徐 丹，林建茂

（福建省交通科研院有限公司，福建 福州 350004）

欄桿作為建筑物以及橋梁結(jié)構(gòu)物等附屬設(shè)施，雖然不是結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，但在保障人民生命財(cái)產(chǎn)中具有不可替代的作用。由欄桿結(jié)構(gòu)質(zhì)量引發(fā)的重大傷亡事件窮出不盡，如2013年荊州長(zhǎng)江大橋發(fā)生客車(chē)墜橋事件、2018年重慶萬(wàn)州區(qū)長(zhǎng)江二橋發(fā)生公交車(chē)墜江事件等。近年來(lái)也有不少學(xué)者展開(kāi)了欄桿結(jié)構(gòu)的性能研究；如文獻(xiàn)[1-3]分別從欄桿的分類(lèi)、構(gòu)成、使用功能等方面剖析如何進(jìn)行橋梁欄桿設(shè)計(jì)選型；文獻(xiàn)[4-5]研制了一種新型復(fù)合GFRP（glass fiber reinforced polymer,玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）欄桿，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，該類(lèi)欄桿結(jié)構(gòu)具有較高的安全儲(chǔ)備性能和經(jīng)濟(jì)效益；文獻(xiàn)[6]基于理論分析與實(shí)際情況，提出了欄桿變形限值，并采用數(shù)值法分析欄桿在不同荷載工況下的受力狀態(tài)，最后提出了一套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

綜上所述，目前關(guān)于橋梁欄桿的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型、新型復(fù)合欄桿結(jié)構(gòu)力學(xué)性能等方面，而關(guān)于常見(jiàn)的鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)安全性能研究暫未見(jiàn)過(guò)相關(guān)報(bào)道。為此本文以福州市鋼管式橋梁欄桿為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述了該類(lèi)欄桿的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能以及是否滿(mǎn)足修訂后的《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 11-2011[7]（2019年版）要求，該研究可為同類(lèi)橋梁欄桿結(jié)構(gòu)的承載力評(píng)定提供參考與借鑒。

1 鋼管式欄桿結(jié)構(gòu)

鋼管式欄桿結(jié)構(gòu)是由扶手、立柱、橫桿和豎桿四種桿件組成，各個(gè)桿件接頭采用焊縫方式連接，立柱底板與人行道縱（橫）梁通過(guò)膨脹螺栓固定或鋼板焊接。鋼管式欄桿結(jié)構(gòu)根據(jù)截面的不同，可分為矩形、圓形、橢圓形等多種形式，福州市市政橋梁欄桿主要以圓形和矩形兩種為主，圓形式欄桿主要用于跨越道路的人行天橋；矩形式欄桿主要用于跨越江、河橋梁。鋼管式欄桿立面構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 鋼管式欄桿立面圖

2 欄桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

欄桿是保證橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮正常使用功能的附屬設(shè)施，應(yīng)具備一定的承載能力和剛度。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于橋梁欄桿設(shè)計(jì)荷載規(guī)范暫未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求，相關(guān)規(guī)范要求規(guī)定詳見(jiàn)表1。

表1 橋梁欄桿結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)要求

（1）根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)欄桿的荷載設(shè)計(jì)考慮，欄桿可以分為普通欄桿和防撞護(hù)欄兩類(lèi)，且兩者的荷載差異顯著。

（2）對(duì)于普通欄桿，早期國(guó)內(nèi)外規(guī)范僅對(duì)扶手和立柱柱頂均布荷載做出要求，2019年版的《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 11-2011[7]明確規(guī)定欄桿立柱柱頂?shù)募型屏?yīng)為扶手水平荷載集度與柱間距的乘積，并列入為強(qiáng)制性條文執(zhí)行。

（3）國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范均對(duì)欄桿設(shè)計(jì)荷載值做出規(guī)定，但數(shù)值大小相差較大，其中《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》[9]和《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[7,11]規(guī)范對(duì)欄桿扶手的豎向和水平力均布荷載要求一致且高于其它規(guī)范要求值。

（4）上述規(guī)范都對(duì)欄桿的設(shè)計(jì)荷載值做出規(guī)定，但對(duì)其變形量等指標(biāo)沒(méi)有做出相應(yīng)的要求。目前僅《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》CJJ/T 233-2015[13]要求欄桿水平位移量不超過(guò)扶手高度（H）的1/120，而關(guān)于豎向均布荷載引起的擾度值也沒(méi)有做出具體要求。參照《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》[9]條文規(guī)定，建議豎向均布荷載產(chǎn)生的扶手?jǐn)_度值不得大于柱間距（L）的1/800。

綜合上述分析，本文以福州市市政橋梁鋼管式普通欄桿結(jié)構(gòu)安全性能為研究對(duì)象，探究該類(lèi)型欄桿設(shè)計(jì)質(zhì)量是否滿(mǎn)足修訂后的《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 11-2011[7]（2019年版）強(qiáng)制性條文要求。

3 欄桿結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 數(shù)值分析模型

兩種不同形式的欄桿構(gòu)件尺寸見(jiàn)表2。運(yùn)用Midas Civil（MIDAS公司2019年V1.1版本）有限元軟件分別建立五跨一聯(lián)的圓形和矩形式不同截面形式的欄桿結(jié)構(gòu)，均采用空間梁?jiǎn)卧?lèi)型建立模型，立柱底座與人行道橫（縱）梁錨固采用軟件自帶的固結(jié)方式功能模擬邊界條件，各根桿件節(jié)點(diǎn)之間焊接近似為剛性連接；欄桿材質(zhì)彈性模量值為198 GPa，泊松比為0.3；各根桿件按每15 cm左右劃分為一個(gè)梁?jiǎn)卧瑑煞N不同截面形式的欄桿結(jié)構(gòu)分別由603、561個(gè)梁?jiǎn)卧M成。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段欄桿有限元模型如圖2所示。

表2 欄桿構(gòu)件尺寸

圖2 鋼管式欄桿有限元模型

3.2 荷載工況

《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 11-2011（2019年版）[7]規(guī)定應(yīng)分別對(duì)欄桿扶手進(jìn)行豎向均布荷載、水平向外均布荷載和立柱柱頂集中推力三種試驗(yàn)工況的作用分析，且三者應(yīng)分別計(jì)算，不可與其他可變作用疊加。在三維有限元建模過(guò)程中，規(guī)定垂直于欄桿扶手豎直向上為Z軸的正向，垂直于欄桿扶手水平向外為Y軸的正向，沿行車(chē)方向?yàn)閄軸的正向。三種不同的荷載工況作用情況詳見(jiàn)表3。

表3 各荷載工況規(guī)范要求

3.3 有限元數(shù)值分析結(jié)果

有限元數(shù)值分析結(jié)果表明，在工況1豎向1.2 kN/m均布荷載作用下，欄桿扶手最大位移值出現(xiàn)在第一跨與第五跨跨中位置處，且大小相等；在工況2水平2.5 kN/m均布荷載作用下，欄桿扶手最大位移值出現(xiàn)在第三跨跨中截面位置處；在工況3水平荷載集度與柱間距乘積的集中荷載作用下，立柱柱頂最大位移值出現(xiàn)在第三欄欄桿位置處左、右立柱柱頂截面處（3#、4#立柱）。各個(gè)荷載工況下，對(duì)應(yīng)構(gòu)件控制截面處的位移值見(jiàn)表4。

考慮現(xiàn)場(chǎng)均布荷載不易實(shí)施加載，根據(jù)位移等效原則，分別計(jì)算工況1、工況2所對(duì)應(yīng)的控制截面處施加的等效集中荷載值大小，使得其產(chǎn)生的位移值與規(guī)范要求荷載分布工況結(jié)果一致。以圓形式欄桿為例，工況1、工況2有限元等效加載計(jì)算見(jiàn)圖3；不同荷載工況下所對(duì)應(yīng)的加載集中力大小見(jiàn)表4。

表4 有限元數(shù)值分析結(jié)果

圖3 圓形式截面欄桿等效加載集中力示意圖

4 欄桿試驗(yàn)及結(jié)果

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

隨機(jī)抽取福州市某線路的人行天橋和跨江橋梁兩座不同截面形式的鋼管式欄桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)。工況1加載方式為在第一跨或者第五跨欄桿扶手跨中位置處臨時(shí)固定一根水平鋼棒，并在鋼棒中部通過(guò)繩子懸掛砝碼方式從而達(dá)到施加豎向荷載力；工況2、工況3加載方式為分別在第三跨跨中扶手水平處位置、3#立柱或者4#立柱柱頂截面處依次將千斤頂定位帽鋼板環(huán)抱箍固定在對(duì)應(yīng)控制截面處，保證加載過(guò)程中千斤頂始終處于水平線上，并依靠臨時(shí)反力架作為支撐逐級(jí)加載水平向外的推力，直至要求值；與此同時(shí)也在相應(yīng)的控制截面處安裝位移計(jì)千分表?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載示意見(jiàn)圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)加載示意圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

各個(gè)工況荷載均按5級(jí)加載進(jìn)行，即按等效荷載值的20%、40%、60%、80%、100%加載，每級(jí)荷載加載后觀測(cè)3 min并讀取位移值，最后一級(jí)荷載觀察時(shí)間不低于10 min，方可拆卸砝碼或千斤頂油泵并量測(cè)殘余變形值。各加載工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示

表5 荷載作用下的控制截面位移 （單位：mm）

試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)荷載工況下，兩種欄桿構(gòu)件或構(gòu)件接頭焊縫均未出現(xiàn)明顯的變形、松動(dòng)、裂紋等異常現(xiàn)象。且卸載后的最大殘余變形率為8.7%，小于20%，說(shuō)明在加載試驗(yàn)過(guò)程中，欄桿材質(zhì)始終處于彈性工作狀態(tài)，未進(jìn)入彈塑性階段，也證實(shí)了節(jié)點(diǎn)焊縫質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比分析

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移值與理論計(jì)算值對(duì)比，不同荷載工況下各級(jí)控制截面加載對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖5可以看出，在各個(gè)荷載工況下各個(gè)加載等級(jí)的實(shí)測(cè)位移值均比理論計(jì)算值小。在五級(jí)荷載作用下，圓形式欄桿對(duì)應(yīng)工況下的控制截面的位移值（變形率）分別是0.22 mm（L/10000）、4.48 mm(H/246)、4.02 mm(H/274)；矩形式欄桿對(duì)應(yīng)工況的位移值（變形率）分別是 0.23 mm（L/8696）、2.78 mm(H/396)、2.54 mm(H/787)。

綜上分析可知，兩種不同截面形式的欄桿豎向擾度值遠(yuǎn)小于L/800，表明這類(lèi)欄桿結(jié)構(gòu)的豎向剛度安全系數(shù)高；扶手跨中截面和立柱柱頂處的水平向變形量也滿(mǎn)足規(guī)范要求的H/120限值，說(shuō)明福州市現(xiàn)有的鋼管式市政橋梁欄桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備系數(shù)較高，滿(mǎn)足修訂后的 《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ11-2011（2019年版）[7]強(qiáng)制性條文要求，可繼續(xù)正常使用。

6 結(jié)語(yǔ)

橋梁欄桿附屬設(shè)施在保障行人安全通行等方面具有舉足輕重地位，相關(guān)規(guī)范也進(jìn)一步提高其設(shè)計(jì)質(zhì)量要求。本文以福州市常見(jiàn)的鋼管式市政橋梁欄桿（圓形式截面和矩形式截面兩類(lèi)）安全性能為研究對(duì)象，依照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ11-2011（2019年版）[7]進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與有限元數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明現(xiàn)有的福州市鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備系數(shù)較高，滿(mǎn)足規(guī)范[7]強(qiáng)制性條文要求，可繼續(xù)使用。