城市橋梁裝配式人行景觀欄桿設(shè)計(jì)

封 偉，郭 強(qiáng)，王虎軍

(西安市政設(shè)計(jì)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(shè)施，有著極其豐富的文化內(nèi)涵，尤其對(duì)于人行景觀欄桿，更要賦予美學(xué)特性。它產(chǎn)生于漢代，距今已有2000多年的歷史，我們可以從那個(gè)時(shí)候的一些出土文物中看出欄桿的一些雛形[1]，近年來(lái)，由于不斷提高技術(shù)水平，引用新材料、新工藝，橋梁建設(shè)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，就欄桿而言，在結(jié)構(gòu)型式和材料方面取得了極大的進(jìn)展，便于裝配式安裝欄桿的功能美即遵循力學(xué)理論，滿(mǎn)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(shù)性[2]。

我國(guó)對(duì)于景觀欄桿的研究多在于其藝術(shù)性方面，如同濟(jì)大學(xué)的《城市園林綠地規(guī)劃》將欄桿現(xiàn)代設(shè)計(jì)與古典園林精密結(jié)合，提出了欄桿設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則[3]；戴慎志等工程師從城市基礎(chǔ)設(shè)施工程設(shè)計(jì)方面對(duì)城市公園欄桿設(shè)計(jì)做了一些工程技術(shù)方面的探討[4]；華南工學(xué)院一些教授在《園林建筑設(shè)計(jì)》一書(shū)中也說(shuō)到景觀欄桿設(shè)計(jì)的材質(zhì)選擇原則首先要以當(dāng)?shù)亟ú臑橹鞑拍茏龅揭虻刂埔薣5]。對(duì)于安全性方面的研究有所欠缺，無(wú)法指導(dǎo)設(shè)計(jì)，對(duì)于安全性方面的研究有所欠缺，無(wú)法指導(dǎo)設(shè)計(jì)，而在設(shè)計(jì)當(dāng)中，一般只考慮強(qiáng)度因素，忽略欄桿撓度對(duì)使用感受的影響，因此本文根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，依托陜西省人行欄桿標(biāo)準(zhǔn)圖項(xiàng)目對(duì)人行欄桿進(jìn)行詳細(xì)分析并提出一種化學(xué)螺栓加鉆尾釘連接的新型裝配式連接方式作為借鑒。

1 設(shè)計(jì)方法

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2019)、《建筑防護(hù)欄桿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJT 470—2019)采用midas Civil有限元軟件建立梁板實(shí)體模型，模擬荷載加載模式對(duì)其立柱和扶手進(jìn)行了撓度分析和強(qiáng)度分析，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2017)對(duì)裝配式連接部位抗彎剪性能進(jìn)行了分析。

1.1 構(gòu)造要求

欄桿除了是一種保護(hù)裝置外，它還能帶來(lái)視覺(jué)上的安全感。欄桿的高度設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)橋梁所處的實(shí)際環(huán)境結(jié)合人的視覺(jué)和心理反應(yīng)做出適宜的選擇。當(dāng)橋下凈空較大時(shí)，欄桿高度應(yīng)適當(dāng)增加[1]，根據(jù)規(guī)范要求，人行道或安全帶臨空側(cè)的欄桿高度不應(yīng)小于1.10 m，非機(jī)動(dòng)車(chē)道臨空側(cè)欄桿高度不應(yīng)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(gòu)件間的最大凈間距不得大于110 mm，不宜采用有蹬踏面的結(jié)構(gòu)。欄桿結(jié)構(gòu)及底座設(shè)計(jì)必須安全可靠[6]。

在設(shè)計(jì)橋梁人行欄桿時(shí)，除應(yīng)滿(mǎn)足受力要求以外，其欄桿造型、色調(diào)應(yīng)與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)。對(duì)重要橋梁宜作景觀設(shè)計(jì)[6]。當(dāng)橋梁跨越快速路、城市軌道交通、高速公路、鐵路干線(xiàn)等重要交通通道時(shí)，橋面人行道欄桿上應(yīng)加設(shè)護(hù)網(wǎng)，護(hù)網(wǎng)高速不應(yīng)小于2 m，護(hù)網(wǎng)長(zhǎng)度宜為下穿道路的寬度并各向路外延長(zhǎng)10 m[6]。

當(dāng)欄桿設(shè)置照明裝置時(shí)，應(yīng)有可靠接地裝置[6]。

1.2 荷載取值

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2019)：作用在橋上人行道欄桿扶手上的豎向荷載應(yīng)為1.2 kN/m；水平荷載應(yīng)為2.5 kN/m。兩者應(yīng)分別計(jì)算，且不應(yīng)與其它可變作用疊加。立柱柱頂推力應(yīng)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(shè)計(jì)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(jù)《建筑防護(hù)欄桿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJT 470—2019)：防護(hù)欄桿立柱頂部在設(shè)計(jì)荷載作用下位移極限值應(yīng)取30 mm，扶手撓度限值應(yīng)為扶手長(zhǎng)度的1/250[7]。

由于立柱的變形會(huì)帶動(dòng)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(xiàng)目

依托項(xiàng)目為2021年陜西省建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目—人行道裝配式欄桿標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，選用本標(biāo)準(zhǔn)圖集一種代表性人行道裝配式欄桿—裝配式鋼質(zhì)波浪形人行欄桿進(jìn)行分析。

該鋼質(zhì)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(jù)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(xiàn)形20 mm×20 mm×2 mm矩形鋼管，橢圓扶手內(nèi)采用LED成像燈。

2.1 強(qiáng)度及撓度計(jì)算

欄桿扶手和橢圓套管采用6063-T5鋁合金材料，根據(jù)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50429—2007)，其抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為90 MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為55 MPa；欄板與立柱采用Q235B型鋼，根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)，其抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度為190 MPa。

由于是裝配式欄桿，按每個(gè)欄桿節(jié)間裝配，因此采用簡(jiǎn)支計(jì)算。采用midas Civil有限元軟件建立3個(gè)節(jié)段，全橋共744個(gè)梁?jiǎn)卧?，釋放立柱與扶手的彎矩約束(模擬簡(jiǎn)支約束)，立柱底部采用固結(jié)約束，欄板構(gòu)件采用共節(jié)點(diǎn)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(guī)范要求人行道欄桿設(shè)計(jì)荷載：水平推力2.5 kN/m，豎向力1.2 kN/m，且對(duì)于水平荷載和豎向荷載應(yīng)分別計(jì)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(jìn)行荷載組合即可。因此，設(shè)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(gè)工況計(jì)算結(jié)果

在工況一作用下，該裝配式人行欄桿的立柱最大應(yīng)力存在于立柱底部，為49.9<190 MPa，扶手最大應(yīng)力存在于扶手中部，為22.5<90 MPa；在工況二作用下，最大應(yīng)力存在于扶手中部，為17.4<90 MPa，滿(mǎn)足規(guī)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(mǎn)足強(qiáng)度驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算。

2.2 裝配式連接及局部連接計(jì)算

(1)裝配式連接方式

傳統(tǒng)的鋼質(zhì)人行欄桿立柱與基礎(chǔ)、欄板與立柱間連接采用現(xiàn)場(chǎng)焊接，由于焊接產(chǎn)生溫度應(yīng)力產(chǎn)生人行欄桿不易安裝或安裝效果差等弊端，現(xiàn)場(chǎng)裝配式連接成為當(dāng)下主要的連接方式。

針對(duì)鋁合金欄桿的材質(zhì)特性，欄桿各個(gè)構(gòu)件可采用鉆尾釘(稍大構(gòu)件間)或自攻釘連接(小構(gòu)件間)，立柱與基礎(chǔ)可采用化學(xué)螺栓提前將連接件固定，立柱和各個(gè)構(gòu)件可通過(guò)連接螺栓或鉆尾釘連接。

對(duì)于欄板版面，豎桿與橫桿的連接可采用鉆尾釘完成。對(duì)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(jì)算

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

圖1 立柱底部化學(xué)螺栓連接大樣圖(單位：mm)

①設(shè)計(jì)抗力

化學(xué)螺栓均采用鍍鋅螺桿5.8級(jí)M16×190 mm，單個(gè)螺栓設(shè)計(jì)拉力為28.9 kN，設(shè)計(jì)剪力為35 kN，單個(gè)螺栓抗拉拔力大于60 kN。

②荷載效應(yīng)值

N=2.5×2=5.0 kN，單個(gè)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(jù)力矩平衡，單個(gè)螺栓承受拉力BNt=45.8 kN<60 kN(抗拉拔力)，滿(mǎn)足抗拉要求。

③彎剪作用下，單個(gè)螺栓承載力應(yīng)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(shù)據(jù)代入公式(1)中可得最終結(jié)果為0.76<1.0，滿(mǎn)足受力要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

在橋梁的設(shè)計(jì)當(dāng)中，人行欄桿往往作為附屬構(gòu)造易被忽視，一般均根據(jù)使用條件套用通圖即可，很少針對(duì)人行欄桿規(guī)范要求荷載進(jìn)行詳細(xì)計(jì)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(shí)，保證人行欄桿的安全性和可裝配性成為當(dāng)前迫切需要解決的難點(diǎn)，給出了人行景觀欄桿的設(shè)計(jì)計(jì)算流程并提出一種人性欄桿裝配式連接方式，有以下四個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

(1)對(duì)最新規(guī)范進(jìn)行歸納總結(jié)，基于規(guī)范針對(duì)人行欄桿的設(shè)計(jì)要求和一般流程進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，為非標(biāo)準(zhǔn)城市橋梁裝配式人行欄桿的設(shè)計(jì)提供一定借鑒；

(2)在人行欄桿計(jì)算中首次將撓度作為一項(xiàng)控制指標(biāo)，提高了欄桿的安全性；

(3)以陜西省標(biāo)準(zhǔn)圖—“裝配式人行欄桿標(biāo)準(zhǔn)”項(xiàng)目為背景，采用有限元軟件對(duì)人行欄桿進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，提出對(duì)于裝配式人行欄桿立柱與扶手間應(yīng)采用簡(jiǎn)支約束計(jì)算，通過(guò)釋放連接節(jié)點(diǎn)間的彎矩來(lái)實(shí)現(xiàn)；

(4)提出了一種化學(xué)螺栓加鉆尾釘連接的裝配式連接方式，并對(duì)局部連接進(jìn)行了抗彎剪計(jì)算。