超高层建筑利用钢结构防雷雷电效应研究.pdf

超高层建筑利用钢结构防雷雷电效应研究 全蜀 中建三局集 团有 限公 司工程 总承 包公 司，武汉市4 3 0 0 6 4 Re s e a r c h o n Li g h t n i n g Effe c t o f Ut i l i z i n g S t e e l S t r u c t u r e a s Li g h t nin g Pr o t e c t i o n f o r Ex t r a h i g h Bu i l d i n g s QUAN S h u G e n e r a l C o n s t r u c t i o n C o mp a n y o f C C T E B Gr o u p C o ． ，L t d ． ，Wu h a n 4 3 0 0 6 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r a n a l y z e s t h e d e s i g n o f l i g h t n i n g p r o t e c t i o n a n d g r o u n d i n g s y s t e m o f e x t r a h i g h b u i l d i n g s a n d c a l c u l a t e s t h e i mp l i c a t i o n o f t h e r ma l a n d me c h a n i c a l e f f e c t s o n t h e s t e e l s t r u c t u r e p e rfo r ma n c e d u rin g t h e l i g h t n i n g wh e n s t e e l s t ru c t u r e u s e s a s t h e l i g h t n i n g p r o t e c t i o n s y s t e m o f t h e e x t r a - h i g h b ui l d i n g s， b y t a k i n g a e x t r a h i g h b u i l d i n g i n T i a n j i n a s e x a m p l e ． Ke y wo r ds e x t r a - h i g h b u i l d i n g s ； s t e e l s t ruc t u r e ； l i g h t n i n g p r o t e c t i o n；d o wn l e a d；t h e r ma l e f f e c t ； me c h a n i c a l e f f e c t ； t e mp e r a t u r e ris e； e l e c t r o d y n a mi c f o r e 摘 要 分析 超 高层 建筑防 雷与接 地 系统设计 ， 以天津 某超 高层 建 筑为例 ，计 算超 高层 建 筑物利 用 钢 结构作 为防 雷 系统 ，发 生 雷电现 象 时产 生的 热效 应及机械效应等对钢结构性 能的影 响。 关键词 超 高层 建筑 ；钢 结构 ；防雷 ；引下线 ； 热效应 机械 效应 温升 ；电动 力 中图分类号 T U 8 9 4 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 38 4 9 3 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 8 0 引言 随着我 国经 济 的快速 增长 ，城 市化 步伐 的 日益 加快 ．城 市 中心地段 寸 土寸金 ，超 高层 建筑 纷纷 拔 地 而起 。2 0 1 3 2 0 1 8年 ，我 国计 划建 成 2 5 0 m 以上 的超高层 建筑 共计 1 6 4幢 ，3 0 0 4 0 0 m 的超高层 建 筑数 量约 占总数 的 4 3 ％[ 5 _ ，5 0 0 m 以上 的超 高层建筑 增 多 ，如 2 0 1 3 年 8月 3日主体 结构 封顶 的上海 中心 大厦总高度 为 6 3 2 m，正在施工 中的 6 0 6 m武汉 绿地 中心和 5 9 7 m的天津高银 1 1 7大厦等 。本文 以天津高 银 1 1 7大 厦 为研 究对 象 ，分 析超 高层 建 筑利 用钢 结 构 作 为 防雷 系统 ，发 生雷 电效 应 时对其 结构 性能 的 影响 。 由于钢 结构 的 自重 轻 、抗震 性 能好 、施 工进 度 快 、易 于产 业化等 特点 。约 7 0％ ～8 0％ 的超 高层建 筑采用钢结构体系 ，框架 一核心筒结 构是 目前超高层 建筑结构 中应用最广泛 的形式 之一 。在 以钢结构 为主 体的超高层建筑物 中 ，其纵 向巨型钢柱 、横 向钢梁 等 结构形 成 了一个 “ 法 拉第笼 ” ，使整 栋建筑 物实现 等 电位 连接 ，成 为一 个 等 电位体 ，因此 直接 利用 建 筑 物 内钢结构作为防雷系统是 目前超高层建筑 的普遍设 计方法 。 1 天津高银 1 1 7大厦 结构概 况及防雷设计 1 ．1 工程结构概况 工程位 于天津 新技术 产业园 区中央商务区 内。 天津 高 银 1 1 7大 厦是 一 幢 以 甲级 写 字 楼 为 主 ． 集 六 星级豪 华 商务酒 店及 相关 设 施 的大 型超 高层 建 筑 。总建筑面积约 3 7万 m ，建筑物高度 约为 5 9 7 m． 地 上 1 1 7层 ，地 下 3层 ，负 一层 带局 部 夹层 。由钢 筋 混 凝土 核心 筒 、钢结 构 巨型支 撑 筒及 巨型 框架 构 成 结 构体 系 ，楼板 系统 采用 钢梁 、压型 钢板 和 混凝 土组成 。 1 ．2防雷系统 设计 工程 采取 防直 击雷 、侧击 雷 和感 应雷 措施 。防 作者信息 全蜀 ，男 ，中建三局集团有限公 司工程总承包公 司，工程师 。 燕亘星 篓 旦塑堕塑堕霎望皂塑堕受塞量 h u p ／／ ww w． j z d q ．n ． c n 建 裁电乞。 _■_BUl L DI NO 2口1 5 年 第1 期 I ELE CTRl Cl TY 直击雷在塔楼屋顶 以及裙房天面女儿墙上设 置避雷铜 带 ，屋 面用 2 5 m m Z 3 m m 铜 带 明敷 设 置 成不 大 于 5 m Z 5 m的网格 。凡 突出屋 面 的所有 金 属构建 与 避 雷带 可靠 焊接 ，塔 楼顶端 设置 2支 2 0 0 0 mm提前放 电式避雷针作为接闪器 ，同时引用幕墙金属框架作 为 防雷 引下 线并接到 巨型钢柱 防雷 引下线直 至接地 网 ； 防侧击 雷措施 为建筑物 高度超过 4 5 m 时 ，沿每层 建 筑物 四周的玻璃幕墙金属框架与该层 水平结 构钢梁 接 成一体后再与引下线焊接 ，防雷接 闪器附近的电气设 备的金属外壳 如泛光照明、航空 障碍灯等设 备均 应与 防雷装置可靠焊接 设 置总等电位端子板 防感 应 雷 ，低压电源进线电缆金属外 皮与总等电位端 子板 连 接 ，进 出建筑物的各种金属管道 、电缆金属 外皮 、配 电箱 的 P E母排 以及 防雷接地预埋件 均应与 总等 电位 端子 板 连接 。为保证 电子设备 免受 浪涌 过 电压 的破 坏 ，对 电源 系统加 装多级浪 涌过 电压保护器 S P D ， 在 总进线 的配 电柜前 加设 一级 S P D，标称 放 电 电流 引起建筑钢结构性能降低。此外 ．在利用钢结构作 为 防雷系统时 ，发生雷电时产生 的热效应 和机械效应 也 必然对结构 自身产生一定影响 。 2 ．1热效应 分析 发生 雷 电时产 生 的热 效应 包括 高 幅值 雷 电流 流 经导 体 电阻 时所迅速 产生 的热 量 ，以及 闪电对 防雷 接 闪器或 放 电间隙击 穿所 形成 的强 大 电弧附着 点 热 损 。本工程设计为二类防雷 ，其雷电电流 ， m 为 1 5 0 k A， 发 生 雷 电 时其 持 续 时 间可 长 达 数 百 ms甚 至 1 S以 上 ，产生 的热效 应会 导致 钢结 构温度 急剧 升高 ，因 钢结 构性 能受 温度 变化影 响较 大 ．为此对 超高 层建 筑 中利用 钢结 构装 置作 为防雷 系统 时的 温升校 验尤 为重要 。 根据 工业与民用 配电设计手册 第三版 ，防 雷装置 的导体温升为 c 一 0 i [e xp 一 ] cB i， ， 瑚 2 0 k A 1 O／ 3 5 0 s ；在 U P S或分 配 电柜前加 式 中 装二级 S P D，标称放 电电流 I m 4 0 k A 8 ／ 2 0 l x s ； 在重要配电系统或工作 电源前 加装三级 S P D 。其标 称 放电电流 I m 2 0 k A 8／ 2 O s 。 2雷电效应对钢结构性能影 响分析 从 防雷接地 系统来 看 ，利用钢结构 巨型柱 和水 平 钢梁实现建筑物防雷功能 ．由于钢结构竖 向每一节 巨 型柱之间 、巨型柱与水平钢梁之 间及水平钢梁之 间均 通过焊接或栓接 形成有效电气 通路 ．加之钢结构有 效 连通截面大 、屏 蔽效果 和泄雷效果好 等特点 ，将其 作 为引下线具备极大优点 利用水平钢梁采用镀锌扁 钢 焊接 出预留幕墙接地钢板 ，使 整个建筑物构 成 “ 法拉 第笼 ” ，在 桩筏结构 中 ，将 巨型柱 与水平 钢筋接地 网 有效焊接。 然而 ，在超 高层建 筑中 ，利用钢结构组成 的防雷 系统 ．不可 忽视钢结构 自身耐火性 能差 的致 命缺点 。 根据理论计算 ，钢结构 失去静 态平衡稳定性 的临界 温 度为 5 0 0 c c左右 ，在 火灾情况下 ，一般火场温度 高 达 8 0 0～1 0 0 0℃ ．加上 超高 层建 筑 内的管道 竖井 形 成的 “ 烟 囱效应”和建筑物本 身的 自然摆 动 ，影响超 高层建筑钢结构的结构形变因素众多 ，其 自身形变将 5 6 ■l ■● I 1 5 6 h tt p ， ， w w w ．j z d q ．n e t ．c “ 导体截面积 ，1T I 1T I ； Q 导体体积热容量 ，J ／ ℃ m m 。 ； 曰 导体 在 0 c c时 的 电阻率温 度系数 的倒 数 ，℃； P 2 0 导体在 2 0 ℃ 时的电阻率 ，Q m m； 导体的起始温度 ，o C； 导体 的最终温度 ，℃； k 雷 电 流 流 经 引 下 线 的 分 流 系 数 ，取 0． 4 4； 』 i d t 雷击 的单位能量 ， J ／ Q。 通过本项 目的防雷系统设 计等级 和引下线 钢构件 性 能参 数 ，查 询得 出上述 相关数 据 ，以常温 2 0℃为 起始温度 ，计算当发生雷击 时 ，其产生 的热效应 导致 温升后最终温度 f Q4 4 1 3 8 1 0 - 6 5 ． 6 1 0 0 1 1 o f 【 e X P 丽 J 2 0 22 0 2 0 1 ． 2 7 Z 1 0 2 0 2 0 ． 1 2 c C 从计算结果可 以看 出，利用钢结构巨型柱作防雷 引下线 ，因为巨型柱截面大 ．发生雷电时热效应产生 的温升可忽略不计 。对钢结构 造成 的影 响几乎 为零 ，