海上平臺欄桿結構設計規范探討

辛曉輝，王曉蕾，胡曉明，張 興，段艷麗

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

海上平臺欄桿是海上平臺和船舶防止人員墜落的防護結構，可分為可移動欄桿和焊接固定欄桿，一般是由立柱、橫檔、扶手組成的框架結構。從其在承重結構中的作用看屬于次要結構，從人身安全方面看，則是最基本的海上安全防護設施。一些規范推薦了防護欄桿的結構形式，一些規范給出了欄桿的荷載要求和計算參考公式，但沒有專門針對海上平臺欄桿結構設計荷載的規范。本文通過各規范的差異比較分析和相互引用關系論證[1]，結合力學計算分析和比較，為海上平臺欄桿的結構設計提供技術參考，并對欄桿的設計荷載和相關規范升版提出建議。

1 海上平臺欄桿相關規范概述

與海上平臺欄桿結構形式相關的主要設計規范：

①海上平臺欄桿(GB/T 3756—2014)[2]；②造船貨船欄桿(GB/T 23425—2009)[3]；③工業防護欄桿和鋼平臺(GB 4053.3—2009)[4]；④船用欄桿(CB/T 663—1999)[5]等。

與欄桿結構設計荷載相關的標準和參考手冊：

①工業防護欄桿和鋼平臺(GB 4053.3—2009)[4]；②建筑結構荷載規范(GB 50009—2012)[6]；③城市橋梁設計規范(CJJ 77—2011(2019年))[7]；④雪佛龍公司的人機工程手冊(1997)[8]等。

針對海洋平臺的國家和行業標準中只有海洋平臺欄桿結構形式的規定，而無針對其結構設計荷載的規定，因此需要參考與欄桿結構設計相關的荷載規范。

欄桿的結構形式如圖1所示，欄桿平臺布置如圖2所示。從結構方面看，欄桿的立柱和扶手是主要的受力結構，而立柱是欄桿荷載傳遞到海上平臺的支撐件。因此，立柱是欄桿的主要受力結構，其規格將直接影響扶手的規格和欄桿的承載能力，而扶手滿足人手扶握舒適性的需求則對欄桿立柱的規格有上限要求。

圖1 海上平臺典型欄桿結構圖Fig.1 Typical guardrail structure drawing of offshore platform

圖2 海上平臺欄桿實體圖Fig.2 Physical drawing of offshore platform guardrails

海上平臺欄桿荷載目前遵循2009年版的工業防護欄桿及鋼平臺相關要求，該規范的欄桿荷載推導主要依據 2001(2016)年版的建筑結構荷載規范，如今建筑結構荷載規范最新版是 2012年版，該規范現行版增大了欄桿的荷載值，這將直接影響工業防護欄桿及鋼平臺的欄桿荷載要求。

2 欄桿荷載規定比較

欄桿結構分析中立柱為關鍵桿件，扶手和橫檔按構造要求就能滿足受力要求，因此重點分析比較控制立柱設計的水平荷載規定。立柱的荷載規定見表1。

表1 立柱荷載比較[9-11]Tab.1 Comparison of post load

目前海上平臺欄桿設計依據的主要荷載規范是工業防護欄桿及鋼平臺，該規范荷載主要參考其1993年版和建筑結構荷載規范2001(2006)年版。

3 立柱荷載分析比較

通常為便于施工，海上平臺欄桿成片預制后吊裝到平臺，再將立柱與甲板焊接或用螺栓連接。從主要荷載規范看，都有均布荷載的規定，集中荷載可由均布荷載推導，因此均布荷載的變化可以作為荷載變化研究的主要對象。按最大柱間距 1.5m，跨數為 n，則由水平均布荷載推導的集中荷載如下式：

式中：F為立柱水平集中力；Q為均布荷載設計值(本式取700N/m)；L為立柱間距；n為欄桿跨數。

由跨數n的變化推導的集中荷載見表2。

表2 立柱集中荷載Tab.2 Post concentrated load

①欄桿的跨數越少，單根立柱按均布荷載推導的集中力越小，集中力應采用規范規定的集中力；②5跨 6腿欄桿的水平集中力 875N，小于現行工業防護欄桿及鋼平臺規定的 890N，為臨界跨數。③欄桿連續布置時，單根立柱水平集中力為均布值與柱間距之乘積，為最大集中力，即：

該力為欄桿連續設計時考慮的最大集中力，比工業防護欄桿與鋼平臺規范中規定的集中力要大，這是欄桿設計關鍵點之一。

4 工業防護欄桿及鋼平臺欄桿荷載建議

現行 2012年版建筑結構荷載規范，根據該規范條文說明：鑒于欄桿倒塌事故增多且后果嚴重，決定將欄桿頂部均布荷載增加，該荷載參照城市橋梁設計荷載標準(CJJ 77—1998)的1kN/m，因該版規范已于2008年10月1日廢止，目前橋梁行業執行的城市橋梁設計規范(CJJ 77—2011)于 2011年頒布(2019年修訂)，該規范規定水平均布荷載值為 2500N/m，遠遠高于現行建筑結構荷載規范，原因為：

①設計基準期高，現行城市橋梁設計規范中規定結構設計基準期應為100年，而現有工業與民用建筑的設計基準期為 50年[12]；②設計通行能力高，現行城市橋梁設計規范沿用了城市人行天橋與人行地道技術規范(CJJ69)[13]，適用于如 2400人/(h·m)設計通行能力的天橋、地道。

工業防護欄桿及鋼平臺2009年版制定均布荷載值時參考《建筑結構荷載規范》2001版的500N/m，2012年新版《建筑結構荷載規范》考慮到樓梯、上人屋面等的欄桿在緊急情況下對人身安全保護的重要作用，將民用欄桿頂部水平荷載標準值從 500N/m提高到 1000N/m，并將公用欄桿頂部水平荷載在1000N/m的基礎上再增加豎向荷載1200N/m，兩者分別考慮，不應同時作用(對海上平臺欄桿而言，水平荷載是控制設計的關鍵工況)。因此，工業防護欄桿及鋼平臺規定的均布荷載值已經小于國家基本荷載規范規定的均布荷載值，考慮到各門類規范升版的年限不同，建議工業防護欄桿及鋼平臺欄桿荷載升版時：①應遵循不低于現行建筑結構荷載規范的規定值；②應將集中力規定值的使用條件予以限定，或者在條文說明中予以限定。

5 荷載升版后對現有海上平臺欄桿設計的影響

海上平臺欄桿均布荷載和集中荷載升版增大后，將對目前的欄桿結構件規格、跨距和跨數產生較大影響[14]，目前平臺欄桿結構件常用管材規格為Ф48×3.5(單位mm)，控制工況為欄桿頂部由均布荷載產生的集中荷載，立柱根部受彎最大，其應力理論計算如下式：

式中：σmax為立柱根部最大應力；Q 為均布荷載設計值；L為立柱間距；H 為欄桿高度，取 H＝1.05m；W為立柱截面模量。

以常規海上平臺欄桿最大間距1.5m核算：

式中：f為欄桿強度設計值，按平臺常用 20鋼材質，取 f＝225MPa。

由此得出，規范荷載增加，立柱需要加強，但考慮到人手扶握的舒適性，立柱規格增加有限，故需通過減少立柱間距或采用高強度鋼材滿足設計要求。

6 結 論

通過以上分析，對海上平臺欄桿的荷載適用規范進行了梳理，對主要遵循的工業防護欄桿及鋼平臺規范欄桿荷載進行了全面的分析和比較，通過研究建筑結構荷載規范欄桿荷載的變化及原因，給出了工業防護欄桿及鋼平臺規范欄桿荷載升版的建議。