiàn)在兩個高燈桿間平分線與兩個低燈桿之間平分線重合時，防雷俯視圖如圖6所示。

圖6 引橋加寬段防雷俯視圖（一）（單位：mm）

將1、2、3 燈桿坐標(biāo)分別代入球面方程（x-a）2+（y-b）2+（z-c）2=R2得如下三元二次方程組：

根據(jù)上述方程組解得球心C 點坐標(biāo)（12.5，17.495，32.92），此種情況下，球心處投射至橋面的防雷最不利點保護(hù)高度為32.92-30=2.92（m），滿足大于2.2 m保護(hù)高度要求。

因主線橋加寬段、主橋段布燈方式與主線橋加寬段布燈方式相同，半幅機(jī)動車道較17 m小，且主橋中間設(shè)有鋼桁架上避雷帶有利于防雷（高度大于4.5 m），因而主線橋加寬段、南北引橋加寬段（機(jī)動車道寬度≤17 m）及主橋段均滿足二類防雷要求。

結(jié)論：引橋加寬段（機(jī)動車道寬度≤17 m）、主線橋加寬段、主橋段均滿足對橋面的二類防雷保護(hù)要求。

3.3 引橋加寬段（機(jī)動車道寬度17～22 m）

引橋加寬段（機(jī)動車道寬度17～22 m）部分：兩側(cè)間距20 m布置12 m高路燈，中分帶間距15 m布置4.5 m高路燈，斷面如圖7 所示。

圖7 引橋加寬段橫斷面圖（二）（單位：mm）

若按最不利半幅橋計算防雷滿足要求，則整幅橋均滿足防雷要求。半幅橋按機(jī)動車道加寬至22 m最不利處考慮，結(jié)構(gòu)區(qū)3 m，電單車道3.5 m，半幅橋梁總斷面寬度28.5 m。防雷設(shè)計利用橋上兩側(cè)燈桿及電單車道燈桿做為接閃裝置，計算原則為四根燈桿桿體一組滾球法解球面方程計算。對橋面防雷最不利燈桿布置情況出現(xiàn)在兩個高燈桿間平分線與兩個低燈桿之間平分線重合時，防雷俯視圖如圖8 所示。

圖8 引橋加寬段防雷俯視圖（二）（單位：mm）

將1、2、3 燈桿坐標(biāo)分別代入球面方程（x-a）2+（y-b）2+（z-c）2=R2得如下三元二次方程組：

根據(jù)上述方程組解得球心C 點坐標(biāo)（10，19.787，32.21），此種情況下，球心處射至橋面的防雷最不利點保護(hù)高度為32.21-30=2.21（m），滿足大于2.2 m保護(hù)高度要求。結(jié)論：引橋加寬段（機(jī)動車道寬度17～22 m）滿足對橋面的二類防雷保護(hù)要求。

3.4 防側(cè)擊雷

根據(jù)各橋墩處斷面及橋梁立面，橋墩頂部距離地面（水面）高度均不大于40 m，橋墩外輪廓線距離頂部鋼桁架外邊沿均大于2.5 m，圖9 按最不利情況墩頂距離地面或水面40 m、外輪廓線距離桁架邊沿2.5 m考慮，按二類防雷要求繪制30 m滾球半徑沿水面靠近橋梁，當(dāng)滾球獲得水面及鋼箱梁邊沿支撐時，距離橋墩最近點仍有0.93 m距離，橋墩不會受直擊雷，橋墩部分滿足二類防雷要求。

圖9 防側(cè)擊雷立面示意圖（單位：mm）

4 防雷結(jié)論

綜合上述四種情況分析，澳凼第四條跨海大橋利用燈桿作為接閃裝置，橋面設(shè)備、橋上行人行車2.2 m范圍之內(nèi)、橋墩設(shè)施等，均在其保護(hù)范圍之內(nèi)，且均滿足IEC 要求之二類防雷保護(hù)要求。