澳凼第四条跨海大桥防雷系统研究

刘 潮，赵庆吉，韩亚刚

[林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆市 401120]

0 引言

澳凼第四条跨海大桥位于澳门特区，连接港珠澳大桥，澳门新城区填海A 区、E1 区（见图1）。主线全长约3.085 km，城市快速路，为连续钢桁架梁桥，大桥箱梁及桁架为钢结构，箱梁距地面或水面高度2.5～38 m，桥墩为钢筋混凝土结构。

图1 项目俯视图

大桥包括主桥部分及南、北引桥，主线为双向八车道，其中公路车道共六条，电单车专道两条，两侧设有风障及公共管线空间。主桥标准路幅宽度48.4 m，引桥标准路幅宽度47.75 m，设计时速80 km/h。其中2.86 km 位于海面上，其余位于邻海陆地，周边无高大构筑物。

主桥横断面组成为：主桥：6.25 m（管线）+0.5 m（风障+护栏）+12.25 m（行车道）+2.5 m（桁架区）+3.5 m（电单车道）+0.5 m（护栏）+3.5 m（电单车道）+2.5 m（桁架区）+12.25 m（行车道）+0.5 m（风障+护栏）+4.15 m（管线）=48.4 m（见图2）。

图2 主桥标横图

引桥标准横断面组成为：6.25 m（管线）+0.5 m（风障+护栏）+12.25 m（行车道）+3.5 m（电单车道）+0.5 m（护栏）+3.5 m（电单车道）+12.25 m（行车道）+0.5 m（风障+护栏）+3.5 m（管线）=47.75 m。

1 防雷系统研究目的

该桥防雷系统研究，利用滚球法及求圆心法两种方法，通过作图及求解方程圆心坐标相结合，确认桥面行人及相关设施均位于防雷设施保护范围之内，满足雷击防护要求，从而证实该项目利用灯杆及桥上相关金属构件作为防雷接闪装置，是可行的，经济的，安全的。

2 防雷计算原则

（1）该大桥防雷设计，依据QXT 330-2016《大型桥梁防雷设计规范》4.1.3 条规定，按二类防雷建筑物进行设计。

（2）依据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）5.2.12 条规定，二类防雷建筑物，滚球半径hr取值45 m；参考IEC 62305-1 8.3.3 条表4 规定，二类防雷建筑物，滚球半径hr 取值30 m；该项设计采用IEC 标准值30 m进行防雷计算。

（3）该项防雷选取距桥面2.2 m高做为保护面（电单车道行车限高2.2 m，小汽车高度一般低于2.2 m，而大型车辆利用法拉第笼效应，保证车内人员不受雷击直接伤害），若防雷保护范围内滚球经过最不利点处保护高度大于2.2 m，则满足二类防雷保护要求。

（4）依据《桥梁防雷技术规范》（GB/T 31067—2014）4.2.5 中“当拱肋为钢结构时，可利用其钢架作为接闪带”，该项设计考虑到钢桁架受雷电时结构可能受影响，沿拱顶单独敷设接闪带，并通过墩柱单独引下。

（5）防雷主要考虑利用沿桥布设路灯灯杆（灯具设防浪涌装置实现防雷）作为自然接闪装置，利用钢箱梁本身作等电位连接，按照当地规范及习惯性做法，增设镀锡铜带作为独立引下线，利用桩基础作为自然接地极做法。

主线桥标准段采用等高路灯设计，该项计算按标准四杆作图求解；桥墩等下部结构按滚球法作图求解；其余路段单独设置电单车道道路照明，安装与主线道路照明不同高度路灯，按球面公式求解：因路灯均匀布置，任取路灯四点坐标计算半径为30m 球面方程，求得球心位置，映像至桥面处即为防雷球面离地最小保护高度的保护最不利点。

3 防雷计算

该项防雷计算选取主桥段主线桥标准段、引桥加宽段（机动车道宽度≤17 m）、引桥加宽段（机动车道宽度17～22 m）、防侧击雷四部分进行防雷计算，采用方法为滚球法。

3.1 主线桥标准段

主线桥标准段部分：断面最大宽度27 m，两侧间距25 m布置12 m高路灯，断面如图3 所示。

图3 主线桥横断面图（单位：mm）

该项计算按最不利原则考虑，断面尺寸取值27 m。防雷设计利用桥上两侧灯杆作为接闪装置，计算原则为四根灯杆杆体一组滚球法计算。通过计算，C 点为桥面防雷计算中最不利点，通过滚球作图法（见图4）算得防雷C 处保护高度为5.70 m，满足大于2.2 m保护高度要求。

图4 滚球作图法图示（单位：mm）

结论：主线桥标准段满足对桥面的二类防雷保护要求。

3.2 引桥加宽段（机动车道宽度≤17 m）、主线桥加宽段、主桥段

引桥加宽段（机动车道宽度≤17 m）部分：两侧间距25 m布置12 m高路灯，中分带间距15 m布置4.5 m高路灯，断面如图5 所示。

图5 引桥加宽段横断面图（一）

若按最不利半幅桥计算防雷满足要求，则整幅桥均满足防雷要求。半幅桥按机动车道加宽至17 m最不利处情况考虑，结构区3 m，电单车道3.5 m，半幅桥梁总断面宽度23.5 m。防雷设计利用桥上两侧灯杆及电单车道灯杆作为接闪装置，计算原则为四根灯杆杆体一组滚球法解球面方程计算。对桥面防雷最不利灯杆布置情况出现在两个高灯杆间平分线与两个低灯杆之间平分线重合时，防雷俯视图如图6所示。

图6 引桥加宽段防雷俯视图（一）（单位：mm）

将1、2、3 灯杆坐标分别代入球面方程（x-a）2+（y-b）2+（z-c）2=R2得如下三元二次方程组：

根据上述方程组解得球心C 点坐标（12.5，17.495，32.92），此种情况下，球心处投射至桥面的防雷最不利点保护高度为32.92-30=2.92（m），满足大于2.2 m保护高度要求。

因主线桥加宽段、主桥段布灯方式与主线桥加宽段布灯方式相同，半幅机动车道较17 m小，且主桥中间设有钢桁架上避雷带有利于防雷（高度大于4.5 m），因而主线桥加宽段、南北引桥加宽段（机动车道宽度≤17 m）及主桥段均满足二类防雷要求。

结论：引桥加宽段（机动车道宽度≤17 m）、主线桥加宽段、主桥段均满足对桥面的二类防雷保护要求。

3.3 引桥加宽段（机动车道宽度17～22 m）

引桥加宽段（机动车道宽度17～22 m）部分：两侧间距20 m布置12 m高路灯，中分带间距15 m布置4.5 m高路灯，断面如图7 所示。

图7 引桥加宽段横断面图（二）（单位：mm）

若按最不利半幅桥计算防雷满足要求，则整幅桥均满足防雷要求。半幅桥按机动车道加宽至22 m最不利处考虑，结构区3 m，电单车道3.5 m，半幅桥梁总断面宽度28.5 m。防雷设计利用桥上两侧灯杆及电单车道灯杆做为接闪装置，计算原则为四根灯杆杆体一组滚球法解球面方程计算。对桥面防雷最不利灯杆布置情况出现在两个高灯杆间平分线与两个低灯杆之间平分线重合时，防雷俯视图如图8 所示。

图8 引桥加宽段防雷俯视图（二）（单位：mm）

将1、2、3 灯杆坐标分别代入球面方程（x-a）2+（y-b）2+（z-c）2=R2得如下三元二次方程组：

根据上述方程组解得球心C 点坐标（10，19.787，32.21），此种情况下，球心处射至桥面的防雷最不利点保护高度为32.21-30=2.21（m），满足大于2.2 m保护高度要求。结论：引桥加宽段（机动车道宽度17～22 m）满足对桥面的二类防雷保护要求。

3.4 防侧击雷

根据各桥墩处断面及桥梁立面，桥墩顶部距离地面（水面）高度均不大于40 m，桥墩外轮廓线距离顶部钢桁架外边沿均大于2.5 m，图9 按最不利情况墩顶距离地面或水面40 m、外轮廓线距离桁架边沿2.5 m考虑，按二类防雷要求绘制30 m滚球半径沿水面靠近桥梁，当滚球获得水面及钢箱梁边沿支撑时，距离桥墩最近点仍有0.93 m距离，桥墩不会受直击雷，桥墩部分满足二类防雷要求。

图9 防侧击雷立面示意图（单位：mm）

4 防雷结论

综合上述四种情况分析，澳凼第四条跨海大桥利用灯杆作为接闪装置，桥面设备、桥上行人行车2.2 m范围之内、桥墩设施等，均在其保护范围之内，且均满足IEC 要求之二类防雷保护要求。