雷擊建筑物附著點概率、電流傳輸、磁場變化特征

1雷擊建筑物附著點概率特征

    雷擊附著點位置概率特征通過EM靜電場工作室仿真定性分析,為模擬雷暴云與建筑物及大地之間的電勢差,在圖1所示模型外部仿真空間距離建筑物頂部60m平面(求解域上邊界)施加-10V電位，大地電位為0,仿真只根據相對值進行定性分析,電位量值無參考意義。靜電場仿真可準確描述建筑物頂部區域不同位置表面電位(圖3),據此推斷雷擊不同位置的附著點概率,為后續雷擊效應仿真選取恰當雷擊注入點提供參考。

    根據仿真不同區域電位圖示可知框架-核心簡建筑女兒墻位置及樓頂電梯房頂黑色部分電位較高,而在側面位置向下電位逐漸降低,在接近樓層總高2/3位置以下電位降低較為明顯,因此說明:女兒墻位置及樓頂電梯機房頂部是所有位置中雷電直擊風險最高區域,雷擊效應仿真分析可將雷電流激勵源注入該拐角位置(圖4),符合雷擊附著點實際風險特征;在建筑物上方1/3位置側擊風險較高，屋頂平面直接雷擊風險雖不及前述兩處位置,但風險總體相對較高。

2建筑物表面電流傳輸特征

    觀察建筑物不同位置表面瞬態雷電流變化及流動特征,可歸納在雷擊模型后散流特征:豎直結構柱散流效果較水平結構柱較為明顯,這是由于雷電流優先向阻抗較小的大地方向傳輸,同時水平框架較多在豎直結構柱形成匯聚效應;女兒墻及高層水平框架雷電流強度變化較為劇烈,低層框架雷電流強度較弱,因此注重高層位置的框架有效電氣連接,可防止出現局部過電壓發生閃絡現象;表面雷電流強度在10～50us達到峰值,滯后雷電流波形峰值,隨后50～200us逐漸減弱,原因主要是由于框架等金屬結構形成的阻抗特性。
    通過分析框架核心筒模型屋頂及中部樓層區域附近雷電流矢量方向可分析塔樓頂部拐角處的雷電流流向(圖5),選取雷擊時刻為10us,可發現從雷擊點出發泄流主要通道以雷擊點為中心向女兒墻兩側、屋頂平面及附近豎直結構柱外圍傳輸,方向呈向外發散狀;中部樓層區域雷電流在豎直方向傳輸一致向下,而水平框架及核心筒位置電流流向隨位置和時間變化傳輸規律均呈現不規律性。

3雷擊空間磁場變化特征

    磁場瞬態變化容易因電磁感應在線纜等導體上形成過電壓,易對敏感設備造成電氣擊穿等事故。雷擊空間電磁場定性和定量仿真分析是兩種常用研究方法,定性方法主要通過對比不同參考截面電磁場變化分布規律以探尋合理的雷擊電磁場防護措施,定量方法主要是通過在特定位置設置參考探針以探尋該位置電磁場隨時間的變化關系,對比分析不同高度磁場振蕩特性、幅值區間及變化趨勢。

3.1 定性分析

為定性分析雷擊外框架內核心筒結構建筑物在不同高度處的磁場變化特征,選取了XY方向上樓頂層41層,中部31層﹑中部21層以及地面層1層4樓層中部區域橫截面空間磁場分布(圖6),選取時刻為雷擊電流源波峰時間10us。

    從不同樓層磁場分布的橫向對比分析,在樓頂層部位和低樓層部分磁場強度較強,中間樓層部分磁場強度相對較弱,樓頂磁場強度較強原因主要是由于雷擊源距離較近,而低樓層磁場較強的原因主要是因為雷電流匯聚在此向大地泄流,土壤本身具有一定的感抗,對高頻電流向大地的泄放起到一定的阻礙,因此磁場場強較強,而樓層中間部位由于泄流通道眾多,核心筒和水平框架等不同部位電氣連接形成的旁路作用形成的泄流效果降低了局部磁場強度。可見合理增加金屬構架連接點和垂直立柱能有效降低流經金屬構架的雷電流強度和空間磁場強度。

    另外從磁場分布區域分布同向對比可以發現場強較強區域核心筒對內部空間屏蔽效果更好,場強較弱區域核心筒屏蔽效果一般,但整體來說內部空間磁場由于核心筒屏蔽作用相對框架區域場強有所衰減,建議在頂部電梯機房等重要敏感設備區域且雷擊場強較強區域應尤為注意雷擊電磁脈沖防護。

3.2磁場強度定量分析

    選取中間樓層從里到外3處位置對比框架-核心筒結構建筑物空間磁場強度變化特性,探針位置設置在1層至42層每隔兩層垂直方向樓層中間位置(1 ,4…40),繼而分析核心筒和框架結構對雷擊磁場的屏蔽性能,探針位置在平面圖中的選取位置見圖7(探測點1在核心筒內;探測點2在中間位置;探測點3在外部框架)。

     選取磁場強度雷擊時刻為雷擊源峰值時間10us。磁場強度在不同位置諧振強度不一致,探針不與諧振點重合,磁場強度幅值見圖8。

    從圖8可歸納不同樓層平面不同位置的空間磁場定量分析變化特性:
    越靠近核心筒內部中心位置磁場強度整體越弱,雷電流主要泄放通道遠離內部核心筒導致近處輻射電磁場較小,另外核心筒墻體對外部空間磁場起到相當屏蔽作用,以使得相同的變化距離范圍內核心筒內部的磁場強度衰減幅度相比中間位置較大。
    從不同樓層高度變化趨勢分析,頂部樓層接近雷擊點位置磁場強度較強,樓層底部位置如前述匯流作用磁場強度也有一定程度上升,整體樓層中間位置磁場強度較小。GB/T 2887—2011中規定,電子計算機機房內磁場干擾環境場強不應大于800A/m,處于框架處不同樓層整體均超過該強度,且.頂部和底部遠超該場強閾值要求;中部樓層場強稍有衰減,中間部分樓層場強符合閾值;核心筒內部場強衰減程度較大,但樓層頂部不符合場強要求。從變化趨勢來看中部及中下樓層場強較小,僅約相當于框架處1/4。根據以上平面空間磁場定量分析特征，建議機房﹑配電線路位置設置在核心筒靠近中心位置,可在雷擊瞬間磁場變化過程中降低感應過電壓,減少設備損壞概率。

4結論

    文中通過對典型框架—核心筒結構超高層建筑物的雷擊仿真,基于雷擊附著點特性及實際雷電流幅值特征條件下對比分析雷電流在框架傳輸特性,對不同樓層、不同平面位置電流強度及磁場強度的時域變化特征進行全面分析,重點研究了核心筒結構對空間磁場強度的衰減特性,初步得到以下結論:
    1)附著點仿真證明表面女兒墻位置及樓頂電梯機房等頂部凸出位置是所有位置中雷電直擊風險最高區域,不同結構建筑物應通過附著點仿真判定風險差異性特征,在附著點仿真結論最高位置處注入附近2 km監測雷電流幅值該建筑物可能承受的較強雷電直擊典型特征。

    2)整體來說樓層頂部及底部電流分布相對較為集中,中部位置由于框架及核心筒柱網參數的旁路作用導致電流較為分散;由于雷擊首次回擊電流源及電流表面傳輸特征表面雷電流強度在10~50 us之間達到峰值,其后逐漸衰減。
    3)磁場強度定性結論分析。表面頂部是磁場強度最強區域,底部樓層也相對較強,中間樓層整體磁場較弱,但框架處磁場也有局部較強區域,定量分析結論表明,符合計算機場地標準要求的場地位于中部樓層的核心筒位置并應盡量遠離框架等金屬結構。

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