钢结构厂房防雷和接地设计

【摘要】文章根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010进行简要分析总结，提出一些见解，力求使钢结构厂区防雷设计做到保障人身安全、供电可靠、经济合理。

【关键字】金属屋面钢柱 均压网格 等电位联结

Abstract : According to the design specification of the building lightningproof GB50057-2010 briefly analysis,this article put forward some opinions, and strive to make steel structure plant lightning protection design do ensure safety and security, power supply reliable and reasonable in economy.

key words :metal roof, steel, all pressure grid, equipotential connection

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

钢结构厂房造型美观大方，色彩多样，空间利用率高，建设周期短，工程造价低，因而得到广泛的应用。由于钢结构厂房独特的建筑体系，使得此类厂房和混凝土框架结构建筑的防雷工程设计和施工有较大的差异。笔者通过工程设计、现场验收的实际经验总结，对钢结构厂房防雷设计的相关问题作一些粗浅的探讨。

1钢结构厂房的建筑体系

钢结构厂房基础通常采用钢筋混凝土独立基础和钢筋混凝土条形基础，前者在地质情况较好的场地使用，后者则应用于地质情况较差的场地。浇注基础时需预埋地脚螺栓，以便固定钢柱。

钢结构厂房的主钢架（梁、柱）一般选用焊接型钢或热轧型钢，次构件（檩条）选用高强度的、经防腐处理的冷弯薄壁C型或Z型钢，次构件和主钢架通常采用螺栓连接。

钢结构厂房的外墙和屋顶一般采用彩钢压型板和彩钢夹芯板，并采用自攻螺栓和屋顶、墙体内设置的檩条连接。彩钢压型板和彩钢夹芯板的连接方式一般为咬合连接或者搭接连接。钢结构厂房的外墙做法一般采用下部砌1.2m高、0.3m厚的砖（加气混凝土砌块）墙，上部设彩钢夹芯板墙或者彩钢压型板墙。

2钢结构厂房的防雷及接地

2.1选择防雷接地型式

对于防雷接地，主要是通过将雷电产生的雷击电流通过接地网引入大地，从而对建筑物起到保护作用。一般采用两种防雷型式，独立接闪杆和法拉第笼。它们是两种不同的防雷模式，在防雷原理上有着明显的区别。

独立接闪杆的原理是空中拦截闪电，使雷电通过自身放电，从而保护建筑物免受雷击。但是接闪杆保护的空间内仍有电磁感应作用，接闪杆附近是强的电磁感应区，有很大的电位梯度，在它周围有较陡的跨步电压存在，在这一范围内的人员会有生命危险。

法拉第笼的原理是利用建筑的接闪网格、引下线及基础接地网形成封闭的“金属网壳体”来保护建筑物免受雷击。实验证明，一个封闭的金属壳体是全屏蔽的，在雷电流通过时，主要是沿着壳体的外表面流入大地，且法拉第笼下部的接地环、等电位均压网也避免了人在此等电位环境中被雷击的危险。

因此，钢结构厂房的一般采用法拉第笼防雷接地型式。

2.2接闪器

根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）第5.2.7条，可以利用厂房金属屋面作防雷接闪器（第一类防雷建筑物除外），并提出了四点要求：①金属板之间采用铜锌合金焊、熔焊、卷边压接、缝接、螺钉或螺栓连接等；②金属板下面无易燃物品时，铅板的厚度不应小于2mm，不锈钢、热镀锌钢、钛和铜板的厚度不应小于0.5mm，铝板的厚度不应小于0.65mm，锌板的厚度不应小于0.7mm；③金属板下面有易燃物品时，不锈钢、热镀锌钢和钛板的厚度不应小于5mm，铝板不应小于7mm；④金属板应无绝缘被覆层（注：薄的油漆保护层或1mm厚沥青层或0.5mm厚聚氯乙烯层均不属于绝缘被覆层）。

常见的金属屋面板系统有搭接式、暗扣式、扣盖式和直立锁缝式。每种连接方式都有各自不同的特点。搭接式屋面板系统安装方便、造价低廉,但紧固件穿透屋面板,存在漏水的可能性，且搭接式连接的紧固件易松弛，金属易疲劳、锈蚀。暗扣式和扣盖式屋面板系统抗风承载力低,密封性欠佳,安装时可能出现假扣合,存在安全隐患。直立锁缝式屋面板系统密封防水性能较好,抗风承载力高,具有很好的热胀冷缩和防渗能力,因此直立锁缝屋面板系统成为当今钢结构建筑金属屋面系统的首选。直立锁缝是卷边压接的方式之一，采用此种方式连接完全满足规范的要求。

钢结构厂房屋面的保温隔热层通常选用离心玻璃丝棉、防火岩棉和硬质聚氨脂。玻璃丝棉和防火岩棉属A级建筑材料，属于不燃烧材料。硬质聚氨脂属B级建筑材料，为难燃体。所以金属屋面下方采用此类材料作保温隔热层的厂房，利用金属屋面作接闪器时，能满足规范要求。

屋面板的厚度选择一般考虑三个因素：第一是风荷载；第二是雪荷载；第三是檩距。所以，不同地域可能所选的屋面板厚度就不一样。一般情况下檩距在1.5m左右时，屋面面板厚度为0.6mm，底板厚度为0.5mm。当然，电气设计人员作防雷设计时应和结构专业及时沟通，如选用的金属屋面板厚度不满足规范要求时，则应该参考国家标准图集在厂房屋顶上敷设接闪网格，接闪网格大小应该按规范的要求和各类厂房的防雷类别严格对应。

规范注释提到“薄的油漆保护层”不算是绝缘被覆层。因此，可以认为彩色涂层钢板无绝缘被覆层。

另外，现代厂房节能措施的一个重要环节是，充分利用自然采光，因此钢结构厂房的屋顶上一般都设有大面积的采光带 ，这给利用金属屋面作接闪器带来一定的影响，因此在设计中我们应该注明屋顶的金属檩条应与金属屋面板有可靠的电气连通，这样采光带正下方的金属檩条之间就可以形成避雷网格，并与金属屋面共同构成可靠的接闪器。

综上所述，厚度达到0.5mm的钢结构厂房的屋面压型钢板（或夹芯板）和屋顶金属檩条以及厂房金属外墙可以共同构成可靠的接闪器。

2.3引下线

钢结构厂房的主钢架、次构件、金属屋面板等在施工中已经作了可靠的连接，形成了持久的电气通路。根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）第5.3.5条，建筑物的钢梁、钢柱等金属构件宜作为引下线，但其各部件之间均应连成电气通路。又根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）第4.1.2条，各类防雷建筑物应设内部防雷装置，建筑物金属体在建筑物的地下室或地面层处应与防雷装置作防雷等电位连接，所以应将所有钢柱和接地装置作可靠连接。钢柱与其基础上预埋的地脚螺栓已有了可靠电气连接，而地脚螺栓都会与基础钢筋焊接固定，因此只要在基础施工阶段，埋设的人工接地体将各钢柱基础钢筋互相焊接连通，即可实现所有钢柱和接地装置作可靠连接。

当利用钢柱作防雷引下线时，雷电流通过钢柱时，在其周围可能会产生危险的接触电压和跨步电压。接触电压和跨步电压的大小与土壤电阻率、雷电位幅值等诸多因素有关。根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）第4.5.6条，防接触电压应符合下列规定之一：①利用建筑物金属构架和建筑物互相连接的钢筋在电气上是贯通且不少于10根柱子组成的自然引下线，作为自然引下线的柱子包括位于建筑物四周和建筑物内的。②引下线3m范围内地表层的电阻率不小于50kΩm，或敷设5cm厚沥青层或15cm厚砾石层。③外露引下线，其距地面2.7m以下的导体用耐1.2/50μs冲击电压100kV的绝缘层隔离，或至少3mm厚的交联聚乙烯层隔离。④用护栏、警告牌使接触引下线的可能性降至最低限度。防跨步电压规定同上述①、②、④条，另外还可以通过用网状接地装置对地面作均衡电位处理来预防跨步电压。可见，当厂房有不少于10根钢柱作自然引下线时，可以不考虑引下线产生的接触电压和跨步电压危险。当小型厂房的结构钢柱少于10根时，可以通过在建筑施工图中地坪做法上要求引下线3m范围内砾石层厚度不小于15cm来消除接触电压和跨步电压。这样处理，只增加少量工程造价，比将引下线包以绝缘物或在地坪内敷设沥青层更便于施工，且成本更低。