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高层建筑深基础接地装置可行性探讨
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内容提示：高层建筑深基础作为接地装置在实践中有一定的应用，但设计时大部分是建立在实际工程经验的基础上，所以在具体的应用上有一定的争议。以厦门电力调度中心工程接地装置的选用作为例子，对高层建筑深基础接地装置的接地电阻进行等效计算，从而对深基础作为接地装置的做法给予计算上的支持。
摘 要：高层建筑深基础作为接地装置在实践中有一定的应用，但设计时大部分是建立在实际工程经验的基础上，所以在具体的应用上有一定的争议。以厦门电力调度中心工程接地装置的选用作为例子，对高层建筑深基础接地装置的接地电阻进行等效计算，从而对深基础作为接地装置的做法给予计算上的支持。
关键词：高层建筑;深基础接地装置;接地电阻;可行性探讨
1 高层建筑接地装置一般做法与争议
高层建筑中，常将动力系统的接地与防雷合用一个接地装置，并采用均压措施。而对于电力系统的通讯调度楼来说，在电力部行业标准《防雷技术标准及措施》中也有明确规定：“调度通讯综合楼内的通讯站应与同一楼内的动力装置、建筑物避雷装置共用一个接地网”。接地电阻要求小于1Ω。
接地装置包括自然接地体和人工接地体组成。
厦门电力调度中心是由华东电力设计院设计的。
大楼施工前，施工单位根据以往施工经验向筹建处提出以大厦桩基作为接地极的想法。为了慎重起见，我们特地跟厦门建筑设计院的电气专业设计人员请教厦门地区的具体情况。他们认为，由于厦门的独特的海岛地理位置，以建筑物深基础作为接地极是再合适不过的，而且效果也好。他们还介绍环员当湖一带的以深基础作为接地极的建筑物的接地电阻测试一般都在1Ω以下，并建议电力调度中心也采用这种方式。
但是施工交底时与设计院设计人员提出这个问题时，设计人员与我们还是存在了意见上的分歧。设计院的意见还是在以基础作为接地极只是建立在经验的基础上。（参考《建筑中文网》）
2 高层建筑以深基础作为接地极可行性探讨
2.1 高层建筑桩基基础结构分析
高层建筑的基础桩基，在结构上都是等效于将一根根钢筋混凝土柱子深入地中，直达几十米深的岩层。桩基上做大厦的承台，承台也是用钢筋混凝土制作的，它把桩基联成一体。承台上是大厦的剪力墙及柱子，大厦的地面部分就座落在承台上。构成如图1：
图1 高层建筑桩基基础结构
2.2 深基础接地极接地电阻等效计算方法的探讨
2.2.1 接地电阻值
接地线的电阻很小，可以略去不计，所以一般认为接地电阻等于流散电阻。以下的讨论也是以此为基础展开的。
2.2.2 单根桩基接地电阻的等效计算
所以我们根据最不利点的原则，将同一桩内多根钢筋的流散方式等效为单根同径钢筋的流散作用，即可等效为圆柱混凝土中的垂直圆钢接地体。这样，我们就可以计算出单根桩基的流散电阻RC：RC=ρ/(2πl)*ln(d1/d2) ρ1/(2πl)*ln(4l/d1)
电阻系数如表1：
2.2.3 多根桩基组成的组合接地装置接地电阻的等效计算
有了单根桩基的等效计算方法，我们就可以将单根桩等效为一根棒型垂直接地体，其流散电阻RC为以上计算所得的值。考虑到各根桩基彼此之间流散电流相互干扰而产生的屏蔽作用，利用下式可计算出这组接地装置的工频流散电阻RC总：RC总= RC/(n*η)
n ：组合接地桩基数量；η：接地体利用系数
其中接地体利用系数η选择如下表2：（a:L为接地体距离与其长度比值）
2.2.4 冲击接地电阻的计算
以上为工频接地电阻的计算。冲击接地电阻是指雷电流流经接地装置泄入大地时所受到的接地电阻，包括接地线电阻与流散电阻。由于强大的雷电流泄入大地时，在接地体附近形成较大电场，泄入处土壤被击穿并产生火花，使流散电阻显著降低。同时土壤电阻系数也随着电场强度的增加而降低。当然，由于雷电波陡度大，具有高频特性，同时会使接地线的感抗有所增加，对于比较短的接地体，接地线的阻抗比起流散电阻来，毕竟是较小的，可以忽略。但对于较长的接地体，雷电流的高频特性引起接地体较大的电抗阻碍了后续电流的流散，考虑这一因素，接地体有效长度应按L=2*ρ计算。（其中ρ为接地体周围介质电阻系数）
因此，总的说来，冲击电阻一般小于工频接地电阻。冲击接地电阻RCH可用下式计算：
3 该计算方法在实际中的应用
3.1 实际计算运用情况
现在，有了以上的近似等效计算方法，我们不妨以一个实际工程作为例子来验证以下。我们还是以厦门电力调度中心作为例子进行讨论。厦门电力调度中心共有桩基356根，每根桩长50米，直径800mm，桩内钢筋笼长24米，每个钢筋笼配筋情况为12∮20主筋，箍筋为∮8＠200，并以点焊形式将钢筋笼连为一体。现在我们将一根桩基等效为一根直径为800mm，中含一直径20mm，长24m钢筋的圆柱混凝土接地极。我们可计算出单根的流散电阻RC：
根据表2，厦门电力调度中心地下为砂质粘土，地下水含盐成分，选土壤电阻系数ρ1=30Ω*米，混凝土在湿土中电阻系数ρ=200Ω*米，钢筋长度L=24米，直径d2=0.02米,桩基直径d1=0.8米,得出:
然后我们再从356根中选取一组相互距离为12米共计16根的桩基组成环行垂直接地体，从表2选取利用系数η=0.4，可算出本接地装置的接地电阻RC总：
RC总= RC/(n*η)=5.84/(16*0.4)=0.91Ω
3.2 实际测试情况
以上的计算要求在施工中电气专业与土建专业配合，将有关钢筋按要求焊接起来。厦门电力调度中心大楼在基础施工完毕后，并准备进行上部工程的施工时，我们与施工单位对柱内引下线预埋件进行接地电阻测试，结果非常令人满意，为0.21Ω，即使当作测量时为刚降过雨而乘上一季节调整系数3，也只有0.63Ω，也是一较令人满意的结果。虽然测试结果比较满意，但是由于调度中心利用桩基作为接地极的提法在图纸会审时被设计院否定，所以在桩基施工时，也未进行电气焊接上的专门配合。所以最终根据设计要求进行了环形接地极的施工。97年4月8日大楼基本全面竣工时，我们又测了一次接地电阻为0.12～0.14Ω。
4 深基础接地装置可行性探讨的意义
在前面的结构特点中我们已提及利用基础组成的接地网具有巨大表面积的流散面，有很高的热稳定性与疏散电流的能力，接地电阻低，而且由于高层建筑基础很深，有的常在地下水位以下，使得接地电阻终年稳定，不受季节、气候影响；同时利用大厦的桩基及承台钢筋做接地极，使整个建筑物地下如同敷设了均压网，使地面电位分布均匀；施工方便，可省去大量土方开挖工程量，施工时，只要与土建专业做好配合，把有关钢筋焊接起来即可，这样就节省了大量的钢材；同时由于利用了结构钢筋，平时这些钢筋被混凝土保护，不易腐蚀，不受机械损伤，使得维护工程量降至最少限度。 来源: 《建筑中文网》.
关键词：高层建筑;深基础接地装置;接地电阻;可行性探讨
1 高层建筑接地装置一般做法与争议
高层建筑中，常将动力系统的接地与防雷合用一个接地装置，并采用均压措施。而对于电力系统的通讯调度楼来说，在电力部行业标准《防雷技术标准及措施》中也有明确规定：“调度通讯综合楼内的通讯站应与同一楼内的动力装置、建筑物避雷装置共用一个接地网”。接地电阻要求小于1Ω。
接地装置包括自然接地体和人工接地体组成。
厦门电力调度中心是由华东电力设计院设计的。
大楼施工前，施工单位根据以往施工经验向筹建处提出以大厦桩基作为接地极的想法。为了慎重起见，我们特地跟厦门建筑设计院的电气专业设计人员请教厦门地区的具体情况。他们认为，由于厦门的独特的海岛地理位置，以建筑物深基础作为接地极是再合适不过的，而且效果也好。他们还介绍环员当湖一带的以深基础作为接地极的建筑物的接地电阻测试一般都在1Ω以下，并建议电力调度中心也采用这种方式。
但是施工交底时与设计院设计人员提出这个问题时，设计人员与我们还是存在了意见上的分歧。设计院的意见还是在以基础作为接地极只是建立在经验的基础上。（参考《建筑中文网》）
2 高层建筑以深基础作为接地极可行性探讨
2.1 高层建筑桩基基础结构分析
高层建筑的基础桩基，在结构上都是等效于将一根根钢筋混凝土柱子深入地中，直达几十米深的岩层。桩基上做大厦的承台，承台也是用钢筋混凝土制作的，它把桩基联成一体。承台上是大厦的剪力墙及柱子，大厦的地面部分就座落在承台上。构成如图1：
图1 高层建筑桩基基础结构
2.2 深基础接地极接地电阻等效计算方法的探讨
2.2.1 接地电阻值
接地线的电阻很小，可以略去不计，所以一般认为接地电阻等于流散电阻。以下的讨论也是以此为基础展开的。
2.2.2 单根桩基接地电阻的等效计算
所以我们根据最不利点的原则，将同一桩内多根钢筋的流散方式等效为单根同径钢筋的流散作用，即可等效为圆柱混凝土中的垂直圆钢接地体。这样，我们就可以计算出单根桩基的流散电阻RC：RC=ρ/(2πl)*ln(d1/d2) ρ1/(2πl)*ln(4l/d1)
电阻系数如表1：
2.2.3 多根桩基组成的组合接地装置接地电阻的等效计算
有了单根桩基的等效计算方法，我们就可以将单根桩等效为一根棒型垂直接地体，其流散电阻RC为以上计算所得的值。考虑到各根桩基彼此之间流散电流相互干扰而产生的屏蔽作用，利用下式可计算出这组接地装置的工频流散电阻RC总：RC总= RC/(n*η)
n ：组合接地桩基数量；η：接地体利用系数
其中接地体利用系数η选择如下表2：（a:L为接地体距离与其长度比值）
2.2.4 冲击接地电阻的计算
以上为工频接地电阻的计算。冲击接地电阻是指雷电流流经接地装置泄入大地时所受到的接地电阻，包括接地线电阻与流散电阻。由于强大的雷电流泄入大地时，在接地体附近形成较大电场，泄入处土壤被击穿并产生火花，使流散电阻显著降低。同时土壤电阻系数也随着电场强度的增加而降低。当然，由于雷电波陡度大，具有高频特性，同时会使接地线的感抗有所增加，对于比较短的接地体，接地线的阻抗比起流散电阻来，毕竟是较小的，可以忽略。但对于较长的接地体，雷电流的高频特性引起接地体较大的电抗阻碍了后续电流的流散，考虑这一因素，接地体有效长度应按L=2*ρ计算。（其中ρ为接地体周围介质电阻系数）
因此，总的说来，冲击电阻一般小于工频接地电阻。冲击接地电阻RCH可用下式计算：
3 该计算方法在实际中的应用
3.1 实际计算运用情况
现在，有了以上的近似等效计算方法，我们不妨以一个实际工程作为例子来验证以下。我们还是以厦门电力调度中心作为例子进行讨论。厦门电力调度中心共有桩基356根，每根桩长50米，直径800mm，桩内钢筋笼长24米，每个钢筋笼配筋情况为12∮20主筋，箍筋为∮8＠200，并以点焊形式将钢筋笼连为一体。现在我们将一根桩基等效为一根直径为800mm，中含一直径20mm，长24m钢筋的圆柱混凝土接地极。我们可计算出单根的流散电阻RC：
根据表2，厦门电力调度中心地下为砂质粘土，地下水含盐成分，选土壤电阻系数ρ1=30Ω*米，混凝土在湿土中电阻系数ρ=200Ω*米，钢筋长度L=24米，直径d2=0.02米,桩基直径d1=0.8米,得出:
然后我们再从356根中选取一组相互距离为12米共计16根的桩基组成环行垂直接地体，从表2选取利用系数η=0.4，可算出本接地装置的接地电阻RC总：
RC总= RC/(n*η)=5.84/(16*0.4)=0.91Ω
3.2 实际测试情况
以上的计算要求在施工中电气专业与土建专业配合，将有关钢筋按要求焊接起来。厦门电力调度中心大楼在基础施工完毕后，并准备进行上部工程的施工时，我们与施工单位对柱内引下线预埋件进行接地电阻测试，结果非常令人满意，为0.21Ω，即使当作测量时为刚降过雨而乘上一季节调整系数3，也只有0.63Ω，也是一较令人满意的结果。虽然测试结果比较满意，但是由于调度中心利用桩基作为接地极的提法在图纸会审时被设计院否定，所以在桩基施工时，也未进行电气焊接上的专门配合。所以最终根据设计要求进行了环形接地极的施工。97年4月8日大楼基本全面竣工时，我们又测了一次接地电阻为0.12～0.14Ω。
4 深基础接地装置可行性探讨的意义
在前面的结构特点中我们已提及利用基础组成的接地网具有巨大表面积的流散面，有很高的热稳定性与疏散电流的能力，接地电阻低，而且由于高层建筑基础很深，有的常在地下水位以下，使得接地电阻终年稳定，不受季节、气候影响；同时利用大厦的桩基及承台钢筋做接地极，使整个建筑物地下如同敷设了均压网，使地面电位分布均匀；施工方便，可省去大量土方开挖工程量，施工时，只要与土建专业做好配合，把有关钢筋焊接起来即可，这样就节省了大量的钢材；同时由于利用了结构钢筋，平时这些钢筋被混凝土保护，不易腐蚀，不受机械损伤，使得维护工程量降至最少限度。 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/11572.htm
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