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雷擊建筑物附著點(diǎn)概率、電流傳輸、磁場(chǎng)變化特征
1雷擊建筑物附著點(diǎn)概率特征
雷擊附著點(diǎn)位置概率特征通過(guò)EM靜電場(chǎng)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(shì)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(jù)相對(duì)值進(jìn)行定性分析,電位量值無(wú)參考意義。靜電場(chǎng)仿真可準(zhǔn)確描述建筑物頂部區(qū)域不同位置表面電位(圖3),據(jù)此推斷雷擊不同位置的附著點(diǎn)概率,為后續(xù)雷擊效應(yīng)仿真選取恰當(dāng)雷擊注入點(diǎn)提供參考。
根據(jù)仿真不同區(qū)域電位圖示可知框架-核心簡(jiǎn)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(cè)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(shuō)明:女兒墻位置及樓頂電梯機(jī)房頂部是所有位置中雷電直擊風(fēng)險(xiǎn)最高區(qū)域,雷擊效應(yīng)仿真分析可將雷電流激勵(lì)源注入該拐角位置(圖4),符合雷擊附著點(diǎn)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)特征;在建筑物上方1/3位置側(cè)擊風(fēng)險(xiǎn)較高，屋頂平面直接雷擊風(fēng)險(xiǎn)雖不及前述兩處位置,但風(fēng)險(xiǎn)總體相對(duì)較高。
2建筑物表面電流傳輸特征
雷擊模型建筑物瞬間可通過(guò)動(dòng)態(tài)顯示0~200us雷電流傳輸方式分析其框架及核心筒表面電流變化特征,根據(jù)激勵(lì)源電流波形特征選取4個(gè)典型時(shí)間點(diǎn)1、10、50、200 us,分別見(jiàn)圖4。
觀察建筑物不同位置表面瞬態(tài)雷電流變化及流動(dòng)特征,可歸納在雷擊模型后散流特征:豎直結(jié)構(gòu)柱散流效果較水平結(jié)構(gòu)柱較為明顯,這是由于雷電流優(yōu)先向阻抗較小的大地方向傳輸,同時(shí)水平框架較多在豎直結(jié)構(gòu)柱形成匯聚效應(yīng);女兒墻及高層水平框架雷電流強(qiáng)度變化較為劇烈,低層框架雷電流強(qiáng)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(xiàn)局部過(guò)電壓發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象;表面雷電流強(qiáng)度在10～50us達(dá)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(jié)構(gòu)形成的阻抗特性。
通過(guò)分析框架核心筒模型屋頂及中部樓層區(qū)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(shí)刻為10us,可發(fā)現(xiàn)從雷擊點(diǎn)出發(fā)泄流主要通道以雷擊點(diǎn)為中心向女兒墻兩側(cè)、屋頂平面及附近豎直結(jié)構(gòu)柱外圍傳輸,方向呈向外發(fā)散狀;中部樓層區(qū)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(shí)間變化傳輸規(guī)律均呈現(xiàn)不規(guī)律性。
3雷擊空間磁場(chǎng)變化特征
磁場(chǎng)瞬態(tài)變化容易因電磁感應(yīng)在線纜等導(dǎo)體上形成過(guò)電壓,易對(duì)敏感設(shè)備造成電氣擊穿等事故。雷擊空間電磁場(chǎng)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(guò)對(duì)比不同參考截面電磁場(chǎng)變化分布規(guī)律以探尋合理的雷擊電磁場(chǎng)防護(hù)措施,定量方法主要是通過(guò)在特定位置設(shè)置參考探針以探尋該位置電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化關(guān)系,對(duì)比分析不同高度磁場(chǎng)振蕩特性、幅值區(qū)間及變化趨勢(shì)。3.1 定性分析
為定性分析雷擊外框架內(nèi)核心筒結(jié)構(gòu)建筑物在不同高度處的磁場(chǎng)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(qū)域橫截面空間磁場(chǎng)分布(圖6),選取時(shí)刻為雷擊電流源波峰時(shí)間10us。
3.2磁場(chǎng)強(qiáng)度定量分析
選取中間樓層從里到外3處位置對(duì)比框架-核心筒結(jié)構(gòu)建筑物空間磁場(chǎng)強(qiáng)度變化特性,探針位置設(shè)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(jié)構(gòu)對(duì)雷擊磁場(chǎng)的屏蔽性能,探針位置在平面圖中的選取位置見(jiàn)圖7(探測(cè)點(diǎn)1在核心筒內(nèi);探測(cè)點(diǎn)2在中間位置;探測(cè)點(diǎn)3在外部框架)。
越靠近核心筒內(nèi)部中心位置磁場(chǎng)強(qiáng)度整體越弱,雷電流主要泄放通道遠(yuǎn)離內(nèi)部核心筒導(dǎo)致近處輻射電磁場(chǎng)較小,另外核心筒墻體對(duì)外部空間磁場(chǎng)起到相當(dāng)屏蔽作用,以使得相同的變化距離范圍內(nèi)核心筒內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減幅度相比中間位置較大。
從不同樓層高度變化趨勢(shì)分析,頂部樓層接近雷擊點(diǎn)位置磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng),樓層底部位置如前述匯流作用磁場(chǎng)強(qiáng)度也有一定程度上升,整體樓層中間位置磁場(chǎng)強(qiáng)度較小。GB/T 2887—2011中規(guī)定,電子計(jì)算機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)磁場(chǎng)干擾環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)不應(yīng)大于800A/m,處于框架處不同樓層整體均超過(guò)該強(qiáng)度,且.頂部和底部遠(yuǎn)超該場(chǎng)強(qiáng)閾值要求;中部樓層場(chǎng)強(qiáng)稍有衰減,中間部分樓層場(chǎng)強(qiáng)符合閾值;核心筒內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)衰減程度較大,但樓層頂部不符合場(chǎng)強(qiáng)要求。從變化趨勢(shì)來(lái)看中部及中下樓層場(chǎng)強(qiáng)較小,僅約相當(dāng)于框架處1/4。根據(jù)以上平面空間磁場(chǎng)定量分析特征，建議機(jī)房﹑配電線路位置設(shè)置在核心筒靠近中心位置,可在雷擊瞬間磁場(chǎng)變化過(guò)程中降低感應(yīng)過(guò)電壓,減少設(shè)備損壞概率。
4結(jié)論
文中通過(guò)對(duì)典型框架—核心筒結(jié)構(gòu)超高層建筑物的雷擊仿真,基于雷擊附著點(diǎn)特性及實(shí)際雷電流幅值特征條件下對(duì)比分析雷電流在框架傳輸特性,對(duì)不同樓層、不同平面位置電流強(qiáng)度及磁場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)域變化特征進(jìn)行全面分析,重點(diǎn)研究了核心筒結(jié)構(gòu)對(duì)空間磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減特性,初步得到以下結(jié)論:1)附著點(diǎn)仿真證明表面女兒墻位置及樓頂電梯機(jī)房等頂部凸出位置是所有位置中雷電直擊風(fēng)險(xiǎn)最高區(qū)域,不同結(jié)構(gòu)建筑物應(yīng)通過(guò)附著點(diǎn)仿真判定風(fēng)險(xiǎn)差異性特征,在附著點(diǎn)仿真結(jié)論最高位置處注入附近2 km監(jiān)測(cè)雷電流幅值該建筑物可能承受的較強(qiáng)雷電直擊典型特征。
3)磁場(chǎng)強(qiáng)度定性結(jié)論分析。表面頂部是磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)區(qū)域,底部樓層也相對(duì)較強(qiáng),中間樓層整體磁場(chǎng)較弱,但框架處磁場(chǎng)也有局部較強(qiáng)區(qū)域,定量分析結(jié)論表明,符合計(jì)算機(jī)場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)要求的場(chǎng)地位于中部樓層的核心筒位置并應(yīng)盡量遠(yuǎn)離框架等金屬結(jié)構(gòu)。
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