缆索桥的防雷技术浅述

缆索桥的防雷技术浅述

徐达军赵康谌红波余秋实

武汉雷光防雷有限公司湖北武汉430074

摘要：缆索桥是近代大跨度桥梁最重要结构形式之一，现代桥梁在跨越峡谷、江河等不易修筑架设桥墩的大跨径障碍时，经常会选择缆索桥型建造。缆索桥受到雷击易造成缆索承重桥的缆索金属部件熔毁，影响缆索的抗拉强度，为此本文通过具体案例、分析了雷击对缆索的影响。雷击缆索形成电弧放电包括雷电直击缆索金属部件表面或（和）雷电通过缆索金属部件之间间隙形成电弧放电，研究表明电弧放电导致缆索金属部件形成弧坑、气孔、裂纹等电弧侵蚀危害，降低缆索承重桥缆索的使用寿命，甚至导致缆索断裂，为此本文还提出起桥梁缆索避免雷击危害的防护措施。

关键词：缆索桥，防雷，技术措施

引言

缆索桥形式上分斜拉桥和悬索桥两种，斜拉桥的受力特点是外荷载从梁传递到斜拉索，再到索塔；悬索桥受力特点为外荷载从梁经过吊索传递到主缆，再到两端锚锭。因此斜拉索及主缆和吊索分别是斜拉桥和悬索桥受力核心构件，所以缆索桥的缆索是指斜拉索及主缆和吊索。然而根据现行防雷技术规范，桥梁设计和施工中通常只着重考虑索塔、主缆的防雷设计与施工，使斜拉索、吊索存在较大雷击风险，从而危及桥梁结构安全。为了避免斜拉索、吊索遭受雷击造成损坏，确保缆索桥防雷安全，有必要对缆索桥的缆索防雷措施进行研究。

1缆索桥遭受雷击的特点和危害

1.1桥梁缆索外缘设置导致缆索遭受雷击

由于目前缆索承重桥梁设计和施工中通常只重点考虑索塔、主缆防雷，因此不时有缆索承重桥梁的缆索遭受雷击的报道。例如，2009年检修人员在对广东省番禺某大桥的斜拉索进行检修时，发现大桥顶部一根斜拉索因雷击导致斜拉索的钢拉丝及高密度聚乙烯（HDPE）保护层损坏的现象；2005年世界上最长斜拉桥之一的希腊某跨海大桥发生了因雷击导致一根斜拉索断裂事故。而缆索承重桥梁按照《建筑物防雷设计规范》（GB5007-2010）规定属于第二类防雷建筑物，应采用45m滚球确定其索塔接闪器的保护范围。因此悬索桥的主缆和斜拉桥外缘设置的斜拉索容易遭受从桥梁上空方向雷电的直击雷击；同时悬索桥的吊索和斜拉桥的斜拉索也易遭受从桥梁侧面方向雷电的侧击雷击

1.2桥梁缆索遭受雷电电弧放电

雷电对桥梁缆索的电弧放电产生方式也就是长时间雷击电流与被雷击缆索金属部件的电弧放电产生方式，其电弧放电产生方式可分为两种：一是雷电梯级先导头部与被雷击的缆索金属部件表面形成的电弧放电方式，简称为雷击缆索金属部件表面电弧放电产生方式；二是长时间雷击电流在被雷击的缆索金属部件之间间隙处形成电弧放电方式，简称为雷击缆索金属部件之间的电弧放电产生方式。重庆防雷中心自1989年在市行政区域内开展的防雷装置年度安全性能检测以来，经常能发现一些外部防雷装置被雷击电弧放电导致的高温熔毁情况，尤其以外部防雷装置避雷针的顶部及其附近被雷击电弧放电高温熔毁现象比较普遍。如重庆防雷中心在2000年检测位于重庆市九龙坡区陈家坪五台山上顶重庆气象局业务大楼（海拔为351m，大楼高度为32m）避雷针时，发现针顶部被雷击电弧放电高温熔毁，并与美国、日本发现的避雷针顶部高温熔毁现象完全相同由于避雷针顶部的高温熔毁只有长时间雷击电流与被雷击避雷针顶部之间电弧放电形成的高温才可能造成高温熔毁现象，而缆索承重桥的缆索外缘设置使缆索类似普通建筑物外部防雷装置避雷针所处的位置，显然具有遭受雷击发生雷电电弧放电产生高温熔毁现象的可能性。2005年希腊某跨海斜拉索桥遭受雷击，导致顶部的一根斜拉索起火，并最终造成该斜拉索断裂的事故原因就是闪电先导顶部与桥梁斜拉索上部的横向临时抱箍（crosstieprovisionalcollar）金属部件之间电弧放电产生高温导致金属熔化形成灼热金属溶液引燃斜拉索高密度聚乙烯管道及其内表面覆盖高密度聚乙烯模压层（用蜡保护），使斜拉索在接连不断的高温和张力双重效应下断裂掉落在桥面。该雷击事故案表明自然界的确存在缆索承重桥梁缆索遭受雷电电弧放电影响及其危害的可能性。

2雷电对缆索承重桥梁缆索的电弧放电的危害

在长时间雷击电流与被雷击缆索金属部件电弧放电过程中，不论金属部件表面或（和）金属部件之间的间隙两边是阳极还是阴极，其金属部件表面局部或（和）金属部件之间的间隙两边局部由于电弧产生高温导致金属熔化形成液态熔池，然后产生金属粒子强烈蒸发或喷射，使金属粒子蒸气以一定速度从金属部件表面局部或（和）金属部件之间的间隙两边局部发射出来，随着长时间雷击电流与金属部件的电弧放电结束，在金属部件表面局部或（和）金属部件之间的间隙两边局部形成电弧坑；同时在电弧坑表面附近金属层中因电弧放电高温熔化产生气体，而在电弧放电结束的降温发生凝固过程中气体来不及逸出而残留在凝固区而形成气孔，以及在电弧坑附近金属区域中因电弧的产生与结束导致温度剧烈变化的热熔合区（包含凝固区和部分热影响区）内形成裂纹。因此长时间雷击电流主要是通过被雷击缆索金属部件表面局部或（和）金属部件之间的间隙两边局部形成电弧坑、气孔、裂纹等三种方式对被雷击缆索金属部件表面局部或（和）金属部件之间的间隙两边局部进行电弧侵蚀,进而导致金属部件受拉性能遭到削弱，最终造成被雷击缆索的使用性和耐久性受到影响，甚至发生断裂事故。

3缆索防雷技术措施

3.1缆索承重桥的斜拉索和主缆、吊索容易遭受天面和侧面的雷击，须采取相应的防直击和侧击措施。缆索承重桥的斜拉索、主缆与吊索的高强度钢丝应防雷接地并设置阻燃、绝缘的高密度聚乙烯护套保护层（厚度应符合GB/T18365—2001[5]的要求），以防止20%～30%雷电直接击到斜拉索、主缆与吊索的高强度钢丝，使其抗拉强度降低，影响桥梁防雷安全。

3.2雷电短时雷击能量对缆索承重桥缆索使用寿命影响不显著；而长时间雷击能量是影响缆索承重桥的缆索使用寿命的主要因素，有时甚至导致缆索承重桥的缆索断裂。悬索桥主缆和斜拉桥外缘斜拉索应明敷接闪带，以防范从桥梁上空方向而来的直击雷击。接闪带安装方法：斜拉桥外缘斜拉索应每间隔2m设置抱箍形式接闪带支持架，接闪带两端应分别与索塔和桥面防雷装置可靠电气连接，同时应考虑接闪带与斜拉索之间膨胀系数差异的影响；悬索桥可利用通过螺栓或焊接连接形成电气连通的主缆检修通道两侧金属护栏作为接闪带。

3.3缆索承重桥的斜拉索、主缆与吊索应采取措施防范从桥梁上空方向而来的雷电直击和从桥梁侧面而来的雷电侧击，以防概率小于5%的长时间且转移电荷量大于500C的雷击危害。在缆索承重桥的桥面横向外侧面沿斜拉索、吊索平行或垂直方向明敷接闪带，以防范从桥梁侧面而来的侧击雷击。接闪带间距不应大于10m，并应考虑接闪带与主缆、斜拉索之间膨胀系数差异的影响；其安装方法同斜拉桥外缘斜拉索接闪带安装方法。

4结论

综上所述，缆索承重桥的斜拉索、主缆与吊索的高强度钢丝必须防雷接地并设置绝缘阻燃的高密度聚乙烯护套保护层，缆索承重桥的斜拉索、主缆与吊索应采取措施防范从桥梁上空方向而来的雷电直击和从桥梁侧面而来的雷电侧击，确保桥梁安全。本文可视为对现代缆索桥防雷措施合理有效实施以及减少雷电造成缆索桥损毁防护方案的参考。

参考文献：

[1]李良福,覃彬全,杨磊,糜翔,刘青松.缆索承重桥的缆索防雷技术研究[J].气象科技进展,2015,5(02):29-34.

[2]杨春明.现代桥梁雷击灾害风险研究[J].中国农学通报,2014,30(23):224-229.

[3]糜翔,肖中男,覃彬全,李良福,杨磊,刘青松.桥梁缆索雷击试验分析[J].市政技术,2014,32(04):59-62.