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摘 要 介绍广州市政府的重点建设项目——新电视塔的综合防雷措施。作为广州地标性建筑和城市形象标志的重点建设项目,广州新电视塔为钢结构建筑。针对钢结构超高层建筑的综合防雷装置设计问题,结合广州气象条件、雷电分布、环境条件、钢结构等特点,提出关于外部防雷和内部防雷的综合防护措施。该超高层建筑物的综合防雷装置设计分为两部分:外部防雷和内部防雷。外部防雷措施包括:接闪器(针、网、带和线)、引下线、屏蔽和共用接地系统,内部防雷措施包括:共用接地系统、屏蔽(隔离)、等电位连接、合理布线和安装浪涌保护器(SPD)。
关键词 超高层建筑物;钢结构;综合防雷
中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)092-0149-02
1 项目概况
为迎接2010年第十六届亚运会,广州市政府于2007年开始建设重点建设项目——广州新电视塔,总投资约22亿元,建成后有望成为世界最高的电视塔。新电视塔一座以观光旅游为主,并具有广播电视发射、文化娱乐功能的大型基础设施,总高610米,总建筑面积约11万平方米,总占地面积约8.4万平方米。新电视塔外部钢结构由24根立柱、斜撑和圆环交叉构成,内部为椭圆形混凝土核心筒,塔身高454米,上部天线桅杆高156米。组合楼面沿整个塔体高度按功能层分组,共约37个楼层。新电视塔地下室共两层,-10.00米标高层面积约1.2万平方米,主要是设备用房及发展用房;-5.00标高层面积约3万平方米,为地下停车库兼作电视塔入口平台。±0.00层面积约3万平方米,功能为展览馆;+6.80米标高层为钢筋混凝土结构的架空平台层,面积约为3万平方米;功能层楼板为压型钢板与钢筋混凝土的组合楼板结构;核心筒为钢筋混凝土结构,椭圆平面尺寸为17米×14米。钢结构外筒:24根钢管混凝土立柱为圆锥形柱,柱截面由底部(+6.80)的钢管直径2米连续渐变至顶部
(+454.00)的1.2米,钢管壁厚度为50毫米、40毫米和30毫米,柱内填充C60混凝土;环梁共46组钢管,截面尺寸为φ700和φ800,钢管壁厚度为30毫米和25毫米;斜撑截面尺寸为φ700、φ800和φ850,钢管壁厚度为40毫米和30毫米。楼层及水平支撑:主梁采用H型钢截面,跨度介于10米～32米,高度介于0.6米～1.5米之间;次梁采用H型钢截面,间距约3米,高度约为0.35米;采用压型钢板兼作楼板混凝土模板。在钢结构外筒和核心筒之间设置了三层钢结构水平支撑。
2 现实气象环境
风、雨、雷电、高温等构成的不利气候条件始终是建筑施工,特别是超高层建筑施工的一大威胁。广州新电视塔施工周期长达3年,且电视塔地处广州——雷暴日高达87.6天/年的雷电高发区域,对于不利气候的防御显得尤为重要。利用广东省闪电定位系统对新电视塔经纬度“23.109294,113.320203”的定点数据统计,2009年新电视塔半径1000米范围内合计发生云地闪103个,主要集中在3-9月。尤其以6月、8月为盛(见图1)。可见超高层建筑物的综合防雷极为重要。
3 外部雷击防护
广州新电视塔拥有超高的自身高度,防雷类别为二类防雷建筑物。该建筑物地处珠江江边,接闪可能性极大。宜利用自身钢结构,作为其接闪器、引下线、接地体来释放强大雷电流。
图 1
3.1 接闪器
根据我国防雷规范的要求,高层建筑一般都采用避雷针、避雷带和避雷网作接闪器,利用金属导体引下,由接地极泄流入地的这一传统防雷方法防直击雷。当建筑高度超过30m时,不仅要防直击雷,而且要防侧击雷。因为侧击雷是从侧面打来的,建筑物顶部的避雷设施并不能完全保护住楼体,所以对一般的超高层建筑物往往需要另外加设保护。
广州新电视塔利用桅杆天线和转换桁架作接闪器,桅杆天线高156米,下部采用格构式钢结构,上部采用全钢板焊接;平面形状为方形,底部平面轮廓为10米×10米,顶部平面轮廓为1米×1米。转换桁架上下弦杆采用600×1200的箱形梁,斜杆采用600×1000的箱形梁,竖杆为φ600的圆钢管,桁架与外筒钢管柱的连接形式为铰接。且前文已提及,电视塔的外部为全钢结构,因此可将电视塔外墙视为全钢结构的法拉第笼,因此不需要再加装防侧击雷装置。
3.2 引下线
主钢架、次构件、围护系统在施工中已经作了可靠的连接,形成了持久的电气通路。因此,只要设置了可靠的接地装置,就可以按跨度将钢柱作为引下线。这一点,《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94,2000版)第4.2.3条已经作了规定。当然,规范对各类防雷建筑物的引下线间距做了要求,不过在土建施工时,只要所有的钢柱和接闪器、接地装置做了可靠连接,那么它们都是引下线,实际效果超过了规范的标准。
针对《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94,2000版)第4.2.5条的规定,即是否要对地上1.7m至地下0.3m一段作为引下线的钢柱采取保护措施,笔者认为没必要。1)不用担心钢柱容易受到机械损坏;2)从广州新电视塔的建筑体系看,距地有1.2m高的砖墙或者加气混凝土砌块,对人身接触有一定的防护;3)钢柱本身做了防腐处理,含绝缘被覆层,也起到一定的防护作用。另外,此条规定的条文说明指出它适合设断接卡子的情况,而根据规范第4.2.4条,当利用钢柱做引下线同时采用基础接地体时是可以不设断接卡的。但在电视塔外围应设置接地测试端子。
3.3 接地装置
在现行设计中,一般将基础钢筋作为自然接地体,用40X4的镀锌扁钢将其连通,并施行总等电位联结。这样进行处理,接地电阻很小,一般容易达到设计要求。在设计中应当注意,应在室外合适位置预留接地连接板,做法可以参考国家标准图集《防雷与接地安装》(D501-1～4)、《建筑物防雷设施安装》(99D501-1、99(03)D501-1)。这样,当接地电阻值达不到要求时,施工单位可以方便地连接人工接地体和测试接地电阻值,这一点应当在设计图纸中有所体现。
另外,在设计图纸中,不能泛泛而谈“利用建筑物基础钢筋做自然接地体”。前面已经提到,轻钢结构建筑物在基础施工时需预埋地脚螺栓,加垫片后才能和钢柱相连。须知:预埋的接地螺栓本身和基础钢筋是没有电气连接的!所以,土建施工时可用不小于φ10钢筋或圆钢将基础钢筋和接地螺栓可靠焊接,具体做法参见国家标准图集《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》(03D501-3)。这样,从接闪器到引下线,再到接地装置,雷电流才具备完整的泄放通道。这样做还不够,还应该用短钢筋和基础钢筋可靠焊接,并引出基础外,供联结接地环网,方有利于降低自然接地体的接地电阻值和实施有效的等电位联结。这一点对于设置独立基础的轻钢结构建筑尤其重要,所以有必要在设计图纸中交待清楚。
如果忽视了轻钢结构建筑物接地装置的特殊性,即基础钢筋和接地螺栓本身并没有电气连接这一事实,造成的后果则是整个建筑物没有可靠的接地网。采取的补救措施是用40X4的镀锌扁钢做等电位环网,镀锌扁钢过钢柱时应和柱底脚板下侧可靠焊接,这样,镀锌扁钢充当了接地极和接地线的双重角色。
除等电位接地环网沿建筑物外围敷设一周外,在建筑物内还应该按跨度设置均压网格,不但降低跨步电压,保护人身安全,而且有利于工业厂房生产设备就地实施等电位联结,缩短等电位联结线的长度。
4 内部防雷
感应雷的防护措施是对雷云发生自闪、云际闪、云地闪时,在进入建筑物的各类金属管、线上所产生雷电脉冲起限制作用,从而保护建筑物内人员及各种电气设备的安全。采取的措施应根据各种设备的具体情况,除要有良好的接地和布线系统,安全距离外,还要按供电线路,电源线、信号线、通信线、馈线的情况安装相应避雷器以及采取屏蔽措施。
电源和信号浪涌保护器的选用及安装:
1)1米导线在10kA(8/20ms)冲击电流下的残压为U=L di/dt,U=1200V,1米相当于1微亨。为了使进入保护设备的冲击残压最低,图3比图2正确。当防短路保护装置与一个浪涌保护器串联时,电线长度L必须尽可能短(如图4)。
图2 该接线图所示进入Ur高于被保护设备上浪涌保护器的残压Up
图3 进入设备的电压Ur等于浪涌保护器残压Up
2)防短路保护元件的选择。通常浪涌保护器老化后其热脱扣装置能使浪涌保护器自动脱离工作状态。但偶然情况仍不能完全排除因雷击能量过大,使浪涌保护器过载造成部分短路。为防止内部短路而影响电网工作运行,所有电源浪涌保护器上端应考虑安装保护熔丝或空气开关(可按表1内技术参数选择)。
3)浪涌保护器与被保护物之间的距离设置。为保证强大雷电流的泄流,浪涌保护器必须尽可能地靠近被保护设备,之间的距离d1不应大于10米,如果大于10米,应在靠近被保护设备前再加装一级浪涌保护器(如图5)。
图5
同时应注意,当再线路上多处安装SPD时,SPD之间的线路长度应按试验数据采用;若无此试验数据时,电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10m,若小于10m应加装退耦元件。限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m,若小于5m应加装退耦元件(如图6)。
图6
4)等电位。在同一个保护区域,必须保证每个设备都使用同一个参考地电位,从而避免由于一个地电位升高时,由导线连接的设备之间由于参考电位不同而产生电位差。如不能直接相连的接地体,要保证其安全距离符合《建筑物防雷设计规范(GB50057-94 2000年版)》的相关要求。
5 结束语
雷电对超高层建筑物的损害途径是多方面的。本文主要对超高层建筑物遭受雷击损害的主要大原因,以及可能的侵入途径作了初步的分析,同时对超高层建筑物的防雷保护技术进行了相应的介绍。需要说明的是,防雷保护是一个比较复杂的问题,对超高层建筑物的防雷保护设计不仅取决于防雷装置的性能,更重要的是在超高层建筑物的设计施工之前,就要考虑到该建筑物所处的地理气象环境,设计合适的综合防雷设备。
参考文献
[1]卢启东,等.浅谈超高层建筑的防雷与接地[J].建筑设计,2009,44.
[2]国家机械工业局设计研究院.建筑物防雷设计规范(GB50057-94 2000年版)[M].中国建设部,2000.
[3]中国建筑标准设计研究院.防雷与接地安装[M].中国计划出版社,2007.
[4]刘兴顺,等.建筑物电子信息系统防雷技术设计手册[M].北京,中国建筑工业出版社,2004.
关键词 超高层建筑物;钢结构;综合防雷
中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)092-0149-02
1 项目概况
为迎接2010年第十六届亚运会,广州市政府于2007年开始建设重点建设项目——广州新电视塔,总投资约22亿元,建成后有望成为世界最高的电视塔。新电视塔一座以观光旅游为主,并具有广播电视发射、文化娱乐功能的大型基础设施,总高610米,总建筑面积约11万平方米,总占地面积约8.4万平方米。新电视塔外部钢结构由24根立柱、斜撑和圆环交叉构成,内部为椭圆形混凝土核心筒,塔身高454米,上部天线桅杆高156米。组合楼面沿整个塔体高度按功能层分组,共约37个楼层。新电视塔地下室共两层,-10.00米标高层面积约1.2万平方米,主要是设备用房及发展用房;-5.00标高层面积约3万平方米,为地下停车库兼作电视塔入口平台。±0.00层面积约3万平方米,功能为展览馆;+6.80米标高层为钢筋混凝土结构的架空平台层,面积约为3万平方米;功能层楼板为压型钢板与钢筋混凝土的组合楼板结构;核心筒为钢筋混凝土结构,椭圆平面尺寸为17米×14米。钢结构外筒:24根钢管混凝土立柱为圆锥形柱,柱截面由底部(+6.80)的钢管直径2米连续渐变至顶部
(+454.00)的1.2米,钢管壁厚度为50毫米、40毫米和30毫米,柱内填充C60混凝土;环梁共46组钢管,截面尺寸为φ700和φ800,钢管壁厚度为30毫米和25毫米;斜撑截面尺寸为φ700、φ800和φ850,钢管壁厚度为40毫米和30毫米。楼层及水平支撑:主梁采用H型钢截面,跨度介于10米～32米,高度介于0.6米～1.5米之间;次梁采用H型钢截面,间距约3米,高度约为0.35米;采用压型钢板兼作楼板混凝土模板。在钢结构外筒和核心筒之间设置了三层钢结构水平支撑。
2 现实气象环境
风、雨、雷电、高温等构成的不利气候条件始终是建筑施工,特别是超高层建筑施工的一大威胁。广州新电视塔施工周期长达3年,且电视塔地处广州——雷暴日高达87.6天/年的雷电高发区域,对于不利气候的防御显得尤为重要。利用广东省闪电定位系统对新电视塔经纬度“23.109294,113.320203”的定点数据统计,2009年新电视塔半径1000米范围内合计发生云地闪103个,主要集中在3-9月。尤其以6月、8月为盛(见图1)。可见超高层建筑物的综合防雷极为重要。
3 外部雷击防护
广州新电视塔拥有超高的自身高度,防雷类别为二类防雷建筑物。该建筑物地处珠江江边,接闪可能性极大。宜利用自身钢结构,作为其接闪器、引下线、接地体来释放强大雷电流。
图 1
3.1 接闪器
根据我国防雷规范的要求,高层建筑一般都采用避雷针、避雷带和避雷网作接闪器,利用金属导体引下,由接地极泄流入地的这一传统防雷方法防直击雷。当建筑高度超过30m时,不仅要防直击雷,而且要防侧击雷。因为侧击雷是从侧面打来的,建筑物顶部的避雷设施并不能完全保护住楼体,所以对一般的超高层建筑物往往需要另外加设保护。
广州新电视塔利用桅杆天线和转换桁架作接闪器,桅杆天线高156米,下部采用格构式钢结构,上部采用全钢板焊接;平面形状为方形,底部平面轮廓为10米×10米,顶部平面轮廓为1米×1米。转换桁架上下弦杆采用600×1200的箱形梁,斜杆采用600×1000的箱形梁,竖杆为φ600的圆钢管,桁架与外筒钢管柱的连接形式为铰接。且前文已提及,电视塔的外部为全钢结构,因此可将电视塔外墙视为全钢结构的法拉第笼,因此不需要再加装防侧击雷装置。
3.2 引下线
主钢架、次构件、围护系统在施工中已经作了可靠的连接,形成了持久的电气通路。因此,只要设置了可靠的接地装置,就可以按跨度将钢柱作为引下线。这一点,《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94,2000版)第4.2.3条已经作了规定。当然,规范对各类防雷建筑物的引下线间距做了要求,不过在土建施工时,只要所有的钢柱和接闪器、接地装置做了可靠连接,那么它们都是引下线,实际效果超过了规范的标准。
针对《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94,2000版)第4.2.5条的规定,即是否要对地上1.7m至地下0.3m一段作为引下线的钢柱采取保护措施,笔者认为没必要。1)不用担心钢柱容易受到机械损坏;2)从广州新电视塔的建筑体系看,距地有1.2m高的砖墙或者加气混凝土砌块,对人身接触有一定的防护;3)钢柱本身做了防腐处理,含绝缘被覆层,也起到一定的防护作用。另外,此条规定的条文说明指出它适合设断接卡子的情况,而根据规范第4.2.4条,当利用钢柱做引下线同时采用基础接地体时是可以不设断接卡的。但在电视塔外围应设置接地测试端子。
3.3 接地装置
在现行设计中,一般将基础钢筋作为自然接地体,用40X4的镀锌扁钢将其连通,并施行总等电位联结。这样进行处理,接地电阻很小,一般容易达到设计要求。在设计中应当注意,应在室外合适位置预留接地连接板,做法可以参考国家标准图集《防雷与接地安装》(D501-1～4)、《建筑物防雷设施安装》(99D501-1、99(03)D501-1)。这样,当接地电阻值达不到要求时,施工单位可以方便地连接人工接地体和测试接地电阻值,这一点应当在设计图纸中有所体现。
另外,在设计图纸中,不能泛泛而谈“利用建筑物基础钢筋做自然接地体”。前面已经提到,轻钢结构建筑物在基础施工时需预埋地脚螺栓,加垫片后才能和钢柱相连。须知:预埋的接地螺栓本身和基础钢筋是没有电气连接的!所以,土建施工时可用不小于φ10钢筋或圆钢将基础钢筋和接地螺栓可靠焊接,具体做法参见国家标准图集《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》(03D501-3)。这样,从接闪器到引下线,再到接地装置,雷电流才具备完整的泄放通道。这样做还不够,还应该用短钢筋和基础钢筋可靠焊接,并引出基础外,供联结接地环网,方有利于降低自然接地体的接地电阻值和实施有效的等电位联结。这一点对于设置独立基础的轻钢结构建筑尤其重要,所以有必要在设计图纸中交待清楚。
如果忽视了轻钢结构建筑物接地装置的特殊性,即基础钢筋和接地螺栓本身并没有电气连接这一事实,造成的后果则是整个建筑物没有可靠的接地网。采取的补救措施是用40X4的镀锌扁钢做等电位环网,镀锌扁钢过钢柱时应和柱底脚板下侧可靠焊接,这样,镀锌扁钢充当了接地极和接地线的双重角色。
除等电位接地环网沿建筑物外围敷设一周外,在建筑物内还应该按跨度设置均压网格,不但降低跨步电压,保护人身安全,而且有利于工业厂房生产设备就地实施等电位联结,缩短等电位联结线的长度。
4 内部防雷
感应雷的防护措施是对雷云发生自闪、云际闪、云地闪时,在进入建筑物的各类金属管、线上所产生雷电脉冲起限制作用,从而保护建筑物内人员及各种电气设备的安全。采取的措施应根据各种设备的具体情况,除要有良好的接地和布线系统,安全距离外,还要按供电线路,电源线、信号线、通信线、馈线的情况安装相应避雷器以及采取屏蔽措施。
电源和信号浪涌保护器的选用及安装:
1)1米导线在10kA(8/20ms)冲击电流下的残压为U=L di/dt,U=1200V,1米相当于1微亨。为了使进入保护设备的冲击残压最低,图3比图2正确。当防短路保护装置与一个浪涌保护器串联时,电线长度L必须尽可能短(如图4)。
图2 该接线图所示进入Ur高于被保护设备上浪涌保护器的残压Up
图3 进入设备的电压Ur等于浪涌保护器残压Up
2)防短路保护元件的选择。通常浪涌保护器老化后其热脱扣装置能使浪涌保护器自动脱离工作状态。但偶然情况仍不能完全排除因雷击能量过大,使浪涌保护器过载造成部分短路。为防止内部短路而影响电网工作运行,所有电源浪涌保护器上端应考虑安装保护熔丝或空气开关(可按表1内技术参数选择)。
3)浪涌保护器与被保护物之间的距离设置。为保证强大雷电流的泄流,浪涌保护器必须尽可能地靠近被保护设备,之间的距离d1不应大于10米,如果大于10米,应在靠近被保护设备前再加装一级浪涌保护器(如图5)。
图5
同时应注意,当再线路上多处安装SPD时,SPD之间的线路长度应按试验数据采用;若无此试验数据时,电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10m,若小于10m应加装退耦元件。限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m,若小于5m应加装退耦元件(如图6)。
图6
4)等电位。在同一个保护区域,必须保证每个设备都使用同一个参考地电位,从而避免由于一个地电位升高时,由导线连接的设备之间由于参考电位不同而产生电位差。如不能直接相连的接地体,要保证其安全距离符合《建筑物防雷设计规范(GB50057-94 2000年版)》的相关要求。
5 结束语
雷电对超高层建筑物的损害途径是多方面的。本文主要对超高层建筑物遭受雷击损害的主要大原因,以及可能的侵入途径作了初步的分析,同时对超高层建筑物的防雷保护技术进行了相应的介绍。需要说明的是,防雷保护是一个比较复杂的问题,对超高层建筑物的防雷保护设计不仅取决于防雷装置的性能,更重要的是在超高层建筑物的设计施工之前,就要考虑到该建筑物所处的地理气象环境,设计合适的综合防雷设备。
参考文献
[1]卢启东,等.浅谈超高层建筑的防雷与接地[J].建筑设计,2009,44.
[2]国家机械工业局设计研究院.建筑物防雷设计规范(GB50057-94 2000年版)[M].中国建设部,2000.
[3]中国建筑标准设计研究院.防雷与接地安装[M].中国计划出版社,2007.
[4]刘兴顺,等.建筑物电子信息系统防雷技术设计手册[M].北京,中国建筑工业出版社,2004.