鮑明慧

伴隨國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律,門式輕鋼結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱輕鋼結(jié)構(gòu))建筑在中國(guó)建筑領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展。輕鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)混凝土建筑物相比具有建筑造型美觀大方,色彩多樣,耐大氣腐蝕,隔熱隔聲阻燃,空間利用率高,建設(shè)周期短,工程造價(jià)低的優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)廠房、超市、倉(cāng)庫(kù)、展覽館、體育館、飛機(jī)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、別墅等領(lǐng)域。由于輕鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)特的建筑體系,使得此類建筑和普通磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)建筑物的防雷工程設(shè)計(jì)和施工有較大的差異。以下通過工程咨詢、施工階段監(jiān)理和現(xiàn)場(chǎng)檢查驗(yàn)收的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物防雷設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)問題談?wù)勛约旱男牡谩?/p>

1 輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的建筑體系

門式輕鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用大約始于20世紀(jì)80年代初期,其建筑表現(xiàn)以門式剛架為基礎(chǔ)進(jìn)行衍化,主要材料是鋼結(jié)構(gòu)框架輔以彩色金屬屋面板。目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)框架普遍采用輕型焊接H形鋼(等截面或變截面)、熱軋 H形鋼(等截面)或冷彎薄壁型鋼等構(gòu)成實(shí)腹式門式剛架或格構(gòu)式門式剛架作為主要承重骨架,該屋架采用預(yù)制構(gòu)件,不允許現(xiàn)場(chǎng)鉆孔、焊接;鋼結(jié)構(gòu)的次構(gòu)件為檁條,普遍采用高強(qiáng)度、經(jīng)防腐處理的冷彎薄壁C形或Z形鋼,檁條和主鋼架采用螺栓連接。

輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的圍護(hù)系統(tǒng)(墻體、屋頂)普遍使用金屬屋面板,大多采用自攻螺栓將金屬屋面板和檁條(包括屋面檁條或沿墻檁條)連接。金屬屋面板以彩色涂層鋼板或鍍鋅鋼板為基材,經(jīng)輥壓冷彎成型;其按保溫芯材的不同可分為硬質(zhì)聚氨酯夾芯板、聚苯乙烯夾芯板、巖棉夾芯金屬屋面板三種。金屬屋面板連接方式一般為咬合連接或者搭接連接,在金屬屋面板下適當(dāng)設(shè)置金屬支撐。所以,從本質(zhì)上講,輕鋼結(jié)構(gòu)外維護(hù)墻以上的金屬屋面板、鋼屋架及檁條、隅撐、細(xì)桿等金屬構(gòu)件已進(jìn)行了電氣連接。

對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)外維護(hù)墻以下的結(jié)構(gòu),可分為基礎(chǔ)部分和外維護(hù)墻體?；A(chǔ)部分一般采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)或鋼筋混凝土條形基礎(chǔ),前者在地質(zhì)情況較好的場(chǎng)地使用,后者則應(yīng)用于地質(zhì)情況較差的場(chǎng)地。施工時(shí)在基礎(chǔ)部位預(yù)埋地腳螺栓,加墊片后和鋼柱相連。

一般而言,輕鋼結(jié)構(gòu)外維護(hù)墻體的做法是先砌1 200 mm高、24 mm厚(嚴(yán)寒地區(qū)厚度為0.37 mm)的磚墻或者加氣混凝土砌塊,其上才是金屬屋面板。

2 輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的防雷及接地

2.1 接閃器

首先我們分析一下防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的六大要素：

1)建筑物外部、內(nèi)部防雷裝置的接閃功能;

2)引下線的分流效果;

3)建筑物內(nèi)各部位的均衡電位;

4)內(nèi)部各種設(shè)備的屏蔽保護(hù)作用;

5)接地效果;

6)內(nèi)部各種線路的合理分布。

綜合來說就是外部防雷系統(tǒng)與內(nèi)部防雷系統(tǒng)兩大部分。金屬屋面的防雷屬于外部防雷系統(tǒng),即接閃器——避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng),由于金屬屋面容易引起雷擊,所以在設(shè)計(jì)金屬屋面建筑物時(shí),應(yīng)根據(jù)防雷設(shè)計(jì)的六大要素考慮如何在屋面上的防雷。

傳統(tǒng)建筑物的避雷方式是采用富蘭克林常規(guī)避雷導(dǎo)體或避雷針結(jié)合避雷網(wǎng),由于金屬屋面板的金屬板較薄,無法安裝高大沉重的傳統(tǒng)避雷針。以下根據(jù)文獻(xiàn)[3]中第4.1.4條給出的金屬屋面作為建筑物(第一類防雷建筑物除外)防雷接閃器的四個(gè)要求,對(duì)金屬屋面板能否作為接閃器的情況進(jìn)行論證。

表1 常用的四種保溫芯材的物理特性

規(guī)范針對(duì)金屬板下面有無易燃品的不同情況,對(duì)金屬板的厚度做了不同的要求,明確規(guī)定“金屬板下面無易燃品時(shí),其厚度不應(yīng)小于0.5 mm”。常用的四種保溫芯材的物理特性見表1。

由于平?？諝庵写蠹s含21%的氧氣,如果一個(gè)材料的氧指數(shù)略高于21,那么就可以認(rèn)為這種材料具有阻燃性。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)得知：目前常用的四種金屬屋面板的保溫芯材的氧指數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于21,故可以認(rèn)為金屬屋面板下面無易燃品。根據(jù)文獻(xiàn)[3]中第4.1.4條的規(guī)定,當(dāng)利用金屬板作接閃器時(shí),其厚度不應(yīng)小于0.5 mm即可。所以只要使用厚度不小于0.5 mm的金屬屋面板即能滿足規(guī)范4.1.4條中四個(gè)要求的第三條。若其厚度不滿足小于0.5 mm,則應(yīng)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集01J925-1壓型鋼板、夾芯板屋面及墻體建筑構(gòu)造做避雷帶,其中壓型鋼板屋面避雷帶的細(xì)部做法見該圖集 48頁(yè),夾芯板屋面避雷帶的細(xì)部做法見該圖集66頁(yè)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集99D501-2建筑物防雷設(shè)施安裝和03D501-3利用建筑物金屬體做防雷及接地裝置安裝沒有輕鋼結(jié)構(gòu)屋面避雷帶的細(xì)部做法。同時(shí),避雷帶網(wǎng)格大小應(yīng)該按規(guī)范的要求與各類建筑物的防雷類別嚴(yán)格對(duì)應(yīng),設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)當(dāng)按規(guī)范劃分的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其做出明確標(biāo)注。

輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的外圍護(hù)系統(tǒng)連接方式一般為咬合或者搭接。無論是壓型鋼板還是夾芯板形式的金屬屋面板,其外觀都是瓦楞形的。在施工中,采用搭接時(shí)的搭接長(zhǎng)度至少要達(dá)到一個(gè)波峰或波谷,完全能夠超過100 mm,所以能夠滿足規(guī)范4.1.4條中第一個(gè)要求,即金屬板采用搭接時(shí),其搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100 mm。另外,規(guī)范注釋中認(rèn)為“薄的油漆保護(hù)層”均不屬于絕緣被覆層。因此,可以認(rèn)為彩色涂層鋼板無絕緣被覆層,而鍍鋅鋼板的導(dǎo)電性能更好。所以文獻(xiàn)[3]中第4.1.4條的第四個(gè)要求,即金屬屋面板無絕緣被覆層也是滿足的。

綜上所述,可以認(rèn)為厚度達(dá)到0.5 mm,且其下無易燃品時(shí)輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的金屬屋面板可以作為接閃器。當(dāng)金屬屋面板厚度不滿足要求時(shí),則應(yīng)該參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集01J925-1壓型鋼板、夾芯板屋面及墻體建筑構(gòu)造做避雷帶。

2.2 引下線

從前面輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的建筑體系可以看出,主鋼架、次構(gòu)件、圍護(hù)系統(tǒng)在施工中已通過螺栓、自攻螺釘做了可靠的連接,形成了持久的電氣通路。因此,只要設(shè)置了可靠的接地裝置,就可以按跨度將鋼柱作為引下線。這一點(diǎn)在文獻(xiàn)[3]中第4.2.3條已作了規(guī)定。當(dāng)然,規(guī)范中對(duì)各類防雷建筑物的引下線間距做了要求,在土建施工時(shí),只要所有的鋼柱和接閃器做了可靠連接,鋼柱和金屬屋面板、金屬墻板都可以認(rèn)為是引下線,實(shí)際可靠連接形成電氣通路的效果超過了規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。

另外,針對(duì)文獻(xiàn)[3]中第4.2.5條的規(guī)定,即在易受機(jī)械損壞和人身接觸的地方,地面上1.7 m至地面下0.3 mm的一段作為引下線的鋼柱應(yīng)有保護(hù)措施。1)從輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑體系看,距地有1.2 m高的磚墻或者加氣混凝土砌塊,對(duì)人身接觸有一定的防護(hù)。2)鋼柱本身要進(jìn)行防腐、防火處理,含絕緣被覆層,起到一定的防護(hù)作用。即從輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的建筑體系看,對(duì)地上1.7 m至地面下0.3 mm的一段作為引下線的鋼柱可以認(rèn)為已采取電氣連接保護(hù)措施。

2.3 接地裝置

在常見的輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙中,一般將基礎(chǔ)鋼筋作為自然接地體,用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼將其連通,并進(jìn)行總等電位聯(lián)結(jié)。這樣進(jìn)行處理,接地電阻很小,一般均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)中建議在室外維護(hù)磚墻地上500 mm位置預(yù)留接地連接板,做法可以參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集03D501-4接地裝置安裝。這樣,當(dāng)接地電阻值達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí),施工單位可以方便地連接人工接地體和測(cè)試接地電阻值,這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)圖紙中有所體現(xiàn)。

另外,利用建筑物混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)鋼筋進(jìn)行電氣連接雖在設(shè)計(jì)圖紙中標(biāo)明,但預(yù)埋的接地螺栓本身和混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)之間是沒有電氣連接的,加墊片后才能和鋼柱相連。所以,土建施工時(shí)可用不小于φ 8 mm的圓鋼或截面不小于48 mm2的扁鋼將基礎(chǔ)鋼筋和接地螺栓可靠焊接,具體做法見國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集03D501-3利用建筑物金屬體做防雷及接地裝置安裝的17頁(yè)。這樣,從接閃器到引下線,再到接地裝置,雷電流才具備完整的泄放通道。同時(shí)還應(yīng)該利用短鋼筋將基礎(chǔ)鋼筋可靠焊接,并引出至基礎(chǔ)外,供聯(lián)結(jié)接地環(huán)網(wǎng),此法有利于降低自然接地體的接地電阻值和實(shí)施有效的等電位聯(lián)結(jié)。這一點(diǎn)對(duì)于設(shè)置混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑尤其重要,所以有必要在設(shè)計(jì)圖紙中做出說明。

如果忽視了輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物接地裝置的特殊性,即基礎(chǔ)鋼筋和接地螺栓本身并沒有電氣連接這一事實(shí),造成的后果則是整個(gè)建筑物沒有可靠的接地網(wǎng)。采取的補(bǔ)救措施是用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼作等電位環(huán)網(wǎng),鍍鋅扁鋼過鋼柱時(shí)應(yīng)和柱底腳板下側(cè)可靠焊接,這樣鍍鋅扁鋼可以同時(shí)作為接地極和接地線。

除等電位接地環(huán)網(wǎng)沿建筑物外圍敷設(shè)一周外,在建筑物內(nèi)還應(yīng)該按跨度設(shè)置均壓網(wǎng)格,不但降低跨步電壓,保護(hù)人身安全,而且有利于工業(yè)廠房生產(chǎn)設(shè)備就地實(shí)施等電位聯(lián)結(jié),縮短等電位聯(lián)結(jié)線的長(zhǎng)度。

3 結(jié)語

以上是對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物防直擊雷的電氣設(shè)計(jì)方案和施工中執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)圖集的認(rèn)識(shí),結(jié)論是：厚度達(dá)到0.5 mm的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的金屬屋面板且其下無易燃品時(shí)可以作為接閃器,利用鋼柱作引下線,利用混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)鋼筋作自然接地體,并通過

40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼連接成可靠的總等電位接地環(huán)網(wǎng),是安全有效的防雷接地措施。

[1] JG 144-2002,門式剛架輕型房屋鋼構(gòu)件[S].

[2] CECS 102∶2002,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB 50057-94,建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB 50205-2001,鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[5] JGJ 16-2008,民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].