國內外球接欄桿設計參數比較及其在國外污水廠防護工程中的應用

楊發峻，楊 非，黃 河，劉 質，丁 維

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.中國電建集團國際工程有限公司，北京 100036；3.北京國環清華環境工程設計研究院有限公司，北京 100086)

0 前 言

孟加拉達舍爾甘地污水處理廠工程項目位于孟加拉國首都達卡市東郊，項目業主為達卡市水務局(Dhaka Water Supply and Sewerage Authority)，設計污水處理能力為50萬m3/d。該項目是南亞地區在建規模最大的污水處理廠，對改善孟加拉國首都達卡市的環境具有重要的政治、經濟和社會意義。該項目由中國政府提供優惠貸款，工作內容包括設計、采購、施工和一年期運營維護技術服務。

該污水處理廠建筑物頂部安全通道的安全護欄采用球接護欄，單側總長度約為11 500 m。球接護欄也稱球型護欄，主要采用球接垂直立柱并連接水平欄桿。項目咨詢工程師批準的材料是Q235A熱鍍鋅鋼，球接護欄采用工廠生產，現場安裝。根據設計采用雙球立桿。球型欄桿具有新穎美觀、安裝方便、免維護等特點，可應用于礦山、電力、石化、碼頭、供水廠和污水處理廠的走道和安全防護欄。

2015年由中國建筑標準設計研究院推出的樓梯、欄桿和欄板的標準圖集(15J403-1)中，提供了五種平臺欄桿，即：鋼欄桿(PA型)、不銹鋼欄桿(PB型)、玻璃鋼欄板(PC型)、金屬板欄桿(PD型)和鋼筋混凝土欄板(PE型)。以上五種類型的欄桿均不宜用于污水處理廠三大池，即：初沉池、二沉池和生化池和其他部位的工程用欄桿，污水處理廠三大池的欄桿用于污水處理廠日常維護用，屬于非人員密集型場所。

孟加拉達舍爾甘地污水處理廠平臺防護欄桿推薦的是雙球立桿，其適合污水處理廠的特殊條件。我國尚未正式出版有球形欄桿的設計規范。目前可查到的球型平臺欄桿的標準是由中華人民共和國工業和信息化部推出的2020年的規范討論稿[1]。

了解國內外護欄的設計標準，特別是設計荷載、最大允許撓度、荷載分項系數的規定、錨固的設計、錨固板厚度的設計和國內外設計規范的差異等對于更好開展相應的設計工作，更好適應國外EPC總承包工程具有現實意義。基于對比結果，本文開展了球型平臺欄桿的設計，并將結果應用于孟加拉達舍爾污水處理廠工程實踐。另外，根據本文的工程實踐，探討了國內球接平臺欄桿規范待增加和待改進的內容和開展國外EPC總承包工程對技術規范的建議。

1 國內外球接欄桿設計參數比較

1.1 國內外規范對欄桿荷載大小的規定

國內外規范對欄桿荷載的規定見表1。由表1看出，澳大利亞采用0.55 kN的集中荷載或0.33 kN/m的均布荷載，英國欄桿設計一般用0.36 kN或0.76 kN/m均布荷載。美國標準采用0.76 kN/m的線荷載和采用0.89 kN集中荷載，這是適用于公路工程防護欄桿的設計荷載。中國2006年12月出版的圖集，其欄桿設計荷載一般采用0.5 kN/m，2015年以后，欄桿的設計荷載提高到1 kN/m及其以上。

表1 國內外規范對欄桿荷載大小的規定

即將出版的鋼格板平臺球型護欄行業標準規定了三種荷載標準，即0.5 kN/m、0.89 kN/m和1 kN/m，融合了低、中和高三種平臺欄桿荷載的規定。但尚未明確規定不同的設計荷載的欄桿適用于哪種類型的工程。

從表1看出，中國欄桿荷載設計標準[2-10]高于英標和澳大利亞標準，但低于美標。美標欄桿設計荷載用于道路工程，超出了平臺球接欄桿應用范圍。

1.2 國內外欄桿最大撓度值比較

國內外規范對欄桿最大撓度值的規定見表2。假定欄桿扶手跨度設計值為1 200 mm，欄桿立柱高度為1 100 mm，各國標準允許撓度值見表2備注。

表2 國內外規范對欄桿最大撓度的規定

從表2可看出，中國標準對水平欄桿扶手撓度的規定最為嚴格，為4.8 mm；第二個是國際建筑法規，為6.6 mm；第三個是澳大利亞標準，為13.3 mm；第四個是英國標準，為25 mm；最寬限似乎是美標，但美標的荷載最大，有集中荷載和均布荷載同時作用。

對于垂直立柱的撓度，各國標準的嚴格程度排序為：澳標(13.3 mm)>孟加拉建筑法規2006(19.6 mm)>國際建筑法規2015(18.3 mm)>英標(25 mm)>YBT4001.2-2020(30 mm)>GB4053.3-2009(75 mm)>ASTM E 985(91 mm)。

值得注意的是，專門用于平臺球形護欄最新將頒布的標準YBT4001.2-2020(討論稿)將是首個類似工程的標準，該標準對水平欄桿撓度的規定嚴于各國標準；而對于垂直立柱撓度的規定，略寬松于英標。其作用在立柱上荷載兼顧了美標、英標和中國現有的標準。

1.3 國內外規范對欄桿荷載分項系數的規定

國內外規范對欄桿荷載分項系數的規定見表3。

從表3可看出，欄桿荷載分項系數，英標最高為1.50，中國標準和美國標準相同為1.40。

表3 國內外欄桿規范對荷載分項系數值的規定

1.4 國內外規范對欄桿計算模型的規定

國內外規范對欄桿計算模型的規定相同，即水平欄桿采用簡支模型計算，垂直立桿采用懸臂結構計算。根據英國規范，欄桿所受荷載不進行組合設計。

2 達舍爾甘地污水處理廠應用實踐

2.1 球接防護欄桿用材料

孟加拉達舍爾甘地污水出廠球接欄桿和錨板設計采用Q235A熱鍍鋅材料，材料的設計參數見表4。

表4 孟加拉達舍爾甘地污水出廠球接欄桿設計采用材料

2.2 球接防護欄桿設計荷載

最初設計是采用國內標準圖的說明報咨詢審批，而咨詢采用最高設計標準，即采用國標的設計荷載。

2.3 球接防護欄桿標準尺寸

球接防護欄桿的尺寸是根據廠家已有的鋼管尺寸進行的設計，變換不同的欄桿的尺寸進行設計后，確定最終的水平欄桿、立柱、球鉸的尺寸和厚度，見表5。

2.4 球接欄桿應力和變形設計

采用1 kN/m的設計荷載，達舍爾甘地污水處理廠球接欄桿應力和變形的設計結果列入表5。

表5 孟加拉達舍爾甘地污水處理廠球接欄桿設計結果

從表5可看出，立柱管的應力最大，為203 MPa，小于215 MPa。立管在正常使用狀態下的變形為11 mm，小于30 mm。上下水平欄桿的最大位移值為2.8 mm，小于4.8 mm。孟加拉達舍爾甘地污水處理廠球接欄桿的設計滿足最為嚴格的中國標準。上下水平欄桿和立柱管的壁厚大于規范建議值。

2.5 球接欄桿熱應力和變形設計

設計考慮采用6 m長的鋼管做欄桿，考慮當地最大溫度梯度25℃的情況，設計得出其最大的變形為2.03 mm。為消除溫度應力，每6 m長的鋼管需減少3 mm。

2.6 錨板厚度和錨板受壓承載能量設計

采用美國鋼結構設計規范(AISC360-05) 對錨板厚度進行了校核，計算得到在外部荷載作用下，錨板厚度的最小值為0.70 mm，國內標準圖集規定，錨板的最小厚度不得低于8 mm。實際采用的是12 mm厚的錨板，設計滿足要求。錨板的尺寸為150 mm×150 mm。

采用AISC360-05對錨板承載壓力進行了設計校核，結果表明，采用錨板得尺寸滿足要求。

2.7 膨脹螺栓設計

錨板下部的膨脹螺栓采用的是咨詢指定的產品。根據螺栓孔的間距和外部荷載，設計對膨脹螺栓的承載能力和拔出力進行了計算，結果滿足要求。

2.8 球鉸、水平欄桿、垂直立桿、間尺寸相容性檢查

設計對球鉸與水平欄桿和垂直立桿尺寸相容性進行了檢查，其結果滿足要求。

3 問題討論

3.1 設計荷載

美標的欄桿設計荷載是考慮車輛交通的設計荷載，在無交通荷載作用下的欄桿設計荷載是否需超過美標規定值，值得商榷。

采用英標的國外廠家球接防護欄桿的設計，其尺寸小于中國的設計。這是由于采用荷載標準不同所致。污水處理廠工程屬于非人群聚集區，其荷載設計標準是否需按最高荷載確定是值得商榷的。

3.2 球接欄桿設計規范

我國尚未正式出版球接欄桿設計規范，目前只有討論稿。因無正式的規范，該類型的欄桿的名稱并沒有統一的規定，“球接欄桿”的稱謂似乎好于“球型欄桿”。討論稿只對應力計算和位移計算有示例，但對其他細節尚未做詳細的規定，未包括本文中的設計內容。在孟加拉達舍爾甘地污水處理廠建設項目，最初咨詢工程師審核承包人的設計時，認為錨固板的設計厚度不夠，需提交設計校核并給出依據。因而，完善的設計規范對工程才具有指導意義。

3.3 設計細節

國內工程只需參照標準圖即可施工。而國外EPC總承包工程(包括設計施工工程)中，咨詢工程師要求承包人給出設計依據、設計計算書以及詳細設計圖紙。設計規范越詳細，指導性才越強。

在國際工程中采用英美標準往往容易順利通過咨詢的審核和審批，而采用中國標準其咨詢審核的時間非常長。我國球接欄桿設計規范，與國際標準接軌尚有不少工作待做。

3.4 關于EPC總承包合同中的技術書

在國外EPC總承包工程合同執行階段，咨詢工程師往往對合同價格并不關心，工程質量是咨詢工程師首要考慮因素。設計師為能完成設計任務，往往需要做配合工作。因而，國外EPC總承包工程，若能在合同中明確細化設計參數和材料標準，則在項目執行階段可避免在討論設計標準、材料標準和設計參數上浪費大量的時間，真正做到合同對執行的雙方公正合理。

4 結 語

專門用于平臺球形護欄最新將頒布的標準YBT4001.2-2020(討論稿)對水平欄桿撓度的規定嚴于各國標準；而對于垂直立柱撓度的規定，略寬松于英標；其作用在立柱上的荷載兼顧了美標、英標和中國現有的標準的規定。

我國2015年標準圖集(15J403-1)，其欄桿的設計荷載和最大撓度允許值高于英美標準。污水處理廠結構物頂部屬于非人群聚居區，其球接欄桿荷載設計采用英國標準應更為合理。國外EPC總承包工程，若能在合同階段完善設計參數和材料參數，將有利于合同的順利執行，對簽訂合同的雙方更為公正合理。

孟加拉污水處理廠球接欄桿采用中國的荷載標準進行的設計，采用了美國鋼結構設計規范對錨板厚度和承載壓力進行了必要的復核，對膨脹螺栓的拔出力和承載能量進行了必要的計算。本工程的設計和工程實踐對完善行業標準和開展類似國外總承包工程可提供一定的借鑒作用。