建筑幕墻防雷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及應(yīng)用

PAGE1PAGE12建筑幕墻防雷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及應(yīng)用一、前言建筑幕墻的防雷問題在《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057當(dāng)中沒有很具體、很明確地提出對(duì)幕墻防雷的規(guī)定，社會(huì)上對(duì)防雷問題的說法也不一，又由于我國(guó)幕墻的發(fā)展時(shí)間短，速度快，未作系統(tǒng)的研究，只是結(jié)合參照了幕墻行業(yè)較發(fā)達(dá)的國(guó)家日本、德國(guó)幕墻防雷裝置的做法提出了三條要求：1、在幕墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)自上而下地安裝防雷裝置，并應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)的防雷裝置可靠連接。2、導(dǎo)線應(yīng)在材料表面的保護(hù)膜除掉部位進(jìn)行連接。3、幕墻的防雷裝置設(shè)計(jì)及安裝應(yīng)經(jīng)建筑設(shè)計(jì)單位認(rèn)可。談到建筑幕墻防雷就不可能不涉及到建筑物的防雷，因?yàn)槟粔κ仟?dú)立懸掛于建筑物之外的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它的防雷裝置與建筑物的防雷設(shè)施有機(jī)地結(jié)合在一起，共同構(gòu)成一個(gè)防雷體系。因此，有必要首先了解一下建筑物的防雷設(shè)計(jì)。二、建筑物的防雷設(shè)計(jì)1、雷電的基本理論雷電的形成原理：雷電是天空云層中一種自然的放電現(xiàn)象，大氣的流動(dòng)冷熱交換變化形成了雷云，在氣流的作用下，雷云下部的水滴帶負(fù)電荷，上部冰晶帶正電荷，這樣就形成一部分帶正電荷，一部分帶負(fù)電荷的雷云，由于異性電荷的不斷積累，不同極性的云塊之間電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)某處的電場(chǎng)強(qiáng)度超過空氣可能承受的擊穿強(qiáng)度時(shí)，于是空氣電離產(chǎn)生云間放電，為閃電落雷的發(fā)展創(chuàng)造了條件。電荷通過一定的通道相互中和，產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱。放電通道所發(fā)出的這種強(qiáng)光，人們稱之為“閃”，而通道所發(fā)出的熱，使附近的空氣突然膨脹，發(fā)出霹靂的轟鳴，人們稱之為“雷”。這就是雷電的形成過程。2、雷電的危害1)、雷電對(duì)建筑物的危害地面上的建筑物千姿百態(tài)，對(duì)雷電的形成和發(fā)展也有著促進(jìn)作用，特別高層或超高層建筑使地面的電場(chǎng)分布發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，其電場(chǎng)強(qiáng)度比一般建筑物大得多，而建筑物本身的電場(chǎng)強(qiáng)度的分布也不是均勻的，往往在建筑物的尖頂及邊緣上的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，而又由于建筑物本身構(gòu)造及其附屬構(gòu)件積蓄的電荷，雷電就自然被吸引向這些地方，這就是高聳突出的建筑物容易遭受雷擊的緣故。如金屬屋頂、金屬天溝、金屬水箱、金屬欄桿等，都是易遭受雷擊的部位。當(dāng)雷電擊中建筑物時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力，雷電流在瞬間釋放出的巨大能量，會(huì)把被擊中的金屬融化，使物體水份受熱膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械力，或者分解成氫氣和氧氣，產(chǎn)生暴炸，對(duì)人和建筑物構(gòu)成了巨大的威脅。再有雷電的高溫會(huì)引起火災(zāi)和觸電事故的發(fā)生。因此，這就是建筑物需要設(shè)防雷裝置的主要原因。2)、雷電對(duì)人畜的危害跨步電壓和接觸電壓是容易造成人畜傷亡的兩種雷害。A、跨步電壓當(dāng)雷電流經(jīng)地面雷擊點(diǎn)或接地體散入周圍土壤時(shí)，在它的周圍形成了電壓降落，這時(shí)，如果有人站在接地體附近，由于兩腳所處電位不同，跨接一定的電位差，因而有電流流過人體，造成人員傷亡?？绮诫妷簩?duì)于赤腳的人特別危險(xiǎn)，這是因?yàn)槿说南轮c地面接觸良好，流過人體的電流也比較大。B、接觸電壓當(dāng)雷電流流經(jīng)引下線和接地裝置時(shí)，由于引下線本身和接地裝置都有電阻和電抗，因而會(huì)產(chǎn)生較高的電壓降，這種電壓降有時(shí)高達(dá)幾萬伏，甚至幾十萬伏。這時(shí)如果有人或牲畜接觸引下線，就會(huì)發(fā)生觸電事故。3、建筑物防雷的基本原則從雷電對(duì)建筑物造成的危害的角度來看，最好對(duì)所有的建筑物都進(jìn)行防雷，但是，事實(shí)上沒有這種可能，也沒有這種必要。這是因?yàn)槿绻骋坏貐^(qū)，它根本不會(huì)發(fā)生雷擊現(xiàn)象或極少發(fā)生雷擊現(xiàn)象，那就沒有必要考慮防雷問題。因此，建筑物是否應(yīng)裝設(shè)防雷裝置，還應(yīng)根據(jù)建筑物所在地點(diǎn)和建筑物本身的重要性，來綜合考慮是否安裝防雷裝置。4、建筑物防雷設(shè)計(jì)的等級(jí)根據(jù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性，將建筑物劃分為三類。遇到下列情況之一時(shí)，應(yīng)劃為一類防雷建筑物A、凡制造、使用或存炸藥、火藥、起爆藥、火攻品等大量炸藥物質(zhì)的建筑物。B、具有0區(qū)或10區(qū)爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的建筑物。C、具有1區(qū)爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的建筑物。一類防雷建筑物的網(wǎng)格大小，依規(guī)范要求其尺寸應(yīng)小于5mx5m或4mx6m。遇到下列情況之一時(shí)，應(yīng)劃為二類防雷建筑物A、國(guó)家級(jí)的會(huì)堂、辦公樓建筑物、大型展覽和博覽建筑物、大型火車站、國(guó)賓館、國(guó)家級(jí)檔案館等。B、國(guó)家級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)建筑物。C、國(guó)家級(jí)計(jì)算中心國(guó)際通訊樞紐等。二類防雷建筑物的網(wǎng)格大小，依規(guī)范要求其尺寸應(yīng)小于10mx10m或8mx12m。遇到下列情況之一時(shí)，應(yīng)劃為三類防雷建筑物A、省級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)建筑物及省級(jí)檔案館。B、省級(jí)辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物。C、高度在15m以上的煙筒、水塔等孤立的高聳建筑物等。三類防雷建筑物的網(wǎng)格大小，依規(guī)范要求其尺寸應(yīng)小于20mx20m或16mx24m。5、建筑物防雷設(shè)計(jì)的主要措施建筑物的防雷裝置主要有三部分組成接閃器、引下線和接地裝置接閃器接閃器按形狀分為避雷針、避雷網(wǎng)、避雷環(huán)三種形式。1）、避雷針我們知道，避雷針的防雷作用不在于避雷，而在于接受雷電流。避雷針是人為地設(shè)立的最突出的良導(dǎo)體，它的端部電場(chǎng)強(qiáng)度最大，雷電先驅(qū)自然地被吸引過來，這就是避雷針引雷效應(yīng)的基本理論。避雷針采用的材料：避雷針采用圓鋼或焊接鋼管制成，圓鋼截面不得小于100平方毫米,鋼管厚度不得小于3毫米。其直徑不應(yīng)小于下列數(shù)值：針長(zhǎng)1米以下：圓鋼12毫米、鋼管20毫米。針長(zhǎng)1-2米：圓鋼16毫米、鋼管25毫米。煙囪頂上的針：圓鋼20毫米、鋼管40毫米。2）、避雷網(wǎng)和避雷帶避雷網(wǎng)分為明裝避雷網(wǎng)和籠式避雷網(wǎng)兩大類。明裝避雷網(wǎng)是在屋頂上以較疏的明裝金屬網(wǎng)格作為接閃器，沿外墻做引下線，接到接地裝置上，將雷電流安全地引入地下?；\式避雷網(wǎng)是將避雷網(wǎng)、引下線和接地裝置三部分組成一個(gè)整體較密的鋼鐵大網(wǎng)籠，將建筑物罩在其中免遭雷擊的侵害。避雷網(wǎng)和避雷帶采用的材料：避雷網(wǎng)或避雷帶一般用圓鋼或焊接鋼管制成，其尺寸不應(yīng)小于下列數(shù)值：圓鋼直徑8毫米。扁鋼截面48平方毫米。扁鋼厚度4毫米。我國(guó)的防雷規(guī)范沒有對(duì)金屬作接閃器(避雷針、避雷網(wǎng)、避雷環(huán))的具體規(guī)定，但有一些實(shí)施經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可共參考，一類防雷建筑，接閃器的金屬板厚度小于2.5mm，二類防雷建筑，接閃器的金屬板厚度小于2mm，三類防雷建筑，接閃器的金屬板厚度小于1.5mm，對(duì)于雷電活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，接閃器的金屬板厚度可適當(dāng)增厚。b、引下線設(shè)置防雷引下線的數(shù)量，是關(guān)系到建筑物是否產(chǎn)生擴(kuò)大事故的重要因素。每根引下線所承受的雷電流愈小，則其反擊的機(jī)會(huì)和感應(yīng)范圍的影響就小，所以引下線的根數(shù)應(yīng)盡量多些為好。引下線采用的材料：引下線一般用圓鋼或扁鋼制成，其截面不應(yīng)小于48平方毫米，在易遭受腐蝕的部位，其截面應(yīng)適當(dāng)加大。其尺寸不應(yīng)小于下列數(shù)值：圓鋼直徑8毫米。扁鋼截面48平方毫米。扁鋼厚度4毫米。c、屏蔽作用對(duì)內(nèi)部裝有通信系統(tǒng)和大量電子設(shè)備的建筑物，考慮屏蔽技術(shù)措施的應(yīng)用。d、均衡電位為保證建筑物內(nèi)部不發(fā)生反擊，不產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓，應(yīng)當(dāng)使建筑物的地面、墻面和人能接觸到部位的金屬設(shè)備及管、線路等，能達(dá)到同同一個(gè)電位。這是保證人身安全和各種金屬設(shè)備不受損壞的重要條件之一。e、接地裝置接地效果的好壞也是防雷安全的重要保證，目前的建筑物主要是利用其鋼筋混凝土基礎(chǔ)中的鋼筋作為接地裝置，這種方式可以大大降低接地電阻和均衡地面電位。接地裝置埋設(shè)的深度以在0.5-1米范圍為宜，最少不小于0.5米。接地裝置均使用鍍鋅鋼材，以使其延長(zhǎng)使用年限，各焊接點(diǎn)必須刷瀝青油，加強(qiáng)防腐。接地裝置分為垂直埋設(shè)的接地體和水平接地體。接地裝置采用的材料：垂直接地體：圓鋼直徑19毫米；鋼管厚3.5毫米，直徑35毫米；角鋼厚度4毫米。寬40毫米。水平接地體：扁鋼厚度4毫米，截面100平方毫米；方鋼10x10平方毫米；圓鋼直徑12毫米。為了保證防雷裝置對(duì)人和牲畜的安全，應(yīng)將引下線和接地裝置盡可能安裝在人們不易接觸到的地方。接地裝置最好作成環(huán)形周圈式的或深埋在一米以下，以改善接地裝置附近地面的電位分布；以減少跨步電壓的危險(xiǎn)。此外，為了防止接觸電壓危及人畜，在可能條件下將引下線纏上絕緣或隔離起來。三、建筑幕墻的防雷設(shè)計(jì)幕墻是獨(dú)立懸掛在建筑主體結(jié)構(gòu)之外的建筑外圍護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)建筑幕墻圍護(hù)建筑物后，建筑物原防雷裝置由于建筑幕墻的屏蔽效應(yīng)，不能直接起到防雷作用，閃電對(duì)建筑物的雷擊，往往變成了對(duì)建筑幕墻的直接雷擊，因此，建筑幕墻的防雷設(shè)施設(shè)計(jì)是非常重要的。幕墻防雷設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則建筑物的防雷裝置通常由三部分組成：接閃器（避雷針、避雷網(wǎng)、避雷環(huán)），引下線和接地裝置。在幕墻的防雷設(shè)計(jì)中，充分利用建筑物的這些裝置與幕墻的自身防雷體系（橫豎龍骨）連通，使其兩部分成為一個(gè)防雷整體，把幕墻獲得的巨大雷電能量，通過建筑物的接地系統(tǒng)，迅速地輸送到地下，共同起到保護(hù)幕墻和建筑物免遭雷電破壞的作用。2、幕墻的防雷設(shè)計(jì)依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94的有關(guān)規(guī)定和建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性，將建筑幕墻也分為一類防雷幕墻、二類防雷幕墻、三類防雷幕墻。超高層建筑幕墻大于等于150m高歸為一類防雷幕墻依據(jù)規(guī)范要求一類防雷建筑物的網(wǎng)格大小，其尺寸應(yīng)小于5mx5m或4mx6m。高層建筑幕墻大于等于100m高歸為二類防雷幕墻二類防雷建筑物的網(wǎng)格大小，其尺寸應(yīng)小于10mx10m或8mx16m。普通幕墻大于等于30-50m高歸為三類防雷幕墻。三類防雷建筑物的網(wǎng)格大小，其尺寸應(yīng)小于20mx20m或16mx24m。《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94所提出的接閃器保護(hù)范圍是以滾球法為基礎(chǔ)的，所謂滾球法是以hr為半徑的一個(gè)球體沿需要防直接雷的部位滾動(dòng)，當(dāng)球體只觸及接閃器或只接觸及接閃器和地面而不觸及需要保護(hù)的部位時(shí)，則該部分就得到接閃器的保護(hù)。幕墻的防雷裝置和建筑物防雷網(wǎng)的接通辦法一般有三種形式，一是在鋼筋混凝土墻上通過柱或墻內(nèi)的主鋼筋設(shè)置預(yù)埋件連接板和引出連接板作為測(cè)試、連接之用。二是利用幕墻上的預(yù)埋件和建筑物防雷網(wǎng)接通作為連接通道。三是在立柱、梁墻澆注混凝土之前，焊好預(yù)留出來的接線，作為連通之用。當(dāng)建筑物過長(zhǎng)，建筑物上出現(xiàn)伸縮縫和沉降縫時(shí)，兩部分應(yīng)構(gòu)成統(tǒng)一的防雷系統(tǒng)，在伸縮縫和沉降縫之間必須進(jìn)行防雷系統(tǒng)的跨越處理。處理方法是用軟導(dǎo)管線連接斷開的防雷裝置，或用不少于4mm厚的鍍鋅扁鋼彎曲成U形狀后連接，以易于伸縮。U形的半徑應(yīng)大于伸縮的兩倍至三倍。3、建筑幕墻的防雷措施幕墻除本身應(yīng)形成自身的防雷體系外，還應(yīng)該和建筑主體的防雷體系相連接，共同形成一防雷體系。幕墻本身的防雷體系一般是由10x10或8x12的網(wǎng)狀系統(tǒng)形成的。建筑幕墻的防雷措施主要有兩種，一種是防頂雷，另一種是防側(cè)雷。防頂雷的辦法：由于高層建筑物高，雷閃擊中建筑物頂層周邊的雷電流可能會(huì)很大，金屬幕墻如果位于女兒墻外側(cè)時(shí)就屬于屋面周邊，屬于易受雷擊部位，尤其是轉(zhuǎn)角處為雷擊率最高部位，因此，此處的防雷是很重要的。我司在女兒墻外側(cè)裝修的具體做法是：在女兒墻上設(shè)置防雷網(wǎng)，防雷網(wǎng)用8mm的圓鋼或4mm以上厚度的扁鋼，且扁鋼的截面面積大于48mm2。圓鋼或扁鋼的外表面進(jìn)行熱浸鍍鋅處理。從裝飾效果上考慮，防雷引線應(yīng)盡可能不從頂封板上引出，而從女兒墻的后面引出。當(dāng)需要防雷引線從頂封板上引出時(shí)，可以考慮從頂封板的膠縫處引出。在女兒墻上設(shè)置安全觀光扶手或不銹鋼欄桿，將其同時(shí)用作防雷網(wǎng)和接閃器的作用。但此時(shí)鋼管的壁厚大于2.5mm,防止被雷擊穿。為保證幕墻免遭雷擊，使幕墻頂封板處于安全范圍之內(nèi)，可相應(yīng)調(diào)整頂封板的寬度和不銹鋼扶手的高度，使保護(hù)角α、β均小于600。起到防頂雷擊的目的。防側(cè)雷的辦法：高層建筑幕墻頂部的接閃器，不能防止電流的側(cè)面橫向發(fā)展繞擊作用。因此在30米以上的建筑幕墻部分，每隔三層設(shè)置一圈焊接在上墻鋼件的均壓環(huán)上，均壓環(huán)每隔15米（一類防雷），18米（二、三類防雷）和建筑物防雷網(wǎng)接通，固定在設(shè)均壓環(huán)樓層上的立梃必須與均壓環(huán)連通，位于均壓環(huán)處與梁縱向筋連通的立梃上的橫梁，必須與立梃連通，在幕墻立面上，每10米或8米以內(nèi)位于未設(shè)均壓環(huán)樓層的立梃，必須與固定在設(shè)均壓環(huán)樓層的立梃連通，接地電阻均應(yīng)小于4。我公司防側(cè)雷的具體作法是：對(duì)一類防雷幕墻，每隔5米或4米以內(nèi)的立梃與均壓環(huán)相連，對(duì)二類防雷幕墻，每隔10米或8米以內(nèi)的立梃與均