浅析铝镁锰合金金属屋面自然接闪器范文

摘要：本文通过对铝镁锰合金直立锁边屋面直接作为接闪器的风险进行分析，对该类金属屋面作为自然接闪的可行性进行论证。

关键词：铝镁锰合金金属屋面；接闪器；防雷

1概述

铝镁锰合金直立锁边屋面自重轻、与大气形成氧化铝薄膜增强防腐蚀能力、镁锰增加强度和刚度、安装快捷、造型能力强。其主要优点在于其无穿孔，无穿刺的隐蔽式安装设计。屋面板的每个单元均为水槽状压制成型，单元之间相互搭接紧扣，再以专用锁边机强化接口。直立锁边系统属于一种咬合式无穿刺的系统。采用这种系统，屋面没有螺钉外露，整个屋面不但美观、整洁，而且杜绝了漏水隐患。对于铝镁锰合金直立锁边屋面能否作为自然接闪业界意见不一，在机场、火车站、轻轨车站、图书馆、体育馆等重大建设工程施工中该施工工艺得到广泛应用，本文以航站楼为例，对其防雷施工方案进行分析，评估铝镁锰合金屋面直接接闪的风险。

2铝镁锰合金直立锁边屋面的防雷施工方案

该航站楼屋面为正交斜放四角锥螺栓球与焊接球组成的网架结构，表面为直立锁边铝镁锰合金屋面系统。（图1）铝镁锰合金金属屋面板作为接闪器，金属板间的连接应是持久的电气贯通（如熔焊、卷边压接、螺钉或螺栓连接）。引下线应上与钢梁、檩条、金属屋面可靠连接，下与接地基础梁或地板内钢筋焊接，并全长通焊。金属屋面板为1.0毫米厚铝镁锰合金金属屋面直立锁边屋面板，在施工过程中先将固定座T形码用螺钉固定在檩条上，再将屋面板扣在固定座的梅花头上，最后用电动锁边机将屋面板的搭接边咬合在一起。为确保金属屋面、T形码、檩条的电气贯通，在檩条和T形码连接处设置避雷件。屋面避雷件纵横向间距10米一个，避雷件一端与檩条焊接固定，一端与铝制高强度T形码通过自攻螺丝连接固定，材料采用40mm×4mm厚热镀锌钢带。

3铝镁锰合金屋面直接接闪的风险

由于规模巨大、周边空旷，航站楼遭受直接雷击的可能性很高，而该屋面系统能否作为自然接闪器直接截收闪电并无标准可依。为了确保安全，部分技术人员提出应在此屋面上方增设接闪网格，但这将会严重影响航站楼的外观。根据《建筑物防雷设计规范》第5.2.7条要求，建筑屋面金属板之间的连接若是持久的电气贯通（如熔焊、卷边压接、螺钉或螺栓连接），若金属板下无易燃物品时，铝板的厚度不小于0.65毫米，可以利用金属屋面作自然接闪器。若板下有易燃物品时，为防止铝板被雷电流熔穿，其厚度不应小于7mm。而T2航站楼的铝镁锰合金板厚度达到1.7毫米，且其板下为A2级防火材料玻璃棉。若可以接受表面熔化穿孔的风险，则可以利用其作为接闪器。

4铝镁锰合金屋面的熔穿风险

雷电流流经处可能发生材料的熔化和腐蚀。在所有发生电弧的防雷部件上都可以观察到雷电流流经产生的热损害。弧底本身以及高电流密度导致的集中阻性发热在电弧底部产生大量的热量输入。热能大多产生于金属表面。若超出金属传导和吸收的能力，过量的热会被辐射或散失在金属的熔化、气化过程中，其严重程度与电流幅值和持续时间正相关。但金属体与闪电通道接触处的能量转化过程极为复杂，而且难以计算。可将该现象用简化为，接触处即电弧底部的能量转换由电荷与发生于微米级范围内的阳极或阴极电压降ua,c的乘积产生。在所要考虑的雷电流范围内ua,c几乎是个常数，其值为数十伏（可取30V）。因而电弧底部的能量转换主要与雷电流电荷有关。假设该能量未被传递，只用于熔化金属，导致熔化的体积V可如下式计算：式中，Q雷电流电荷（C）；γ材料密度（kg/m3），铝为2700;CW热容量[J/(kg•K)]，铝为908；θs熔点（℃），铝为658；θu环境温度（℃），夏季取30；cs熔化潜热(J/kg)，铝为397×103。根据中科院空间中心的ADTD闪电电位系统，以航站楼的几何中心点为圆心，统计2011年1月至2016年12月五公里半径范围内的地闪情况。在262条地闪记录中，平均闪电强度为30.48kA。对记录进行累积概率分析，发现近90%的地闪强度小于50kA，近98%的小于100kA。（图2）分别取100kA和50kA作为典型值代入上式计算导体熔化体积。幅值50kA的长时间闪击共携带50库伦电荷，最多使11.49mm3的铝合金熔化，熔穿厚度为2.25mm；而幅值100kA的长时间闪击携带电荷100库伦，最多使22.98mm3的铝合金熔化，熔穿厚度为2.83mm；若幅值为200kA，最多使46mm3的铝合金熔化，熔穿厚度为3.57mm。由于该公式假设弧底产生的所有能量只用于金属熔化，而现实中将会有很大一部分电荷被传导入地，因此其估计的熔化体积过大。可见，航站楼的铝镁锰合金屋面受直击雷击穿的概率很小，且熔穿面积也仅限于毫米范围。若不计屋面板熔穿造成漏水的风险，并保证铝镁锰直立锁边系统与钢网架结构及引下线连接可靠，则无须另设接闪网格，可以使用该屋面为自然接闪器。

5结论

根据上述案例，直立锁边铝镁锰合金屋面上进行防雷施工技术上可以完成，屋面受闪电熔穿的风险较低，直立锁边铝镁锰合金屋面直接作为接闪器使用具有可行性。

参考文献

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作者：王昆 单位：河南省气象灾害防御技术中心