利用区域雷击风险评估方法作桥梁设计防雷风险评估

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  [摘 要]本文利用区域雷击风险评估方法对邵阳市桂花大桥设计从雷电风险、地域风险、承灾体风险三个方面综合分析作出防雷风险评估
  [关键词]区域雷击风险 桥梁设计 防雷风险评估
  中图分类号:TG333.62 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)01-0028-03
  1 区域雷击风险评估方法简介
  1.1 区域雷击风险评估层次结构模型的建立
  区域雷击风险评估所涉及的影响因素较多,权衡众多因素中的主要因素并进行科学合理的数学化处理至关重要,同时还要兼顾主要影响因素数据的可获得性、可靠性。本评估方法从区域雷击风险致灾的主要因素入手,应用层次分析法和模糊综合评价法等数学方法对致灾主要因素进行合理数据处理,得出评估区域雷击风险综合评价。
  综合雷电自身的放电特性、影响雷电放电的地域环境和区域内承灾体的雷电敏感特征,选取以下主要因素构成本评估方法的评价指标集合。区域雷击风险评估递阶层次结构模型如图1所示。
  (1)雷电风险
  雷电风险反应了雷电与雷暴活动自身所具有的特点。我国气象部门长期跟踪雷电发生情况,获取了较为可靠实用的各地雷暴日及雷暴路径的统计数据,对衡量一个区域的雷击风险提供了重要参考。此外,近年来随着信息技术、大气探测技术的快速发展,部分地区建立了雷电监测与预警系统,基本能够获得某一区域内地闪的雷击密度、雷电流强度等数据,给区域雷击风险提供了较为直观的参考。
  鉴于此,确立雷电风险为评估系统的一级指标,下设四个二级指标:雷暴日、雷暴路径、雷击密度、雷电流强度。具体应用时,可根据当地雷电资料合理应用四个二级指标,如已经建立了雷电监测与预警系统的地区,可优先考虑应用雷击密度、雷电流强度两个二级指标,否则采用雷暴日和雷暴路径。
  (2)地域风险
  雷电活动具有较强的地域特性,地域风险反应了区域内土壤情况、地形地貌以及区域周边地物对欲评估区域的雷击风险潜在影响。
  鉴于此,确立地域风险为评估系统的一级指标,下设三个二级指标:土壤结构、地形地貌、周边环境。其中土壤结构包括三个三级指标,分别为:土壤电阻率、土壤分层、土壤分区;周边环境包括三个三级指标,分别为:安全距离、相对高度、电磁环境。
  (3)承灾体风险
  雷击事故造成的损失主要包括经济损失、人员伤亡、服务中断等,因此区域内承灾体自身属性对雷电的敏感程度、耐受程度、遭受雷击后对外影响程度以及区域内人员活动情况等因素直接影响着遭受雷击后的潜在风险大小。
  鉴于此,确立承灾体风险为评估系统的一级指标,下设三个二级指标:项目属性、建构筑特征、电子电气系统。其中项目属性包括三个三级指标,分别为:使用性质、人员数量、影响程度;建构筑特征包括三个三级指标,分别为:占地面积、材料结构、等效高度;电子电气系统包括两个三级指标:电子系统、电气系统。
  1.2 防御风险指标因素分级标准
  本评估方法应用于区域雷击风险现状评估时,一级指标需加上防御风险。防御风险综合体现区域内承灾体的雷电防护系统的防护水平及区域内管理部门对雷电防护重视程度的高低,其二级指标包括防雷工程、防雷检测、雷电预警。
  2 拟建桂花大桥概况
  2.1 拟建桂花大桥结构
  拟建桂花大桥位于湖南省邵阳市北塔区茶圆头乡刘黑村与大祥区城南乡桂花村的接合部,横跨资江,西岸属桂花村,东岸属刘黑村。对于主桥,主推方案为120m双塔三跨自锚式悬索桥方案。桥梁设计孔径布置为:(3m+60m+120m+ 60m+22m) 双塔三跨自锚式悬索桥+(9×30m)连续箱梁,桥梁全长541.32m。索塔采用方柱式混凝土结构,设下横梁。承台顶面以上桥塔全高53.37m。桥面至主索中心高29.77m。塔柱纵横向尺寸为4.5×3.5m,塔柱壁厚80㎝,塔内预留电梯和检修通道位置。横梁高4m,壁厚60㎝。塔柱底设2.5m塔座。塔柱、横梁、塔座均采用C50混凝土。分离式承台尺寸为12.4×8.4m(横向×纵向),承台设2.5m厚封底。索塔基础采用2×6根D220桩基,桩基深度为27m。
  主缆采用1/4的垂跨比,主跨主缆计算跨径120 m,边跨主缆计算跨径60m,无应力索长101.5m。每根主缆采用91φ5.1镀锌平行钢丝24束,索夾外空隙率20%,主缆直径约266.5㎜,索夹内空隙率18%,直径约263.2㎜,索股锚具采用热铸锚。成型后的主缆表面采用防锈腻子勾缝涂抹,再在外采用φ4.1㎜镀锌底碳钢丝缠绕,最后用防腐面漆防护。
  吊索上端采用销接式,单点单吊索,主塔两侧和梁端吊索用151φ7镀锌平行钢丝,其余用121φ7镀锌平行钢丝,下端采用带连接拉杆的冷铸锚,吊索通过下端的连接拉杆张拉到位后,采用锚螺母锚固,吊索安全系数大于3,吊索采用双层PE防护。主梁为等截面钢—砼组合梁结构,全高3.5m、全宽32.5m。组合梁钢梁为主纵梁(闭口边箱梁)、中横梁、小纵梁组成的双主梁梁格体系,钢材材质为Q345qD。
  2.2 工程地质勘察情况
  根据地质调查和钻探揭露,索塔基础的岩土层为卵石土、中风化泥质灰岩、中风化泥质灰岩。大桥东岸雪峰南路岸为填筑土、厚0。5-1.8 m。西岸桂花村岸桥墩岩土层为种植土、粉质粘土、细砂、卵石土、中风化泥质灰岩、中风化泥质灰岩。
  3 利用区域雷击风险评估方法对邵阳市桂花大桥设计作防雷风险评估
  3.1 利用项目所在地雷电资料揭示雷电风险
  3.1.1 项目当地30年雷暴日数(见图2)
  3.1.2 项目区域雷暴日月分布(见图3)
  3.1.3 项目当地年均地闪密度
  按《雷电防护》 (GB/T21714.2-2008/IEC62305-2,2006)给出的公式,项目当地年均地闪密度为0.1Td=5.7次/a.km2。   3.1.4 项目区域闪电频数、雷电强度及变化特征
  根据湖南省防雷中心雷电监测预警系统提供的2007-2011年5年的地闪资料,统计得出全市5年内共发生地闪113903次,邵阳市区共发生地闪12610次,每个地闪资料包括时间、位置(经纬度)和电流强度等参数信息。从地闪发生频率角度看,负闪占96.22%,正闪仅占3.78%,负闪发生频率大。(见表1)
  通过统计分析区域5公里范围内2007年至2011年所有地闪,得出项目区域2007-2011年地闪逐时日变化曲线图和逐时正负闪次数占各自闪电总数的百分率日变化图如图4:
  3.1.5 项目区域雷电风险分析
  1、根据项目区域年均地闪密度5.7次/a.km2和雷电流强度资料分析,桂花大桥处于多雷区。
  2、雷电监测的结果表明,雷电强度较大的月份发生在4月和7、8月份,因此雷电灾害事故多发生在这个时段。
  3、项目区域地闪的发生存在明显的日变化,负闪和总闪次数的日变化规律基本相似,地闪集中发生在12~21时,其中出现多个极值,并且在16:00~18:00 达到峰值,在02:00左右趋于低谷。从对流发展角度看,地闪次数的日变化规律与对流在午后发展、傍晚达到最强的日变化规律有很好的一致性,对流发展旺盛阶段对应着地闪高发阶段。正负闪均呈现较一致的变化趋势,但二者的变化规律也存在着不同之处,正闪次数的日变化幅度较负闪大。
  3.2 为揭示地域风险分析和计算大桥区域土壤电阻率
  雷击大桥时的冲击地电位升、接触电压和跨步电压与索塔基础及其周围表层土壤电阻率有关,大桥接闪后雷电流的分配和泄放与较深层土壤电阻率、吊索的规格和大桥结构钢材料的规格和连接等密切相关。
  视在土壤电阻率是被测土壤所具有的各种不同地质电阻率的加权平均值。由现场情况和测试结果说明,索塔基础附近土壤结构较为复杂,存在平行地面方向的水平分层,由测试结果还可以看出,桂花大桥各个索塔基础的土壤电阻率并不均匀,存在明显的水平分层现象。
  借助软件仿真计算,利用最小二乘优化方法,在已知视在电阻率随极间距变化的基础上,计算得到各个基础附近的土壤电阻率如表2:
  取无穷远为参考零位面,桂花大桥遭受雷击时,基础电流注入点及其附近地表的地电位升最为明显,离开各个基础一定距离后,地表的地电位升随着离电流注入点的距离的增加而逐渐减小。计算各个基础的雷击特性如冲击接地电阻、地电位升、接触电压和跨步电压时其土壤电阻率取其附近的值来分析。
  3.3 根据大桥设计属性作承灾体风险分析
  3.3.1 确定防雷等级
  桂花大桥是120 m双塔三跨自锚式悬索桥,属于公路桥梁。目前,国家对公路桥梁没有相应的防雷标准规范。其防雷等级的划定可参照GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第2.03条及第2.04条进行。
  《建筑物防雷设计规范》第2.03条规定:预计雷击次数d大于0.06次/a的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物,应划为第二类防雷建筑物。
  《建筑物防雷设计规范》第2.04條规定:预计雷击次数d大于或等于0.012次/a且小于或等于0.06次/a的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物,应划为第三类防雷建筑物。
  桥梁的年预计雷击次数按下式确定:
  其中:N——预计雷击次数(次/a),
  k——校正系数,在一般情况下取1;当桥位位于旷野时取2;当桥位于河流、海上或湖上,地质土壤电阻率较小处取1.5。
  Ng——桥梁所处地区雷击大地的年平均密度(次/km2·a),
  Ae——与建筑物接受相同雷击次数的等效面积(km2)(可参照《建筑物防雷设计规范》附录一)。
  根据大桥雷电环境特征、土壤结构和其所处的地理环境,经过计算可以确定大桥预计雷击次数大于0.06次/a,应划为第二类防雷建筑物。
  3.3.2 直接雷击下的灾害分析
  雷击是严重的自然灾害之一,当雷电击中建筑物或设备设施时,由于雷电是具有高电压、大电流,作用时间极短的瞬变特征,通常在瞬间释放出巨大的能量,把被击中的金属熔化,使物体水分受热膨胀,产生强大的机械力,或分解成氢气和氧气,直接产生爆炸,使建筑物或设备遭到破坏,雷击产生高压引起触电,可导致人员伤亡。在本项目中,如防雷措施不到位,在直接雷击下将会产生如下灾害和损失:
  1)雷电直接击中索塔时,雷电产生高电压、大电流可对索塔造成一定程度的损害,并在索塔附近引起感应过电压,会造成设备损毁和人员伤亡;
  2)雷电直接击吊索时,可对吊索造成较大破坏并对行人构成接触电压和跨步电压威胁;
  3)雷电直接击中两岸区时,会对行人构成接触电压和跨步电压威胁.
  3.3.2 闪电感应与闪电电涌侵入下的灾害分析
  1)当雷电击中项目的供电线路产生的闪电电涌入侵到配电系统、信号线路、其它金属管道产生过压(流)可引起设备损坏、人身触电导致伤亡事故。
  2)暂态磁场变化,作用在信息系统环路上,将会产生感应过电压(流),导致设备接口或设备本身损坏。
  3)雷雨云(积雨云)引起的感应雷击而发生损坏。当有雷雨云经过沿线上空或附近时,由于静电感应会在电源线路、信号线路、控制线路上感应出极性相反的静电荷,当雷云放电后,这些静电荷由于不能及时入地会产生过电压(流)损坏设备。
  4)云内闪和云际闪对信息系统设备的影响。云内闪和云际闪产生的雷电电磁脉冲(LEMP)可引起内部设备因感应过电压(流)损坏。
  3.4 根据风险分析给出风评意见
  3.4.1 雷击风险评估结论
  1)雷电监测的结果表明,雷电强度较大的月份发生在4月和7、8月份,因此雷电灾害事故多发生在这个时段。
  2)项目区域地闪的发生存在明显的日变化,负闪和总闪次数的日变化规律基本相似,地闪集中发生在12~21时,其中出现多个极值,并且在16:00~18:00 达到峰值,在02:00左右趋于低谷。
  3)本项目按二类防雷标准进行防雷设计.
  3.4.2 降低雷击风险设计与施工指导意见
  1)本项目按二类防雷标准进行防雷设计,索塔顶建议安装优质接闪器,可利用索塔和桥墩基础作接地体,如索塔各节段的钢筋不能有连接, 应装引下线,桥梁各部位尽可能做好等电位连接.
  2)在电源线路和信号线路应安装好SPD.
  3)从气候上分析,雷电活动随季节和时段的不同有明显变化,施工时应根据季节变化和日变化合理安排工程施工进程,可将潜在雷击危险显著降低。项目各类灵敏设备安装、调试,最好安排在10~12月份或1月份,4、7、8月份为雷电高发期,应尽可能避开设备安装,如要在此时段内进行,请高度关注雷暴活动、雷电预警及天气预报,如正在发生雷暴天气,应停止施工。
  4) 雷雨天气期间不宜安排室外作业,工作人员不宜靠近外部钢结构,建议设立警示牌。盛夏遇严重雷雨天气应中止施工。
  3.5 结语
  利用区域雷击风险评估方法作防雷风险评估时应根据评估对象的特点灵活应用评估模型结构,对二级和三级指标要侧重主要影响因子,以作出实用的风险评估报告。
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