青岛胶州湾大桥雷击灾害浅析

龙源期刊网青岛胶州湾大桥雷击灾害浅析作者：孙琪等来源：《科技资讯》2015年第19期摘要：为了给青岛胶州湾大桥管理部门及有关人员提供必要的防雷安全信息，该文依据相关的国家技术规范，根据大桥设计资料和多次现场勘查情况以及山东省闪电定位系统2007年-2013年共七年的监测数据，对胶州湾大桥的雷击灾害风险进行了分析，同时还给出了相应的防腐、防雷击完善措施建议。关键词：胶州湾大桥雷击灾害特征分析中图分类号：tn312.8文献标识码：A文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0081-02雷电灾害已成为危害程度仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害的一大气象灾害，严重威胁着社会公共安全和人民生命财产安全。在地球大气层中，全球每一瞬间都有约2000个雷暴存在，在一天中全球闪电达到900万次[1]。据不完全统计，青岛地区平均每年因雷击造成的人员伤亡十余人，雷击造成的直接经济损失近千万元。因此，对大型、重点项目应当进行雷电灾害风险评估，从而从源头上防止或最大程度地降低雷电灾害给社会生产和人民生活造成的损失。青岛胶州湾大桥为世界最长的跨海大桥之一，全长36.48km，是我国北方冰冻海域首座特大型桥梁集群工程和我国目前国有独资单一企业投资建设的最大规模的交通基础设施项目，是山东省“五纵四横一环”公路网上框架的重要组成部分，是青岛市规划的胶州湾东西两岸跨海通道“一路、一桥、一隧”中的“一桥”。为保障项目的防雷安全，本文对大桥雷击概率及雷电活动情况等进行了风险评估并提出防雷措施完善建议，以便为管理部门及有关人员提供必要的防雷安全信息。1项目概况青岛胶州湾大桥东起环胶州湾高速李村河大桥北200m处，西端在黄岛红石崖与济青高速南线连接，包括沧口、红岛和大沽河航道桥以及海上非通航孔桥和路上引桥、黄岛两岸接线工程和红岛连接线工程等。其中，大沽河航道桥的主塔为独塔，高达149m，是海湾大桥上的最高塔。大桥路线全长新建里程约35.48km，其中海上段长度26.75km，青岛侧陆上桥梁5.85km，红石崖侧陆上段桥梁及道路共0.9km，红岛连接线长1.9km。设计为双向六车道高速公路兼城市快速路八车道，设计行车速度为80km/h，桥梁宽35m，设计基准期100年。2雷暴主要特征分析2.1青岛地区雷击大地密度特征龙源期刊网雷击大地密度是指每年每平方公里所发生的雷击大地次数[次/（km2.a）]。根据山东省雷电监测数据，从表1可以看出青岛全市境内2007年～2013年落雷次数分别为45743个、8788个、16662个、25184个、23758个、20464个和11715个，将年落雷次数除以青岛市的总面积（含各区市）10654平方公里，得出年平均雷击大地密度，取这七年的平均值2.04次/（km2.a），该值作为青岛市的雷击大地密度的平均值。同样，根据2007-2013年的雷电资料统计，得出青岛地区雷电流平均幅值为11.25KA。2007～2013年青岛全市落雷次数（见表1）。2.2项目所在地近7年来雷电活动情况以较位于大桥中心位置的红岛航道桥所处地点为例进行数据分析，2007年1月1日～2013年12月31日，平均雷击大地密度为1.5次/（km2·a），较青岛地区平均值要小。见图1。但是，从雷电流特征图（见图2）上可以看出，该地区平均雷电流幅值为：12.33kA，高于青岛地区平均值11.25kA。其中，0～5kA雷电流强度占16.0%；5～10kA的雷电流占27.0%；10～15kA的雷电流占27.0%；15～20kA的雷电流占17.0%；20～25kA的雷电流占8.0%；25～30kA的雷电流占3.0%；30～35kA的雷电流占1.0%；35～40kA的雷电流占1.0%；无40kA及以上的雷电流。3大桥雷击风险分析3.1雷击风险和风险分量雷电流是根本的损害源。根据需保护对象特性的不同，雷击可能引起各种损失。风险R是年平均可能损失量。对于雷击后可能出现的各种类型的风险包括：人员生命损失风险（R1）、公众服务损失风险（R2）、文化遗产损失风险（R3）、经济损失风险（R4）[2-3]。3.2年预计雷击次数计算根据防雷相关规范[4-5]及工程设计，青岛胶州湾大桥工程的防雷设计按第二类防雷建筑物的防雷设计标准来进行。该大桥包括沧口、红岛和大沽河航道桥、海上非通航孔桥和路上引桥、黄岛两岸接线工程和红岛连接线工程，李村河互通、红岛互通以及青岛、红岛和黄岛三个主线收费站及管理设施等。3.3各损失风险值计算雷击大桥时，存在的风险分量包括：RA：雷击大桥造成生物伤害有关的风险分量；RB：因危险火花放电触发火灾有关的风险分量；RC：与LEMP造成内部系统失效有关的风险分量；RM：与LEMP引起内部系统失效有关的风险分量；RU：电流注入入户线路产生的接触电压造成人身伤害有关的风险分量；RV：与雷电流经过入户服务设施产生的物理损害（入户设龙源期刊网施和金属部件之间的危险火花放电触发火灾或爆炸，通常位于线路入户处）有关的风险分量；RW：与入户线路上感应出的并传导进入建筑物内的过电压引起内部系统失效有关的风险分量；RZ：与入户线路上感应出的以及传导进入建筑物内的过电压引起内部系统失效有关的风险分量[2]。各风险分量计算公式见表2。4结论及防雷措施完善建议4.1结论青岛胶州湾大桥的防雷设计按第二类防雷建筑物的防雷设计标准来进行，工程已采取了适当的雷击防护措施。根据以上的计算与比较也可以看出，采取了雷击防护措施的青岛胶州湾大桥各航道桥在遭受雷击时存在人员生命损失风险R1、公众服务损失风险R2、文化遗产损失风险R3，同时还存在一定的经济损失风险R4；其人员生命损失风险R1、公众服务损失风险R2、文化遗产损失风险R3均小于风险容许值；同时，由于大沽河航道桥索塔高度最高，各项雷击风险也最大，尤其需要加强防护。4.2防雷措施完善建议根据第二类防雷建筑物的要求及防雷措施现状，提出以下防雷措施完善建议：各项防雷措施应遵循现行规范的有关规定。根据大桥所处位置及雷电灾害风险评估的结论，大桥各主体结构和配套设备比其他区段遭受雷击的概率要高很多，因此，各索塔、外场监控设备、航标灯、灯杆等需要保护的外场保护设备均应设置有效的直击雷防护装置，如接闪杆、接闪带、接闪网等。室外的设备金属外壳、金属外皮和建构筑物金属构件等均应接地。电缆接线盒、终端盒的外壳、电力电缆的金属外皮、电力线路的金属保护管、电缆支架等需做保护接地。5结语通过分析计算发现，对于不同的防护对象，因选取了不同的因子进行评估计算，得出的风险值必然不同，建设方尤其应该对风险值相对较高的对象采取加强防护的措施。同时，考虑到经济与技术结合的最大效益，国内和国际标准规定了允许落闪频率和可接受的最大风险值，该文中的建议即是基于这些值给出的，超出规定值的雷击损坏是可能存在的，任何的设计方案都难以做到百分之百的有效防护。参考文献[1]马丁·尤曼.防雷技术与科学[M].北京：气象出版社，2011：4.[2]中国气象局.雷电灾害风险评估技术规范（QX/T85-2007）[S].北京：气象出版社，2008.龙源期刊网[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局国家标准化管理委员会.GB/T21714.2-2008/IEC62305-2，2006，雷电防护第2部分：风险管理[S].北京：中国标准出版社，2008.