防雷天地

   大型桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，承担繁重的交通运输任务，其安全、正常运行与区域交通顺畅、经济发展等息息相关。然而，随着全球气候加剧变暖，加之新疆地区特殊的地形地貌与气候，致使区域雷电灾害频发。由于大型桥梁多位于空旷地带，再加上其建构材料特殊，极易成为雷击目标。一旦雷电击中大型桥梁，极易损坏其钢结构、混凝土结构等桥梁结构及监控与照明等附属电气设备，甚至还将阻碍车辆与人员正常通行。对此，本文重点剖析大型桥梁防雷技术措施，对提升大型桥梁防雷水平，尽可能减少其雷击事故发生率，保障大型桥梁的安全、正常运行等具有重要的现实意义。

1、新疆地区雷电特征

图1 2005-2021年新疆雷电灾害统计

据统计，2005-2021年新疆累计出现雷电灾害158次，年均9.3次。结合上图1可见，在研究时段内，新疆雷电灾害频次整体以-13.578次/10a的速率呈显著的下降趋势，其中年雷电灾害频次的峰值为33次（2005年），2020年与2021年未出现过雷电灾害。就空间分布而言，新疆山地、盆地地形差异显著，天山山脉、阿尔泰山脉等区域雷电活动相对频繁。山区地形抬升气流，更容易触发雷暴云形成与发展，致使雷电灾害发生频次高于盆地、沙漠等平坦地区。

2、雷电对大型桥梁的危害

雷电对大型桥梁的危害严峻，具体包括以下几点。

2.1对桥梁主体结构的危害

 一方面，损伤钢结构。大型桥梁使用的钢塔、钢箱梁等钢结构均是良好的导体。一旦大型桥梁遭受雷电袭击，强大的雷电流将在瞬间通过钢结构，产生焦耳热，致使其局部急剧升温，使钢材热膨胀、变形，严重时还会导致钢结构熔融、开裂。此外，雷电流引发的电磁力还会使钢结构杆件承受瞬间机械应力，一旦应力超出钢材所能承受范围，必将导致杆件出现弯曲，甚至断裂，严重影响桥梁结构整体稳定性；另一方面，损伤混凝土结构。大型桥梁混凝土结构当中均配有钢筋等，一旦遭受雷电侵袭，雷电流将通过钢筋快速传导，在此过程中，混凝土自身也极易由于电动力、热应力等遭受破坏。雷电电流在混凝土当中传导时，形成的电场会电解混凝土内部水分，并产生一定量气体，致使混凝土内部压强显著增加，导致其出现开裂甚至剥落。此外，因钢筋与混凝土间温度不同，由此产生的热膨胀也存在一定差异，极易破坏两者之间的粘结力，使混凝土结构耐久性与承载能力显著下降。除此之外，新疆地区桥梁混凝土还受昼夜温差大、气候干燥等因素影响，经雷电袭击后，更易出现碳化、冻融破坏等问题，致使大型桥梁结构劣化现象明显加剧。

2.2对桥梁附属设施的危害

雷电对桥梁附属设施的危害也不容忽视。首先，损坏电气与智能系统。通常大型桥梁均配备有照明、动力供电等电气系统及监控摄像头、车辆监测设备等智能交通系统。一旦雷电击中大型桥梁，由此产生的浪涌电流极易通过信号线、电源线等入侵上述系统，致使桥梁照明瘫痪、交通监控失效、通信中断，严重影响桥梁的交通疏导与安全管理；其次，损毁现有的防雷设施。尽管大型桥梁当中安装有接闪器、引下线、接地装置等防雷装置，但由此产生的强大能量极易超出防雷装置所能承受的范围，导致出现接闪器尖端融化或断裂、引下线锈蚀或烧断、接地电阻增加使雷电流无法有效泄放于大地等，威胁桥梁结构及附属设备的安全性。

2.3对桥梁运营的危害

雷电对大型桥梁运营的危害也相当严峻。其一，交通秩序紊乱。雷电引发的桥梁照明系统故障、交通监控失效，将导致夜间通行或高峰期桥梁陷入“失明”、“失聪”状态，此时，驾驶员无法清晰辨认桥面标线与障碍物，致使追尾、碰撞等事故多发；同时，智能收费系统等设备故障，还极易导致收费站口拥堵，干扰区域正常交通秩序；其二，人员安全隐患。雷电发生时，极易导致桥梁结构出现裂缝、附属设施坠落等问题，直接危害桥上行人、车辆内人员安全性。同时，一旦雷电引发电气系统故障，还极易出现短路起火事故。一旦起火事故出现在隧道式桥梁、双层桥梁下层等封闭桥梁内，极易由于通风不畅、逃生通道有限等，严重威胁人员的生命健康安全；除此之外，雷击产生的强光、巨响，还可能在瞬间干扰驾驶员的视觉与听觉，引发操作失误，致使事故发生概率显著增加。

3、大型桥梁防雷措施

为有效降低雷击对桥梁结构、附属设施与桥梁运营的危害，可从以下维度构建系统化防雷体系，为大型桥梁的安全、有序运营保驾护航。

3.1接闪系统优化

优化接闪系统是大型桥梁防雷的重要一环。

3.1.1桥塔接闪器设置

其一，利用自然接闪。针对钢质或钢混结构的桥塔，优先利用其顶部塔顶装饰钢件、检修平台护栏等金属构件作为自然接闪器。选作接闪器的金属构件的材质必须满足热稳定要求，同时，热镀锌圆钢直径超8mm，扁钢截面超48mm2且厚度超4mm，并通过焊接等方式以确保电气畅通，使雷电流可顺利传导；其二，独立接闪器补充。一旦桥塔自然接闪构件保护范围不足，应在塔顶安装独立接闪杆。结合滚球法对接闪杆高度进行计算，以确保其可覆盖桥塔顶部关键设备及塔身一定范围。接闪杆应采用热镀锌钢材，其底部应与桥塔引下线间做可靠焊接，并在焊接位置处通过涂刷防腐漆并包覆防水胶带等方式严格做好防腐处理；其三，科学布置环形接闪带。沿桥塔顶部女儿墙、检修平台等边缘区域规范敷设闭合环形接闪带，选用40mm×4mm的热镀锌扁钢，通过支架进行固定，确保各支架间距小于1m。同时，接闪带与桥塔引下线多点焊接连接，构成“均压环”，以降低雷击时桥塔不同部位产生的电位差，以防出现侧击雷。

3.1.2缆索接闪防护

其一，主缆接闪处理。悬索桥主缆多为平行钢丝束，可在主缆跨中最高点及两端锚固区上方科学安装专用接闪短杆。一般情况下，接闪短杆采用不锈钢材质，并以抱箍的方式连接主缆，抱箍内侧衬垫导电橡胶，以确保电气良好接触，接触电阻低于0.03Ω，使雷电流可快速经接闪短杆、引下线泄放。其二，斜拉索接闪设计。应于斜拉桥斜拉索顶端与桥塔连接位置处安装小型接闪器，可采用预放电接闪针，提前引导雷电放电。同时，在斜拉索下端针对索体开展局部绝缘处理，以有效阻断雷电流沿索体直接传入桥面结构。此外，绝缘套管两端设置金属连接端子，连接桥面引下线，以确保雷电流可顺利导入接地系统。

3.1.3桥面接闪设计

针对钢桥面，可选用桥面两侧防撞护栏顶部金属板作为自然接闪带，护栏金属板间通过焊接或螺栓连接，以确保电气连续。一旦护栏金属板截面不足，应在其上方明敷热镀锌圆钢作为接闪带补充，一般将其沿桥面纵向通长布置，每隔20m与护栏金属板做可靠焊接；而针对混凝土桥面，可在桥面防撞墙顶部明敷热镀锌扁钢作为接闪带，并严格做好固定处理。同时，利用桥面铺装层内结构钢筋作为暗敷接闪网，将钢筋交叉点焊接，形成小于20m×20m的网格，接闪带与接闪网多点焊接连通，增强接闪效果。除此之外，应在桥面灯杆、监控杆等金属立柱顶部加装接闪针，并使针体与接闪带或接闪网做可靠连接，以助力其接闪效果得以充分发挥。

3.2引下线改进设计

引下线改进设计对大型桥梁防雷也至关重要。首先，科学做好桥塔引下线选型与敷设。一般情况下，桥塔引下线多选用直径大于12mm的热镀锌圆钢或40mm×4mm的扁钢。针对钢结构桥塔，多选用塔架自身钢结构主肢作为引下线，各主肢之间必须做牢固焊接，以确保电气贯通。对于混凝土桥塔，多在塔壁表面明敷引下线，并使用支架进行固定，确保各支架间距在1~1.5m之间。引下线在塔底还应预留一定的测试端子，为检测接地电阻提供便利；其次，桥面引下线布置。桥面引下线布置包括纵向与横向两种方式。其中前者多沿桥面两侧防撞墙或人行道边缘进行布设，各引下线间距在30~50m。其材质与桥塔引下线保持一致，一端焊接桥面接闪带（接闪网），另一端通过桥梁伸缩缝，采用柔性铜编织带做过渡连接，以防桥梁伸缩损伤引下线，确保电气连续性；而后者多在布设于桥面伸缩缝与支座之下，将桥面接闪系统与桥墩引下线连接。此类引下线多选用热镀锌扁钢，与纵向引下线、桥墩引下线焊接，构建网状引下结构，均衡桥面雷电流的分布，以降低局部电位差。

3.3严格做好等电位连接

等电位连接是大型桥梁防雷系统中的核心防护措施，主要通过构建电气通路，消除雷击时各构件间的电位差，降低反击风险，保障桥梁结构与附属设施安全。

桥梁主体结构由钢筋、钢箱梁等金属构件构成，在实践施工时应通过焊接、螺栓连接等方式，将桥墩、主梁、斜拉索等金属部件进行可靠电气连通，构建连续的等电位网络，确保雷击电流可均匀传导。对于照明系统、交通监控设备、通信基站等桥梁附属设施，应将其金属外壳、接地端子与桥梁主体等电位连接，以防设备与桥梁结构间产生电位差，防止雷击时设备遭受反击损坏；在桥面铺装层，应铺设金属网格并与主体结构连接，形成法拉第笼效应，屏蔽雷击电磁脉冲对桥面上电子设备的干扰。此外，桥梁伸缩缝处极易由于绝缘材料存在而导致等电位连接中断，此时，应选用铜编织带等柔性导电材料进行跨接，以保障等电位网络的完整性。此外，完成等电位连接施工后，还要定期针对连接点的电气导通性与接触电阻进行检测，既可保障连接可靠性，又可大幅提升大型桥梁的防雷性能，助力桥梁安全稳定运行。