城市橋梁裝配式人行景觀欄桿設計

封 偉，郭 強，王虎軍

(西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

人行欄桿，是人們十分熟悉的一種建筑設施，有著極其豐富的文化內涵，尤其對于人行景觀欄桿，更要賦予美學特性。它產生于漢代，距今已有2000多年的歷史，我們可以從那個時候的一些出土文物中看出欄桿的一些雛形[1]，近年來，由于不斷提高技術水平，引用新材料、新工藝，橋梁建設得到長足的發展，就欄桿而言，在結構型式和材料方面取得了極大的進展，便于裝配式安裝欄桿的功能美即遵循力學理論，滿足于功能需要，使欄桿形式服從功能。欄桿最起碼的功能要求——安全性，其次則是它的藝術性[2]。

我國對于景觀欄桿的研究多在于其藝術性方面，如同濟大學的《城市園林綠地規劃》將欄桿現代設計與古典園林精密結合，提出了欄桿設計的準則[3]；戴慎志等工程師從城市基礎設施工程設計方面對城市公園欄桿設計做了一些工程技術方面的探討[4]；華南工學院一些教授在《園林建筑設計》一書中也說到景觀欄桿設計的材質選擇原則首先要以當地建材為主才能做到因地制宜[5]。對于安全性方面的研究有所欠缺，無法指導設計，對于安全性方面的研究有所欠缺，無法指導設計，而在設計當中，一般只考慮強度因素，忽略欄桿撓度對使用感受的影響，因此本文根據設計規范，依托陜西省人行欄桿標準圖項目對人行欄桿進行詳細分析并提出一種化學螺栓加鉆尾釘連接的新型裝配式連接方式作為借鑒。

1 設計方法

根據《城市橋梁設計規范》(CJJ 11—2019)、《建筑防護欄桿技術標準》(JGJT 470—2019)采用midas Civil有限元軟件建立梁板實體模型，模擬荷載加載模式對其立柱和扶手進行了撓度分析和強度分析，根據《鋼結構設計規范》(GB50017—2017)對裝配式連接部位抗彎剪性能進行了分析。

1.1 構造要求

欄桿除了是一種保護裝置外，它還能帶來視覺上的安全感。欄桿的高度設計應根據橋梁所處的實際環境結合人的視覺和心理反應做出適宜的選擇。當橋下凈空較大時，欄桿高度應適當增加[1]，根據規范要求，人行道或安全帶臨空側的欄桿高度不應小于1.10 m，非機動車道臨空側欄桿高度不應小于1.40 m。上述欄桿高度為人行道表面至欄桿扶手頂面的距離。欄桿豎直構件間的最大凈間距不得大于110 mm，不宜采用有蹬踏面的結構。欄桿結構及底座設計必須安全可靠[6]。

在設計橋梁人行欄桿時，除應滿足受力要求以外，其欄桿造型、色調應與周圍環境協調。對重要橋梁宜作景觀設計[6]。當橋梁跨越快速路、城市軌道交通、高速公路、鐵路干線等重要交通通道時，橋面人行道欄桿上應加設護網，護網高速不應小于2 m，護網長度宜為下穿道路的寬度并各向路外延長10 m[6]。

當欄桿設置照明裝置時，應有可靠接地裝置[6]。

1.2 荷載取值

根據《城市橋梁設計規范》(CJJ 11—2019)：作用在橋上人行道欄桿扶手上的豎向荷載應為1.2 kN/m；水平荷載應為2.5 kN/m。兩者應分別計算，且不應與其它可變作用疊加。立柱柱頂推力應為扶手水平荷載集度與柱間距的乘積[6]。

荷載工況：人行道欄桿設計荷載：水平推力2.5 kN/m，豎向力1.2 kN/m。

1.3 失效模式判定

根據《建筑防護欄桿技術標準》(JGJT 470—2019)：防護欄桿立柱頂部在設計荷載作用下位移極限值應取30 mm，扶手撓度限值應為扶手長度的1/250[7]。

由于立柱的變形會帶動扶手，因此扶手的變形理論上大于立柱變形，為了保證行人的安全性，扶手和立柱的變形限值均取30 mm。

2 依托項目

依托項目為2021年陜西省建筑標準設計項目—人行道裝配式欄桿標準設計，選用本標準圖集一種代表性人行道裝配式欄桿—裝配式鋼質波浪形人行欄桿進行分析。

該鋼質欄桿扶手和橢圓套管采用鋁合金材料，欄板與立柱采用Q235B型鋼，立柱根據受力(上小下大)采用變截面工字型截面，扶手采用橢圓130 mm×80 mm×6 mm截面，上下橫桿采用50 mm×30 mm×3 mm矩形鋼管，豎管采用折線形20 mm×20 mm×2 mm矩形鋼管，橢圓扶手內采用LED成像燈。

2.1 強度及撓度計算

欄桿扶手和橢圓套管采用6063-T5鋁合金材料，根據《鋁合金結構設計規范》(GB 50429—2007)，其抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為90 MPa，抗剪強度設計值為55 MPa；欄板與立柱采用Q235B型鋼，根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)，其抗拉、抗壓、抗彎強度為190 MPa。

由于是裝配式欄桿，按每個欄桿節間裝配，因此采用簡支計算。采用midas Civil有限元軟件建立3個節段，全橋共744個梁單元，釋放立柱與扶手的彎矩約束(模擬簡支約束)，立柱底部采用固結約束，欄板構件采用共節點連接。立柱采用變截面工字型截面，Q235鋼材；扶手采用橢圓形截面，鋁合金6063-T5材料；欄板采用型鋼截面，Q235鋼材，完成有限元模型的建立。

由于規范要求人行道欄桿設計荷載：水平推力2.5 kN/m，豎向力1.2 kN/m，且對于水平荷載和豎向荷載應分別計算，與其他可變作用不能疊加，因此只需分別考慮這兩種荷載與欄桿自重分別進行荷載組合即可。因此，設置兩種工況：工況一：1.2自重+1.0水平荷載；工況二：1.2自重+1.0豎向荷載。

表1 各個工況計算結果

在工況一作用下，該裝配式人行欄桿的立柱最大應力存在于立柱底部，為49.9<190 MPa，扶手最大應力存在于扶手中部，為22.5<90 MPa；在工況二作用下，最大應力存在于扶手中部，為17.4<90 MPa，滿足規范要求。

在工況一作用下，該裝配式人行欄桿的最大變形存在于扶手中部，為3.1<30 mm；在工況二作用下，最大撓度存在于立柱中部，為0.9 mm

綜上所述，人行欄桿滿足強度驗算和撓度驗算。

2.2 裝配式連接及局部連接計算

(1)裝配式連接方式

傳統的鋼質人行欄桿立柱與基礎、欄板與立柱間連接采用現場焊接，由于焊接產生溫度應力產生人行欄桿不易安裝或安裝效果差等弊端，現場裝配式連接成為當下主要的連接方式。

針對鋁合金欄桿的材質特性，欄桿各個構件可采用鉆尾釘(稍大構件間)或自攻釘連接(小構件間)，立柱與基礎可采用化學螺栓提前將連接件固定，立柱和各個構件可通過連接螺栓或鉆尾釘連接。

對于欄板版面，豎桿與橫桿的連接可采用鉆尾釘完成。對于受力較大位置采用普通螺栓連接。完成裝配化連接。

(2)局部連接計算

該裝配式人行欄桿立柱底部采用5.8級M16×190 mm化學螺栓連接，連接大樣如圖1所示。

圖1 立柱底部化學螺栓連接大樣圖(單位：mm)

①設計抗力

化學螺栓均采用鍍鋅螺桿5.8級M16×190 mm，單個螺栓設計拉力為28.9 kN，設計剪力為35 kN，單個螺栓抗拉拔力大于60 kN。

②荷載效應值

N=2.5×2=5.0 kN，單個螺栓承受剪力Nv=1.25 kN<35 kN；

M=5.0×1.1=5.5 kN·m，力臂為0.03 m，根據力矩平衡，單個螺栓承受拉力BNt=45.8 kN<60 kN(抗拉拔力)，滿足抗拉要求。

③彎剪作用下，單個螺栓承載力應符合下列公式

(1)

式中：Nvb=35 kN，Ntb=60 kN，Nv=1.25 kN，Nt=45.8 kN。

將以上數據代入公式(1)中可得最終結果為0.76<1.0，滿足受力要求。

3 結 語

在橋梁的設計當中，人行欄桿往往作為附屬構造易被忽視，一般均根據使用條件套用通圖即可，很少針對人行欄桿規范要求荷載進行詳細計算。但作為賦予觀賞性功能的人行景觀欄桿，如何在追求美觀性的同時，保證人行欄桿的安全性和可裝配性成為當前迫切需要解決的難點，給出了人行景觀欄桿的設計計算流程并提出一種人性欄桿裝配式連接方式，有以下四個創新點。

(1)對最新規范進行歸納總結，基于規范針對人行欄桿的設計要求和一般流程進行了系統闡述，為非標準城市橋梁裝配式人行欄桿的設計提供一定借鑒；

(2)在人行欄桿計算中首次將撓度作為一項控制指標，提高了欄桿的安全性；

(3)以陜西省標準圖—“裝配式人行欄桿標準”項目為背景，采用有限元軟件對人行欄桿進行了詳細的計算分析，提出對于裝配式人行欄桿立柱與扶手間應采用簡支約束計算，通過釋放連接節點間的彎矩來實現；

(4)提出了一種化學螺栓加鉆尾釘連接的裝配式連接方式，并對局部連接進行了抗彎剪計算。