摘要：現如今，隨著交通基礎設施建設的突飛猛進，大型橋梁在交通網絡中日益扮演著不可替代的重要角色。然而，受新疆地區特殊地理位置、氣候條件等影響，當地雷電發生頻次較高，大型橋梁雷擊事件也時有發生，不僅嚴重威脅橋梁結構安全、損壞附屬電氣設備，甚至還將阻礙交通正常運行。對此，本文簡要分析新疆地區雷電特征，系統闡述雷電對大型橋梁結構、電氣設備、通行安全等的危害，后從接閃系統優化、引下線改進設計、嚴格做好等電位連接等維度提出強有力的防雷技術措施，僅供參考。
引言
大型橋梁作為交通基礎設施的重要組成部分，承擔繁重的交通運輸任務，其安全、正常運行與區域交通順暢、經濟發展等息息相關。然而，隨著全球氣候加劇變暖，加之新疆地區特殊的地形地貌與氣候，致使區域雷電災害頻發。由于大型橋梁多位于空曠地帶，再加上其建構材料特殊，極易成為雷擊目標。一旦雷電擊中大型橋梁，極易損壞其鋼結構、混凝土結構等橋梁結構及監控與照明等附屬電氣設備，甚至還將阻礙車輛與人員正常通行。對此，本文重點剖析大型橋梁防雷技術措施，對提升大型橋梁防雷水平，盡可能減少其雷擊事故發生率，保障大型橋梁的安全、正常運行等具有重要的現實意義。
1、新疆地區雷電特征
圖1 2005-2021年新疆雷電災害統計
據統計，2005-2021年新疆累計出現雷電災害158次，年均9.3次。結合上圖1可見，在研究時段內，新疆雷電災害頻次整體以-13.578次/10a的速率呈顯著的下降趨勢，其中年雷電災害頻次的峰值為33次（2005年），2020年與2021年未出現過雷電災害。就空間分布而言，新疆山地、盆地地形差異顯著，天山山脈、阿爾泰山脈等區域雷電活動相對頻繁。山區地形抬升氣流，更容易觸發雷暴云形成與發展，致使雷電災害發生頻次高于盆地、沙漠等平坦地區。
2、雷電對大型橋梁的危害
雷電對大型橋梁的危害嚴峻，具體包括以下幾點。
2.1對橋梁主體結構的危害
一方面，損傷鋼結構。大型橋梁使用的鋼塔、鋼箱梁等鋼結構均是良好的導體。一旦大型橋梁遭受雷電襲擊，強大的雷電流將在瞬間通過鋼結構，產生焦耳熱，致使其局部急劇升溫，使鋼材熱膨脹、變形，嚴重時還會導致鋼結構熔融、開裂。此外，雷電流引發的電磁力還會使鋼結構桿件承受瞬間機械應力，一旦應力超出鋼材所能承受范圍，必將導致桿件出現彎曲，甚至斷裂，嚴重影響橋梁結構整體穩定性；另一方面，損傷混凝土結構。大型橋梁混凝土結構當中均配有鋼筋等，一旦遭受雷電侵襲，雷電流將通過鋼筋快速傳導，在此過程中，混凝土自身也極易由于電動力、熱應力等遭受破壞。雷電電流在混凝土當中傳導時，形成的電場會電解混凝土內部水分，并產生一定量氣體，致使混凝土內部壓強顯著增加，導致其出現開裂甚至剝落。此外，因鋼筋與混凝土間溫度不同，由此產生的熱膨脹也存在一定差異，極易破壞兩者之間的粘結力，使混凝土結構耐久性與承載能力顯著下降。除此之外，新疆地區橋梁混凝土還受晝夜溫差大、氣候干燥等因素影響，經雷電襲擊后，更易出現碳化、凍融破壞等問題，致使大型橋梁結構劣化現象明顯加劇。
2.2對橋梁附屬設施的危害
雷電對橋梁附屬設施的危害也不容忽視。首先，損壞電氣與智能系統。通常大型橋梁均配備有照明、動力供電等電氣系統及監控攝像頭、車輛監測設備等智能交通系統。一旦雷電擊中大型橋梁，由此產生的浪涌電流極易通過信號線、電源線等入侵上述系統，致使橋梁照明癱瘓、交通監控失效、通信中斷，嚴重影響橋梁的交通疏導與安全管理；其次，損毀現有的防雷設施。盡管大型橋梁當中安裝有接閃器、引下線、接地裝置等防雷裝置，但由此產生的強大能量極易超出防雷裝置所能承受的范圍，導致出現接閃器尖端融化或斷裂、引下線銹蝕或燒斷、接地電阻增加使雷電流無法有效泄放于大地等，威脅橋梁結構及附屬設備的安全性。
2.3對橋梁運營的危害
雷電對大型橋梁運營的危害也相當嚴峻。其一，交通秩序紊亂。雷電引發的橋梁照明系統故障、交通監控失效，將導致夜間通行或高峰期橋梁陷入“失明”、“失聰”狀態，此時，駕駛員無法清晰辨認橋面標線與障礙物，致使追尾、碰撞等事故多發；同時，智能收費系統等設備故障，還極易導致收費站口擁堵，干擾區域正常交通秩序；其二，人員安全隱患。雷電發生時，極易導致橋梁結構出現裂縫、附屬設施墜落等問題，直接危害橋上行人、車輛內人員安全性。同時，一旦雷電引發電氣系統故障，還極易出現短路起火事故。一旦起火事故出現在隧道式橋梁、雙層橋梁下層等封閉橋梁內，極易由于通風不暢、逃生通道有限等，嚴重威脅人員的生命健康安全；除此之外，雷擊產生的強光、巨響，還可能在瞬間干擾駕駛員的視覺與聽覺，引發操作失誤，致使事故發生概率顯著增加。
3、大型橋梁防雷措施
為有效降低雷擊對橋梁結構、附屬設施與橋梁運營的危害，可從以下維度構建系統化防雷體系，為大型橋梁的安全、有序運營保駕護航。
3.1接閃系統優化
優化接閃系統是大型橋梁防雷的重要一環。
3.1.1橋塔接閃器設置
其一，利用自然接閃。針對鋼質或鋼混結構的橋塔，優先利用其頂部塔頂裝飾鋼件、檢修平臺護欄等金屬構件作為自然接閃器。選作接閃器的金屬構件的材質必須滿足熱穩定要求，同時，熱鍍鋅圓鋼直徑超8mm，扁鋼截面超48mm2且厚度超4mm，并通過焊接等方式以確保電氣暢通，使雷電流可順利傳導；其二，獨立接閃器補充。一旦橋塔自然接閃構件保護范圍不足，應在塔頂安裝獨立接閃桿。結合滾球法對接閃桿高度進行計算，以確保其可覆蓋橋塔頂部關鍵設備及塔身一定范圍。接閃桿應采用熱鍍鋅鋼材，其底部應與橋塔引下線間做可靠焊接，并在焊接位置處通過涂刷防腐漆并包覆防水膠帶等方式嚴格做好防腐處理；其三，科學布置環形接閃帶。沿橋塔頂部女兒墻、檢修平臺等邊緣區域規范敷設閉合環形接閃帶，選用40mm×4mm的熱鍍鋅扁鋼，通過支架進行固定，確保各支架間距小于1m。同時，接閃帶與橋塔引下線多點焊接連接，構成“均壓環”，以降低雷擊時橋塔不同部位產生的電位差，以防出現側擊雷。
3.1.2纜索接閃防護
其一，主纜接閃處理。懸索橋主纜多為平行鋼絲束，可在主纜跨中最高點及兩端錨固區上方科學安裝專用接閃短桿。一般情況下，接閃短桿采用不銹鋼材質，并以抱箍的方式連接主纜，抱箍內側襯墊導電橡膠，以確保電氣良好接觸，接觸電阻低于0.03Ω，使雷電流可快速經接閃短桿、引下線泄放。其二，斜拉索接閃設計。應于斜拉橋斜拉索頂端與橋塔連接位置處安裝小型接閃器，可采用預放電接閃針，提前引導雷電放電。同時，在斜拉索下端針對索體開展局部絕緣處理，以有效阻斷雷電流沿索體直接傳入橋面結構。此外，絕緣套管兩端設置金屬連接端子，連接橋面引下線，以確保雷電流可順利導入接地系統。
3.1.3橋面接閃設計
針對鋼橋面，可選用橋面兩側防撞護欄頂部金屬板作為自然接閃帶，護欄金屬板間通過焊接或螺栓連接，以確保電氣連續。一旦護欄金屬板截面不足，應在其上方明敷熱鍍鋅圓鋼作為接閃帶補充，一般將其沿橋面縱向通長布置，每隔20m與護欄金屬板做可靠焊接；而針對混凝土橋面，可在橋面防撞墻頂部明敷熱鍍鋅扁鋼作為接閃帶，并嚴格做好固定處理。同時，利用橋面鋪裝層內結構鋼筋作為暗敷接閃網，將鋼筋交叉點焊接，形成小于20m×20m的網格，接閃帶與接閃網多點焊接連通，增強接閃效果。除此之外，應在橋面燈桿、監控桿等金屬立柱頂部加裝接閃針，并使針體與接閃帶或接閃網做可靠連接，以助力其接閃效果得以充分發揮。
3.2引下線改進設計
引下線改進設計對大型橋梁防雷也至關重要。首先，科學做好橋塔引下線選型與敷設。一般情況下，橋塔引下線多選用直徑大于12mm的熱鍍鋅圓鋼或40mm×4mm的扁鋼。針對鋼結構橋塔，多選用塔架自身鋼結構主肢作為引下線，各主肢之間必須做牢固焊接，以確保電氣貫通。對于混凝土橋塔，多在塔壁表面明敷引下線，并使用支架進行固定，確保各支架間距在1~1.5m之間。引下線在塔底還應預留一定的測試端子，為檢測接地電阻提供便利；其次，橋面引下線布置。橋面引下線布置包括縱向與橫向兩種方式。其中前者多沿橋面兩側防撞墻或人行道邊緣進行布設，各引下線間距在30~50m。其材質與橋塔引下線保持一致，一端焊接橋面接閃帶（接閃網），另一端通過橋梁伸縮縫，采用柔性銅編織帶做過渡連接，以防橋梁伸縮損傷引下線，確保電氣連續性；而后者多在布設于橋面伸縮縫與支座之下，將橋面接閃系統與橋墩引下線連接。此類引下線多選用熱鍍鋅扁鋼，與縱向引下線、橋墩引下線焊接，構建網狀引下結構，均衡橋面雷電流的分布，以降低局部電位差。
3.3嚴格做好等電位連接
等電位連接是大型橋梁防雷系統中的核心防護措施，主要通過構建電氣通路，消除雷擊時各構件間的電位差，降低反擊風險，保障橋梁結構與附屬設施安全。
橋梁主體結構由鋼筋、鋼箱梁等金屬構件構成，在實踐施工時應通過焊接、螺栓連接等方式，將橋墩、主梁、斜拉索等金屬部件進行可靠電氣連通，構建連續的等電位網絡，確保雷擊電流可均勻傳導。對于照明系統、交通監控設備、通信基站等橋梁附屬設施，應將其金屬外殼、接地端子與橋梁主體等電位連接，以防設備與橋梁結構間產生電位差，防止雷擊時設備遭受反擊損壞；在橋面鋪裝層，應鋪設金屬網格并與主體結構連接，形成法拉第籠效應，屏蔽雷擊電磁脈沖對橋面上電子設備的干擾。此外，橋梁伸縮縫處極易由于絕緣材料存在而導致等電位連接中斷，此時，應選用銅編織帶等柔性導電材料進行跨接，以保障等電位網絡的完整性。此外，完成等電位連接施工后，還要定期針對連接點的電氣導通性與接觸電阻進行檢測，既可保障連接可靠性，又可大幅提升大型橋梁的防雷性能，助力橋梁安全穩定運行。
作者：李利軒 李萍 劉洪波
地址：海南省海口市瓊山區振發路10號
電話：15103000158
郵箱：48311567@qq.com
