郝鵬超

(中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120)

0 引言

生產(chǎn)貯存火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品的廠房及倉庫屬火炸藥爆炸危險場。 此類建筑一旦爆炸將造成巨大破壞還可能造成人身傷亡，因此在進(jìn)行此類建筑設(shè)計時，必須認(rèn)真貫徹“安全第一、預(yù)防為主”的方針，預(yù)防事故發(fā)生，減少事故損失。

由于火炸藥爆炸危險場所的特殊性，在對相關(guān)建筑設(shè)計時，要格外重視。 本文結(jié)合相關(guān)規(guī)范，以具體火炸藥庫房為實例，對火炸藥爆炸危險場所的防雷設(shè)計進(jìn)行介紹。

1 規(guī)范的選用

對于火炸藥危險場所的設(shè)計，目前可參考的規(guī)范:GB 50154－2009《地下及覆土火炸藥倉庫設(shè)計規(guī)范》；GB 51009－2014《火炸藥生產(chǎn)廠房設(shè)計規(guī)范》；《火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品工廠設(shè)計安全規(guī)范》兵總質(zhì)【1990】2 號；WJ 2470－97《小量火藥、炸藥及其制品危險性建筑設(shè)計安全規(guī)范》。

上述規(guī)范的適用范圍不同，應(yīng)根據(jù)工程的性質(zhì)、用途及爆炸危險品的種類、儲量，參考相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。

2 確定防雷類別

根據(jù)生產(chǎn)分類及工作性質(zhì)確定爆炸危險建筑適用于上述哪本規(guī)范。 上述規(guī)范都對生產(chǎn)、貯存不同危險物質(zhì)建筑的防雷類別有明確的規(guī)定。

不同的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對防雷設(shè)計要求略有不同，但總體來說火炸藥危險場所的防雷類別和該建筑物的危險場所電氣類別有關(guān)，因此設(shè)計時要明確建筑物的危險場所電氣類別。

3 防雷設(shè)計

根據(jù)規(guī)范要求，爆炸危險場所的防雷類別根據(jù)不同使用性質(zhì)，分別采取一類、二類防雷措施。 二類防雷按照常規(guī)做法，在屋面設(shè)置接閃網(wǎng)格即可，本文主要針對一類防雷進(jìn)行介紹。 一類防雷主要是確定獨立接閃桿桿塔(或接閃線支柱)的位置、高度、數(shù)量及桿塔、基礎(chǔ)的選型。

3.1 桿塔與支柱位置的確定

首先確定獨立接閃桿桿塔或架空接閃線(網(wǎng))的支柱至被保護(hù)建筑物之間的距離。 根據(jù)GB 50057－2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《雷規(guī)》)中獨立接閃桿和架空接閃線(網(wǎng))的支柱至被保護(hù)建筑物之間的距離(圖1)應(yīng)符合下列公式的要求，但不得小于3m。

(1)地上部分

式中，Sa1為空氣中距離，m；Se1為地中距離，m；Ri為獨立接閃桿或架空接閃線(網(wǎng))支柱處接地裝置的沖擊接地電阻，Ω；hx為被保護(hù)物或計算點的高度，m。

圖1 防雷裝置至被保護(hù)物的間隔距離

上述公式的計算結(jié)果是接閃桿塔與被保護(hù)建筑物的最小距離要求，接閃桿塔的位置不僅要滿足此要求，同時還要查看總圖，考慮建筑周邊道路及土圍堤的位置關(guān)系，如果不注意，桿塔基礎(chǔ)有可能設(shè)置在道路上。

3.2 采用接閃桿保護(hù)

接閃桿的高度利用滾球法計算，根據(jù)建筑的高度來確定接閃桿的高度。 當(dāng)接閃桿高度h小于或等于滾球半徑hr時，單支接閃桿的保護(hù)范圍應(yīng)按下列方法確定，接閃桿在hx高度的平面上和在地面上的保護(hù)半徑，按下式求得。

如果雙支接閃桿還不能滿足保護(hù)要求，那就要考慮采用接閃線塔進(jìn)行保護(hù)。 為什么不采用更多的接閃桿進(jìn)行保護(hù)而采用接閃線塔進(jìn)行保護(hù)，在下文工程案例中會有說明。

3.3 采用接閃線保護(hù)

當(dāng)單支接閃線的高度h<2hr時，在hx高度的平面上的保護(hù)寬度bx，按下式求得:

式中，bx為接閃線在hx高度的平面上的保護(hù)寬度，m；h為接閃線的高度，m；hr為滾球半徑，m；hx為被保護(hù)物的高度，m。

可以看出此公式和單支接閃桿在hx高度的平面上保護(hù)半徑公式相同，可以簡單地認(rèn)為，接閃線就是在接閃線的方向上設(shè)置了無數(shù)支接閃桿。 上述公式所得是接閃線最低點(垂點)的高度，桿塔的高度還要加上接閃線的弧垂高度，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)圖15D501 第104 頁可以查到不同跨度的接閃線的最大弧垂，見表1。

表1 不同長跨度的接閃線的最大弧垂

同時選擇接閃線時需要注意，按照標(biāo)準(zhǔn)圖集接閃線采用φ＝7.8mm 鍍鋅鋼絞線，但根據(jù)《雷規(guī)》，當(dāng)接閃器為熱鍍鋅鋼絞線時，最小截面為50mm2，換算為直徑φ＝7.98mm。 因此建議設(shè)計者選擇不小于φ＝8mm 的熱鍍鋅鋼絞線作為接閃線。

3.4 桿塔支座及基礎(chǔ)型式的確定

接閃桿、架空接閃線塔的桿塔型式及基礎(chǔ)的型式要根據(jù)桿塔高度及工程所在地的風(fēng)壓、地基承載力進(jìn)行選擇。 桿塔高度根據(jù)上文計算得出，風(fēng)壓及地基承載力這兩個參數(shù)一般結(jié)構(gòu)專業(yè)都會有，根據(jù)這兩個參數(shù)對照國家標(biāo)準(zhǔn)圖15D501 進(jìn)行選擇。

4 工程案例

現(xiàn)在以某火炸藥庫房為案例進(jìn)行防雷設(shè)計介紹。 本庫房為單層混凝土結(jié)構(gòu)，長為48m，寬為12m，高為7.5m。 庫房貯存物品為各類彈藥，每個儲存間內(nèi)同時存放藥量最大為50kg，建筑危險等級為Ax 級。 本彈藥庫設(shè)計參考規(guī)范為中國兵器工業(yè)總公司部標(biāo)準(zhǔn)WJ 2470－97《小量火藥、炸藥及其制品危險性建筑設(shè)計安全規(guī)范》。 根據(jù)表2.1 本彈藥庫危險場所電氣類別為F1，防雷類別為一類防雷，因此需要設(shè)置獨立接閃桿或接閃線塔進(jìn)行保護(hù)。

根據(jù)規(guī)范要求及式(1)計算(根據(jù)規(guī)范要求，沖擊接地電阻按10Ω 計算)，接閃桿或接閃線(網(wǎng))的桿塔可設(shè)置在距庫房四周外沿大于4.3m 的位置。但根據(jù)總圖位置，庫房周圍有道路及灌溉渠，因此桿塔需避開道路及灌溉渠。 本彈藥庫總圖見圖2。

圖2 庫房總圖

由于道路及灌溉渠內(nèi)側(cè)間距不能滿足規(guī)范要求，需將桿塔向兩側(cè)外移，設(shè)置在道路及灌溉渠外側(cè)。 桿塔基礎(chǔ)位置距建筑位置見圖3。

圖3 桿塔基礎(chǔ)位置

接閃桿(或線塔)基礎(chǔ)位置確定之后，就要計算接閃桿(或線塔)的高度，首先考慮用獨立接閃桿進(jìn)行保護(hù)，本建筑為第一類防雷建筑物，根據(jù)規(guī)范，滾球半徑hr＝30m，建筑物高度hx＝7.5m，根據(jù)接閃桿高度h<30m 時式(4)有解，當(dāng)h＝30m，保護(hù)半徑rx有最大值為10.15m(當(dāng)h>30m 時公式無解，是因為接閃桿高于30m 處，半徑30m 的滾球無法與地面相切，不能對建筑進(jìn)行有效保護(hù)，因此高于30m 的單獨接閃桿，根據(jù)規(guī)范要求，接閃桿應(yīng)按照滾球半徑(這里為30m)的高度作為接閃桿桿尖進(jìn)行保護(hù)計算)。 即在7.5m 的高度，單支接閃桿的最大保護(hù)范圍為10.15m，單支接閃桿的保護(hù)范圍見圖4。

圖4 單根接閃桿保護(hù)范圍

圖5 雙支接閃桿保護(hù)范圍

從圖5 可以看出雙支30m 高的接閃桿無論如何都無法對彈藥庫進(jìn)行完全保護(hù)，至少需要四支及以上接閃桿進(jìn)行保護(hù)(本文不再詳細(xì)計算)，所以對于本彈藥庫采用接閃線塔更為合理。

接閃線塔一般沿建筑的長度方向設(shè)置，這樣同樣高度的接閃線，對建筑物的保護(hù)范圍最大。 接閃線塔位置和前文接閃桿桿塔位置一致。 將本彈藥庫參數(shù)帶入式(5)(取hr＝30m，bx＝6m)，求解方程得出h＝14.7m，即接閃線在14.7m 的高度上可以將彈藥庫完全保護(hù)。 接閃線剖面保護(hù)范圍見圖6 陰影部分。

圖6 接閃線保護(hù)范圍(h＝14.7m 時)

14.7m 是接閃線最低點的高度，本彈藥庫接閃線塔跨距為68m，查表1 最大弧垂按3.2m 考慮，因此接閃線桿塔的最低高度應(yīng)該為接閃線的最低點高度14.7m 加上最大弧垂的高度3.2m，為17.9m，可以選擇20m 高的接閃線支柱。

根據(jù)圖1 及規(guī)范要求，接閃線至屋面間距Sa2應(yīng)滿足下列公式

(1)當(dāng)(h＋l/2)<5Ri時，

(2)當(dāng)(h＋l/2)≥5Ri時，

式中，Sa2為接閃線至被保護(hù)物在空中的間距距離，m；h為接閃線的支柱高度，m；l為接閃線的水平長度，m；Ri為獨立接閃桿或架空接閃線(網(wǎng))支柱處接地裝置的沖擊接地電阻，Ω。

根據(jù)以上公式計算，Sa2應(yīng)≥3. 47m，根據(jù)上文計算選擇，接閃線最低點至屋面的實際間距Sa2＝9. 3m(接閃線最低點為20－3. 2 ＝16. 8m，建筑屋面高度為7. 5m)，因此接閃線至屋面間距Sa2滿足規(guī)范要求。

最后確定桿塔及基礎(chǔ)型式，本工程地基承載力特征值為140kPa，基本風(fēng)壓為0.3kN/m，因為桿塔總高度為20m，所以按標(biāo)準(zhǔn)圖15D501 第99 頁，接閃線桿塔選用GFW1－1 型，基礎(chǔ)選用JA－4 型。

通過上述分析計算，最終本彈藥庫采用20m 高接閃線塔進(jìn)行保護(hù)，桿塔設(shè)置在東西兩側(cè)，左側(cè)距彈藥庫10.5m，右側(cè)距彈藥庫9.5m。 桿塔選用GFW1－1 型，基礎(chǔ)選用JA－4 型，接閃線采用φ＝8mm 的熱鍍鋅鋼絞線。

5 結(jié)束語

火炸藥危險場所的防雷設(shè)計首先要明確適用規(guī)范，并確定爆炸危險場所電氣類別，這是防雷設(shè)計的先決條件，不同規(guī)范對危險場所電氣類別的劃分及防雷要求還是略有不同。 同時根據(jù)以上分析計算，利用接閃線比利用接閃桿對彈藥庫進(jìn)行保護(hù)，不僅桿塔的高度大大降低，而且數(shù)量上也大大減少，設(shè)計計算上也較為簡單。 因此當(dāng)被保護(hù)的建筑物較高較長時，優(yōu)先選用接閃線對建筑進(jìn)行防直擊雷保護(hù)比較合理。