淺析鋁鎂錳合金金屬屋面自然接閃器范文

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摘要：本文通過對鋁鎂錳合金直立鎖邊屋面直接作為接閃器的風險進行分析，對該類金屬屋面作為自然接閃的可行性進行論證。

關鍵詞：鋁鎂錳合金金屬屋面；接閃器；防雷

1概述

鋁鎂錳合金直立鎖邊屋面自重輕、與大氣形成氧化鋁薄膜增強防腐蝕能力、鎂錳增加強度和剛度、安裝快捷、造型能力強。其主要優點在于其無穿孔，無穿刺的隱蔽式安裝設計。屋面板的每個單元均為水槽狀壓制成型，單元之間相互搭接緊扣，再以專用鎖邊機強化接口。直立鎖邊系統屬于一種咬合式無穿刺的系統。采用這種系統，屋面沒有螺釘外露，整個屋面不但美觀、整潔，而且杜絕了漏水隱患。對于鋁鎂錳合金直立鎖邊屋面能否作為自然接閃業界意見不一，在機場、火車站、輕軌車站、圖書館、體育館等重大建設工程施工中該施工工藝得到廣泛應用，本文以航站樓為例，對其防雷施工方案進行分析，評估鋁鎂錳合金屋面直接接閃的風險。

2鋁鎂錳合金直立鎖邊屋面的防雷施工方案

該航站樓屋面為正交斜放四角錐螺栓球與焊接球組成的網架結構，表面為直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面系統。（圖1）鋁鎂錳合金金屬屋面板作為接閃器，金屬板間的連接應是持久的電氣貫通（如熔焊、卷邊壓接、螺釘或螺栓連接）。引下線應上與鋼梁、檁條、金屬屋面可靠連接，下與接地基礎梁或地板內鋼筋焊接，并全長通焊。金屬屋面板為1.0毫米厚鋁鎂錳合金金屬屋面直立鎖邊屋面板，在施工過程中先將固定座T形碼用螺釘固定在檁條上，再將屋面板扣在固定座的梅花頭上，最后用電動鎖邊機將屋面板的搭接邊咬合在一起。為確保金屬屋面、T形碼、檁條的電氣貫通，在檁條和T形碼連接處設置避雷件。屋面避雷件縱橫向間距10米一個，避雷件一端與檁條焊接固定，一端與鋁制高強度T形碼通過自攻螺絲連接固定，材料采用40mm×4mm厚熱鍍鋅鋼帶。

3鋁鎂錳合金屋面直接接閃的風險

由于規模巨大、周邊空曠，航站樓遭受直接雷擊的可能性很高，而該屋面系統能否作為自然接閃器直接截收閃電并無標準可依。為了確保安全，部分技術人員提出應在此屋面上方增設接閃網格，但這將會嚴重影響航站樓的外觀。根據《建筑物防雷設計規范》第5.2.7條要求，建筑屋面金屬板之間的連接若是持久的電氣貫通（如熔焊、卷邊壓接、螺釘或螺栓連接），若金屬板下無易燃物品時，鋁板的厚度不小于0.65毫米，可以利用金屬屋面作自然接閃器。若板下有易燃物品時，為防止鋁板被雷電流熔穿，其厚度不應小于7mm。而T2航站樓的鋁鎂錳合金板厚度達到1.7毫米，且其板下為A2級防火材料玻璃棉。若可以接受表面熔化穿孔的風險，則可以利用其作為接閃器。

4鋁鎂錳合金屋面的熔穿風險

雷電流流經處可能發生材料的熔化和腐蝕。在所有發生電弧的防雷部件上都可以觀察到雷電流流經產生的熱損害。弧底本身以及高電流密度導致的集中阻性發熱在電弧底部產生大量的熱量輸入。熱能大多產生于金屬表面。若超出金屬傳導和吸收的能力，過量的熱會被輻射或散失在金屬的熔化、氣化過程中，其嚴重程度與電流幅值和持續時間正相關。但金屬體與閃電通道接觸處的能量轉化過程極為復雜，而且難以計算。可將該現象用簡化為，接觸處即電弧底部的能量轉換由電荷與發生于微米級范圍內的陽極或陰極電壓降ua,c的乘積產生。在所要考慮的雷電流范圍內ua,c幾乎是個常數，其值為數十伏（可取30V）。因而電弧底部的能量轉換主要與雷電流電荷有關。假設該能量未被傳遞，只用于熔化金屬，導致熔化的體積V可如下式計算：式中，Q雷電流電荷（C）；γ材料密度（kg/m3），鋁為2700;CW熱容量[J/(kg•K)]，鋁為908；θs熔點（℃），鋁為658；θu環境溫度（℃），夏季取30；cs熔化潛熱(J/kg)，鋁為397×103。根據中科院空間中心的ADTD閃電電位系統，以航站樓的幾何中心點為圓心，統計2011年1月至2016年12月五公里半徑范圍內的地閃情況。在262條地閃記錄中，平均閃電強度為30.48kA。對記錄進行累積概率分析，發現近90%的地閃強度小于50kA，近98%的小于100kA。（圖2）分別取100kA和50kA作為典型值代入上式計算導體熔化體積。幅值50kA的長時間閃擊共攜帶50庫倫電荷，最多使11.49mm3的鋁合金熔化，熔穿厚度為2.25mm；而幅值100kA的長時間閃擊攜帶電荷100庫倫，最多使22.98mm3的鋁合金熔化，熔穿厚度為2.83mm；若幅值為200kA，最多使46mm3的鋁合金熔化，熔穿厚度為3.57mm。由于該公式假設弧底產生的所有能量只用于金屬熔化，而現實中將會有很大一部分電荷被傳導入地，因此其估計的熔化體積過大。可見，航站樓的鋁鎂錳合金屋面受直擊雷擊穿的概率很小，且熔穿面積也僅限于毫米范圍。若不計屋面板熔穿造成漏水的風險，并保證鋁鎂錳直立鎖邊系統與鋼網架結構及引下線連接可靠，則無須另設接閃網格，可以使用該屋面為自然接閃器。

5結論

根據上述案例，直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面上進行防雷施工技術上可以完成，屋面受閃電熔穿的風險較低，直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面直接作為接閃器使用具有可行性。

參考文獻

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作者：王昆 單位：河南省氣象災害防御技術中心