海上平臺(tái)欄桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范探討

辛?xí)暂x，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(tái)欄桿是海上平臺(tái)和船舶防止人員墜落的防護(hù)結(jié)構(gòu)，可分為可移動(dòng)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(jié)構(gòu)。從其在承重結(jié)構(gòu)中的作用看屬于次要結(jié)構(gòu)，從人身安全方面看，則是最基本的海上安全防護(hù)設(shè)施。一些規(guī)范推薦了防護(hù)欄桿的結(jié)構(gòu)形式，一些規(guī)范給出了欄桿的荷載要求和計(jì)算參考公式，但沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)海上平臺(tái)欄桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載的規(guī)范。本文通過(guò)各規(guī)范的差異比較分析和相互引用關(guān)系論證[1]，結(jié)合力學(xué)計(jì)算分析和比較，為海上平臺(tái)欄桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考，并對(duì)欄桿的設(shè)計(jì)荷載和相關(guān)規(guī)范升版提出建議。

1 海上平臺(tái)欄桿相關(guān)規(guī)范概述

與海上平臺(tái)欄桿結(jié)構(gòu)形式相關(guān)的主要設(shè)計(jì)規(guī)范：

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

與欄桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和參考手冊(cè)：

①工業(yè)防護(hù)欄桿和鋼平臺(tái)(GB 4053.3—2009)[4]；②建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009—2012)[6]；③城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 77—2011(2019年))[7]；④雪佛龍公司的人機(jī)工程手冊(cè)(1997)[8]等。

針對(duì)海洋平臺(tái)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中只有海洋平臺(tái)欄桿結(jié)構(gòu)形式的規(guī)定，而無(wú)針對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載的規(guī)定，因此需要參考與欄桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的荷載規(guī)范。

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

圖1 海上平臺(tái)典型欄桿結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical guardrail structure drawing of offshore platform

圖2 海上平臺(tái)欄桿實(shí)體圖Fig.2 Physical drawing of offshore platform guardrails

海上平臺(tái)欄桿荷載目前遵循2009年版的工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)相關(guān)要求，該規(guī)范的欄桿荷載推導(dǎo)主要依據(jù) 2001(2016)年版的建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，如今建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范最新版是 2012年版，該規(guī)范現(xiàn)行版增大了欄桿的荷載值，這將直接影響工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)的欄桿荷載要求。

2 欄桿荷載規(guī)定比較

欄桿結(jié)構(gòu)分析中立柱為關(guān)鍵桿件，扶手和橫檔按構(gòu)造要求就能滿(mǎn)足受力要求，因此重點(diǎn)分析比較控制立柱設(shè)計(jì)的水平荷載規(guī)定。立柱的荷載規(guī)定見(jiàn)表1。

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

目前海上平臺(tái)欄桿設(shè)計(jì)依據(jù)的主要荷載規(guī)范是工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)，該規(guī)范荷載主要參考其1993年版和建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)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(tái)欄桿成片預(yù)制后吊裝到平臺(tái)，再將立柱與甲板焊接或用螺栓連接。從主要荷載規(guī)范看，都有均布荷載的規(guī)定，集中荷載可由均布荷載推導(dǎo)，因此均布荷載的變化可以作為荷載變化研究的主要對(duì)象。按最大柱間距 1.5m，跨數(shù)為 n，則由水平均布荷載推導(dǎo)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(shè)計(jì)值(本式取700N/m)；L為立柱間距；n為欄桿跨數(shù)。

由跨數(shù)n的變化推導(dǎo)的集中荷載見(jiàn)表2。

表2 立柱集中荷載Tab.2 Post concentrated load

①欄桿的跨數(shù)越少，單根立柱按均布荷載推導(dǎo)的集中力越小，集中力應(yīng)采用規(guī)范規(guī)定的集中力；②5跨 6腿欄桿的水平集中力 875N，小于現(xiàn)行工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)規(guī)定的 890N，為臨界跨數(shù)。③欄桿連續(xù)布置時(shí)，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(xù)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的最大集中力，比工業(yè)防護(hù)欄桿與鋼平臺(tái)規(guī)范中規(guī)定的集中力要大，這是欄桿設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)之一。

4 工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)欄桿荷載建議

現(xiàn)行 2012年版建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，根據(jù)該規(guī)范條文說(shuō)明：鑒于欄桿倒塌事故增多且后果嚴(yán)重，決定將欄桿頂部均布荷載增加，該荷載參照城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)(CJJ 77—1998)的1kN/m，因該版規(guī)范已于2008年10月1日廢止，目前橋梁行業(yè)執(zhí)行的城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 77—2011)于 2011年頒布(2019年修訂)，該規(guī)范規(guī)定水平均布荷載值為 2500N/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，原因?yàn)椋?/p>

①設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期高，現(xiàn)行城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期應(yīng)為100年，而現(xiàn)有工業(yè)與民用建筑的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為 50年[12]；②設(shè)計(jì)通行能力高，現(xiàn)行城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范沿用了城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范(CJJ69)[13]，適用于如 2400人/(h·m)設(shè)計(jì)通行能力的天橋、地道。

工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)2009年版制定均布荷載值時(shí)參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2001版的500N/m，2012年新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》考慮到樓梯、上人屋面等的欄桿在緊急情況下對(duì)人身安全保護(hù)的重要作用，將民用欄桿頂部水平荷載標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)上再增加豎向荷載1200N/m，兩者分別考慮，不應(yīng)同時(shí)作用(對(duì)海上平臺(tái)欄桿而言，水平荷載是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工況)。因此，工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)規(guī)定的均布荷載值已經(jīng)小于國(guó)家基本荷載規(guī)范規(guī)定的均布荷載值，考慮到各門(mén)類(lèi)規(guī)范升版的年限不同，建議工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)欄桿荷載升版時(shí)：①應(yīng)遵循不低于現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定值；②應(yīng)將集中力規(guī)定值的使用條件予以限定，或者在條文說(shuō)明中予以限定。

5 荷載升版后對(duì)現(xiàn)有海上平臺(tái)欄桿設(shè)計(jì)的影響

海上平臺(tái)欄桿均布荷載和集中荷載升版增大后，將對(duì)目前的欄桿結(jié)構(gòu)件規(guī)格、跨距和跨數(shù)產(chǎn)生較大影響[14]，目前平臺(tái)欄桿結(jié)構(gòu)件常用管材規(guī)格為Ф48×3.5(單位mm)，控制工況為欄桿頂部由均布荷載產(chǎn)生的集中荷載，立柱根部受彎最大，其應(yīng)力理論計(jì)算如下式：

式中：σmax為立柱根部最大應(yīng)力；Q 為均布荷載設(shè)計(jì)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(guī)海上平臺(tái)欄桿最大間距1.5m核算：

式中：f為欄桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按平臺(tái)常用 20鋼材質(zhì)，取 f＝225MPa。

由此得出，規(guī)范荷載增加，立柱需要加強(qiáng)，但考慮到人手扶握的舒適性，立柱規(guī)格增加有限，故需通過(guò)減少立柱間距或采用高強(qiáng)度鋼材滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 論

通過(guò)以上分析，對(duì)海上平臺(tái)欄桿的荷載適用規(guī)范進(jìn)行了梳理，對(duì)主要遵循的工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)規(guī)范欄桿荷載進(jìn)行了全面的分析和比較，通過(guò)研究建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范欄桿荷載的變化及原因，給出了工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)規(guī)范欄桿荷載升版的建議。