蔡家嘉陵江大桥防雷设计

王毅力

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

随着经济的快速发展，我国桥梁建设进入了一个蓬勃发展的时期，桥梁的规模和数量快速增长，我国已跃升为世界桥梁强国。然而，对于很多跨江、跨海大桥因其桥上建筑高、跨径大，且多位于江面或海面等空旷区域，受地形条件的影响，极易遭受雷击破坏，发生雷击的概率也远大于周围区域。

桥梁遭受雷击可能造成的破坏有：危及行人人身安全、损坏桥梁各类电子设备、破坏桥梁主塔、斜拉索等主体结构及其他附属设施[1-2]。因此，桥梁防雷设计是整个桥梁设计中不可或缺的环节。本文以蔡家嘉陵江大桥为工程背景，探讨桥梁防雷的设计方法。

1 工程概况

重庆蔡家嘉陵江大桥工程北接两江新区蔡家组团，南接礼嘉组团，大桥桥址位于渝武高速马鞍石大桥上游1.6 km、轨道6号线嘉陵江大桥下游1.0 km处。主桥采用双塔双索面等高塔斜拉桥，跨径布置为(140+320+140) m，H形桥塔，塔梁固结，塔高约225 m，其中桥面以上约109 m[3]。蔡家嘉陵江大桥桥型布置如图1所示。

2 桥梁防雷设计

1) 防雷设计原则

根据QX/T 330—2016《大型桥梁防雷设计规范》规定，大型桥梁主体应按第二类防雷建筑物设计[4-5]。

防雷设计主要是保护主桥的结构安全，尽量减少雷害对构筑物的损坏。防雷措施力求安全有效、经济耐用、维护方便。在保证安全的前提下，尽量利用主桥结构钢筋做防雷设施。

根据大桥结构型式，防雷设计措施主要包括：(1) 在主桥塔顶设置避雷针，在主桥两边最外缘斜拉索通长敷设避雷带防直击雷；(2) 将主桥桥塔四周的主筋从上到下连通作为防雷引下线；(3) 利用基础承台及桩基主筋作为防雷自然接地体；(4) 利用混凝土箱梁内主筋连通作为主桥纵向等电位连接[6]。

单位：cm

图1 蔡家大桥桥型布置

Fig.1 Layout of Caijia Bridge

2) 塔顶及斜拉索防雷

为有效增大雷击防护范围，保护重点区域，在2个桥塔顶各安装2颗(共4颗)5 m高的提前预放电避雷针。根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》附录D计算避雷针保护半径[7]。

图2 2支等高接闪杆的保护范围

图2中参数按下式计算：

式中：r0为接闪杆在塔顶的保护半径，计算得r0=20.62 m；h为接闪杆高度，h=5.0 m；hr为滚球半径，hr=45 m；b0为纵桥向最小保护宽度，计算得b0=11.66 m；D为2支接闪杆距离，D=34 m。

避雷针金属主体及支撑杆、底座均采用不锈钢材料，采用Φ12镀锌圆钢将避雷针底座与防雷引下线可靠连接。利用桥塔顶金属栏杆焊接连通作避雷带，并与防雷引下线可靠连接。沿每个桥塔最上层斜拉索通长敷设一根Φ12圆钢作避雷带，避雷带上部与塔顶防雷接闪器可靠连接，下部与桥面拉索钢套筒外壁可靠焊接，钢套筒主体与箱梁内防雷结构主筋可靠连接，保持良好电气通路。塔顶防雷设施如图3所示[8]。

图3 塔顶防雷设施布置

3) 桥塔防雷

利用所有桥塔及桥墩结构柱内4个角上各一根纵向主筋上下连通作为防雷引下线，引下线间距小于12 m[9]。结构柱内四角引下线每隔6 m需用 50 mm×10 mm扁钢横向焊接一次作为均压环，使主筋保持电气连通。为便于接地电阻测试，在桥塔距桥面上 1 m 高处，在桥塔内侧两角各焊接一块100 mm×100 mm×6 mm不锈钢接地电阻测试板，测试钢板须与桥塔内防雷引下线可靠连接。每处防雷接地引下线的冲击接地电阻要求不大于10 Ω。

4) 基础防雷接地

利用桥梁基础内钢筋作为接地装置，桥墩和桥塔利用基础承台及桩基主筋纵向焊接连通作为自然接地装置[10-11]。桥墩、桥塔结构内防雷引下线均需与承台内主筋可靠焊接。承台上下层主筋、承台下层主筋与桩基础主筋之间，均采用2根Φ≥12圆钢可靠搭接，保持电气通路畅通。为便于增加辅助接地装置，桥墩距承台顶面上1 m高处，沿结构四角各焊接一块100 mm×100 mm×6 mm不锈钢辅助接地板，接地钢板须与桥塔(墩)内防雷引下线可靠连接。辅助接地钢板在水面以下可采用水泥砂浆防护，厚度不小于50 mm，并有明显标记。桥塔(墩)基础防雷接地示意如图4所示。

单位：mm

5) 桥面防雷

桥面纵向两侧应设置截面积不小于100 mm2、厚度不小于4 mm的热镀锌扁钢，作为桥面等电位连接带，并与桥墩引下线连接，桥面伸缩缝两侧的等电位连接带应作U形自由变形处理[12]，如图5所示。

单位：mm

桥面上的灯杆、广告牌、爬梯、电梯架、交通指示牌等附属金属设施应与桥面等电位连接带连接。防撞护栏、桁架、金属栏杆、金属隔离带、行车架等纵向通长金属物应沿桥面纵向每隔25 m与等电位连接带连接，并应在首末端作接地处理。桥面通长布设的各类电力、通信、信号等金属线缆或金属管道应与等电位连接带连接。桥面等电位连接带应在桥墩位置相应处和桥梁纵向每隔不大于30 m与主梁作连接。斜拉索与索塔和主梁锚固处的金属锚具应就近与已接地的桥梁金属体作连接。

3 结束语

1) 防雷工程是一个系统工程，完善的防雷设计，不仅要考虑索塔的直击雷防护，同时还要考虑拉索及桥面车辆、行人的直击雷防护，以及桥面上外场设备的雷电防护。

2) 目前防雷设计普遍利用桥梁本身的金属结构作为防雷装置，但由于桥梁墩与墩、墩与台之间引下线的间距限制，需要将更多的注意力集中在等电位连接，以期尽可能降低雷电的危害。

3) 重庆蔡家嘉陵江大桥是大跨径混凝土梁斜拉桥，施工难度高，设计难度大，其防雷设计汲取了国内外其它桥梁防雷设计的经验，结合本桥的结构特点，形成了集塔顶及斜拉索防雷、桥塔防雷、基础防雷接地、桥面防雷等一体化的防雷系统，对大桥做到全面的防雷保护，供类似桥梁工程防雷设计参考。