民用建筑不銹鋼欄桿設(shè)計中的結(jié)構(gòu)問題

□ 施禮德

在城市化建設(shè)快速發(fā)展的進(jìn)程中，學(xué)校、住宅、辦公樓等建筑物大量建設(shè)，欄桿作為重要的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因為涉及建筑的外立面及使用者的安全感，建筑設(shè)計師在方案階段就對其進(jìn)行了仔細(xì)推敲、精心設(shè)計。欄桿已由過去傳統(tǒng)的木質(zhì)、磚墻欄桿發(fā)展到不銹鋼、玻璃等材質(zhì)各異、造型優(yōu)美的欄桿，但萬變不離其宗，安全是第一原則。國家頒布的相關(guān)設(shè)計規(guī)范對其強(qiáng)度、剛度、高度、間距都有嚴(yán)格的要求。但是在實際設(shè)計過程中，欄桿設(shè)計通常由建筑專業(yè)設(shè)計師負(fù)責(zé)，結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計師一般都更重視主體結(jié)構(gòu)的抗震、基礎(chǔ)安全，而建筑專業(yè)設(shè)計師往往力學(xué)概念薄弱，對于千變?nèi)f化的欄桿形式的傳力路徑分析力不從心，而且因市場要求設(shè)計周期一般都較短。雖然圖紙有各專業(yè)人員會簽，但是會簽往往流于形式，結(jié)構(gòu)工程師基本沒有太多時間關(guān)注欄桿的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計，這樣給欄桿的結(jié)構(gòu)安全帶來極大隱患。通過介紹在具體實際工程的設(shè)計施工過程中常見的不銹鋼欄桿結(jié)構(gòu)安全問題及其思考處理方法，供同類工程參考。

1??不銹鋼欄桿設(shè)計的現(xiàn)狀

在不銹鋼欄桿施工圖設(shè)計階段，欄桿大樣往往是靠后設(shè)計，圖紙排序是在后面的，建筑設(shè)計師為趕時間節(jié)點，一般引用標(biāo)準(zhǔn)圖集甚至僅以文字表述來代替大樣，以減少繪圖工作量。引用最多的是中南標(biāo)柳州市建筑設(shè)計科學(xué)研究院主編的《樓梯欄桿》（11ZJ401）和《國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集》，以及中國五洲工程設(shè)計集團(tuán)有限公司及中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司主編的《國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集15J403—1 樓梯 欄桿 欄板（一）》全經(jīng)由住房城鄉(xiāng)建設(shè)部批準(zhǔn)。如圖1（注：圖中數(shù)字如無單位的皆為mm，余圖皆同）是某住宅小區(qū)欄桿大樣，圖2是某小學(xué)欄桿施工圖為了節(jié)省畫圖時間僅靠文字描述而無大樣圖，由于中國語言文字博大精深，極其容易產(chǎn)生歧義，這樣的設(shè)計深度通常達(dá)不到現(xiàn)場施工要求，而開發(fā)商為追求利潤最大化，一般選用尺寸及壁厚都較小的不銹鋼材料，現(xiàn)場施工工人素質(zhì)良莠不齊，大都是從方便施工出發(fā)，質(zhì)量難以保障，為以后的安全埋下了隱患。

圖1 欄桿大樣圖（標(biāo)高數(shù)字單位為m）

圖2 欄桿說明

2??某住宅小區(qū)不銹鋼欄桿竣工驗收不合格的原因

南寧某大型住宅小區(qū)在竣工驗收階段發(fā)現(xiàn)欄桿用微小的力度推一下即有明顯晃動，如圖3。

圖3 不合格欄桿

經(jīng)查設(shè)計圖紙如圖4。其引用了《國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集15J403—1 樓梯 欄桿 欄板（一）》的D20大樣，如圖5，主要受力桿件為鍍鋅鋼管立柱□42×1.5mm，明顯偏小。根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑防護(hù)欄桿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 470—2019）的規(guī)定[1]，欄桿頂部的水平荷載為1.0kN/m。其傳力路徑為水平推力作用在扶手，然后扶手傳到立柱頂部，再由立柱傳到根部。傳力路徑經(jīng)過的每一根桿件、節(jié)點都必須滿足剛度、強(qiáng)度的驗算。因為該荷載及力相對于混凝土構(gòu)件不大，所以結(jié)構(gòu)工程師往往忽略欄桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計。雖然該荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力確實很小，但是相對于桿件及壁厚都很小的不銹鋼構(gòu)件就不小了。

圖4 欄桿大樣圖（標(biāo)高數(shù)字單位為m）

圖5 欄桿立面圖（數(shù)字單位為mm）

根據(jù)傳力路徑提前力學(xué)計算模型如圖6。立柱的根部的彎矩設(shè)計值為1.2×1.2×1.5=2.16kN/m。

圖6 力學(xué)模型圖

方通□42×1.5mm的慣性矩為I =（b1h13-b2h23）/12 =（424- 394）/12 = 66521mm4。其應(yīng)力為σ= M·y/I = 2.16×106×21/66521 = 682MPa＞＞175MPa[2]，根本不能滿足不銹鋼材料的強(qiáng)度要求。雖然該圖集在注里說明“選用本圖時應(yīng)按項目設(shè)計實際情況復(fù)核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，由生產(chǎn)廠家確保使用安全”，但是其大樣里面已經(jīng)明確標(biāo)明了立柱的尺寸為□42×1.5mm，實屬一大紕漏埋下了極大的安全隱患。該立柱的尺寸經(jīng)核算為□70×2.5mm才能滿足強(qiáng)度要求。

需要注意的是在學(xué)校等走廊人群密集處，欄桿頂部的水平荷載與一般建筑不一樣。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《中小學(xué)校設(shè)計規(guī)范》（GB 50099—2011）的8.1.6條規(guī)定[3]：“上人屋面、外廊、樓梯、平臺、陽臺等臨空部位必須設(shè)防護(hù)欄桿，防護(hù)欄桿必須牢固，安全，高度不應(yīng)低于1.10m。防護(hù)欄桿最薄弱處承受的最小水平推力應(yīng)不小于1.5kN/m?！痹摋l文為強(qiáng)制性條文，必須嚴(yán)格執(zhí)行，故在實際工程設(shè)計計算時須欄桿水平推力取值為1.5kN/m。某中學(xué)體育看臺的欄桿立柱施工圖設(shè)計時尺寸為□60×3.0mm，建筑師與結(jié)構(gòu)工程師交流討論時發(fā)現(xiàn)偏小，經(jīng)驗算改為□70×3.0mm才滿足規(guī)范要求，避免了設(shè)計質(zhì)量安全事故。

3??某開發(fā)商對住宅小區(qū)不銹鋼欄桿的優(yōu)化

南寧市五象新區(qū)某大型房地產(chǎn)開發(fā)商聘請了經(jīng)驗豐富的各專業(yè)總工進(jìn)行安全性及經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化把關(guān)。他們充分深入了解設(shè)計院的圖紙及設(shè)計過程，認(rèn)識到圖集里面欄桿的力學(xué)計算模型只是簡單的懸臂構(gòu)件模型，該模型的力經(jīng)過傳遞集中到立柱的根部，造成了該構(gòu)件根部的尺寸要求偏大，而欄桿構(gòu)件為了美觀不可能根據(jù)彎矩包絡(luò)圖及剪力包絡(luò)圖進(jìn)行變截面設(shè)計，所以設(shè)計院的圖紙引用圖集大樣有充裕的經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化空間。如圖7常見欄桿，房地產(chǎn)公司總工要求改變欄桿受力的傳力路徑，克服懸臂力學(xué)模型單一的傳力路徑，水平推力經(jīng)過面管傳到立柱的B點及兩邊的A點，不再僅僅集中于C點，這樣構(gòu)件受力大大減少，相應(yīng)截面尺寸要求也降低了很多，其立柱僅為□40×1.2mm就滿足了計算要求，為開發(fā)商節(jié)約了大量的經(jīng)濟(jì)建造成本，創(chuàng)造了良好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 優(yōu)化欄桿圖（數(shù)字單位為mm）

4??不銹鋼欄桿的其他結(jié)構(gòu)問題及注意點

（1）不銹鋼欄桿都是主體混凝土完工后再進(jìn)行安裝施工。圖紙一般都是設(shè)計不銹鋼欄桿與混凝土鋼板預(yù)埋件進(jìn)行焊接連接，但是鋼板預(yù)埋件的定位及保護(hù)在粗放型的混凝土施工中往往不易保護(hù)，或保護(hù)成本較高且麻煩，故都是進(jìn)行后錨固施工。后錨固施工要求比較高，不易保證施工質(zhì)量。比如后施工錨筋用膨脹螺栓代替，其原理是把膨脹螺栓打到地面或墻面上的孔中，用扳手?jǐn)Q緊膨脹螺栓上的螺母，螺栓往外旋開，而外面的金屬套卻不動，于是，螺栓底下的大頭就把金屬套漲開，使其漲滿整個孔，此時，膨脹螺栓就抽不出來了。但它的固定并不十分可靠，孔內(nèi)難清理干凈，如果載荷有較大震動，可能發(fā)生松脫，造成安全事故。當(dāng)然也可以選用性能可靠的化學(xué)錨栓，但是其價格更加高，施工要求嚴(yán)格?；瘜W(xué)錨栓是由乙烯基樹脂為主體原料的高強(qiáng)度錨栓，是繼膨脹錨栓之后出現(xiàn)的一種新型錨栓。它是通過特制的化學(xué)黏接劑，將螺桿膠結(jié)固定于混凝土基材鉆孔中，以實現(xiàn)對固定件錨固的復(fù)合件。根據(jù)工程設(shè)計要求，在基材（如混凝土）中相應(yīng)位置鉆孔，孔徑、孔深及螺栓直徑應(yīng)由專業(yè)技術(shù)人員或現(xiàn)場試驗確定。用沖擊鉆或水鉆鉆孔，用專用氣筒、毛刷或壓縮空氣機(jī)清理鉆孔中的灰塵，孔內(nèi)不應(yīng)有灰塵與明水。要保證螺栓表面潔凈、干燥、無油污，確認(rèn)玻璃管錨固包無外觀破損、藥劑凝固等異?，F(xiàn)象，將其圓頭朝內(nèi)放入錨固孔并推至孔內(nèi)，然后使用電鉆及專用安裝夾具，將螺桿強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)插入直至孔底，不應(yīng)采用沖擊方式。當(dāng)旋至孔底或螺栓上標(biāo)志位置時，立刻停止旋轉(zhuǎn)，取下安裝夾具，凝膠后至完全固化前避免擾動。

（2）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）的9.7節(jié)關(guān)于預(yù)埋件及連接件的內(nèi)容有專門有對預(yù)埋件的技術(shù)要求[4]。比如錨板厚度應(yīng)根據(jù)受力情況計算確定，直錨筋與錨板應(yīng)采用T形焊接。當(dāng)錨筋直徑小于20mm時宜采用壓力埋弧焊；當(dāng)錨筋直徑大于20mm時宜采用穿孔塞焊；當(dāng)采用手工焊時，焊縫高度不宜小于6mm。不銹鋼欄桿屬于輕鋼范疇，該規(guī)定偏嚴(yán)格，但是有參考意義。比如焊接質(zhì)量，目前國內(nèi)焊接從業(yè)人員尤其是技術(shù)管理人員良莠不齊，管理十分混亂，不銹鋼欄桿給人印象就是次要鋼構(gòu)件，其施工的焊接技術(shù)人員水平很難達(dá)到規(guī)范要求。比如中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB 50661—2011）的3.0.4條明確規(guī)定[5]，焊接相關(guān)人員的資格應(yīng)符合下列規(guī)定：焊接技術(shù)人員應(yīng)具有中級以上技術(shù)職稱，并接受過專門的焊接技術(shù)培訓(xùn)，且有一年以上焊接生產(chǎn)或施工實踐經(jīng)驗；焊接檢驗人員應(yīng)接受過專門的技術(shù)培訓(xùn)，有一定的焊接實踐經(jīng)驗和技術(shù)水平，并具有檢驗人員上崗資格證；焊工應(yīng)考試合格并取得資格證書，其施焊范圍不得超越資格證書的規(guī)定。焊接從業(yè)人員的專業(yè)素質(zhì)是關(guān)系到焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，目前國內(nèi)現(xiàn)狀是合格焊工技術(shù)人員稀缺，造成不銹鋼欄桿施工的焊縫質(zhì)量一般都不合格，存在很大的安全隱患，需要設(shè)計人員及各方參與者格外注意。

5??結(jié)語

不銹鋼欄桿的設(shè)計與施工往往得不到重視，可是其又直接關(guān)乎生命安全。我們應(yīng)該改變現(xiàn)狀，重視不銹鋼欄桿的設(shè)計與施工。通過以上實際工程案例，希望廣大建設(shè)參與者得到一點啟發(fā)，避免建設(shè)工程質(zhì)量安全事故。