徐 丹，林建茂

(福建省交通科研院有限公司，福建 福州 350004)

欄桿作為路、橋等交通附屬設(shè)施，雖不是結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，但在保障行人安全通行方面具有舉足輕重地位。近年來因欄桿質(zhì)量缺陷導(dǎo)致的安全事故窮出不盡，也引起了相關(guān)部門的重視，如交通運(yùn)輸部相繼發(fā)布了《提升公路橋梁安全防護(hù)能力專項(xiàng)行動(dòng)技術(shù)指南》等一系列文件。已有學(xué)者陸續(xù)開展了欄桿結(jié)構(gòu)的受力性能研究，并取得了一定成果。如文獻(xiàn)[1-2]在歸納總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范對(duì)欄桿結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上，建議欄桿設(shè)計(jì)變形上限值宜為(1/100)，并對(duì)GFRP欄桿結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行探討，結(jié)果表明該新型欄桿結(jié)構(gòu)具有良好的安全性與經(jīng)濟(jì)效益；文獻(xiàn)[3]研制了一種GFRP柵欄型寶瓶式新型欄桿結(jié)構(gòu)，并通過現(xiàn)場加載試驗(yàn)與有限元數(shù)值相結(jié)合法探究了該類欄桿結(jié)構(gòu)的性能，結(jié)果表明GFRP欄桿結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，具有推廣價(jià)值；文獻(xiàn)[4-5]從FRP結(jié)構(gòu)形式、力學(xué)性能以及工程應(yīng)用等方面進(jìn)行分析，研究表明FRP欄桿結(jié)構(gòu)具有形式簡單、超載安全性能良好、施工機(jī)械化程度高等優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

綜上所述，目前關(guān)于橋梁欄桿結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究主要集中在GFRP新型復(fù)合欄桿結(jié)構(gòu)方面，而關(guān)于實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)安全性能及設(shè)計(jì)參數(shù)變化影響規(guī)律研究鮮為報(bào)道。本文以福州市鋼管式橋梁欄桿為該類欄桿代表，探討此類欄桿的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及主要設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)其性能的影響規(guī)律。

1 欄桿結(jié)構(gòu)

1.1 欄桿分類

常見的橋梁欄桿按材料組成可分為鋼、鑄鐵、不銹鋼、鋁合金、石材、混凝土等多種形式。不銹鋼或鋁合金材質(zhì)欄桿輕盈、美觀，但價(jià)格較為昂貴，主要應(yīng)用于景區(qū)、園林景觀等領(lǐng)域；混凝土或石材欄桿雖然后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低，但結(jié)構(gòu)自重大、造型單一、不美觀等特征，主要應(yīng)用于農(nóng)村公路橋梁；鋼材、鑄鐵材質(zhì)欄桿雖然易銹蝕，但具有安裝便捷、自重輕、價(jià)格低等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

按照欄桿構(gòu)件截面形狀的不同可分為圓形、矩形等多種形式。目前鋼管式圓形截面欄桿結(jié)構(gòu)類型是眾多城市橋梁欄桿中較為常見的造型之一。

1.2 欄桿構(gòu)造要求

常規(guī)的鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)是由立柱、扶手、橫桿、豎桿等桿件組成。各個(gè)部件通過焊縫焊接，立柱底板與底座通過錨筋、地腳螺栓等方式與橋面形成一體，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生較大的撓曲變形，還應(yīng)滿足構(gòu)件最大豎直凈距不得大于110 mm，高度不小于1 100 mm(非機(jī)動(dòng)車道1 400 mm)的要求[6]。

1.3 工程依托

隨機(jī)抽取福州市倉山區(qū)某路段橋梁欄桿結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象，該類傳統(tǒng)的鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)每欄標(biāo)準(zhǔn)跨徑L為2 200 mm，立柱高度H為1 100 mm，立柱與扶手截面尺寸均為φ102 mm×6 mm，橫桿和豎桿截面尺寸為φ32 mm×1 mm，立柱底板與人行道板通過地腳螺栓方式連接。鋼管式欄桿立面構(gòu)造示意見圖1。

圖1 鋼管式欄桿立面圖Fig 1 Elevation of steel tube railing

2 承載力評(píng)定

2.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

目前關(guān)于橋梁欄桿承載力評(píng)定并沒有一套較為完善的體系。參照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]10.07條強(qiáng)制性修訂條文要求，分別對(duì)傳統(tǒng)的鋼管式欄桿進(jìn)行3個(gè)不同荷載工況。工況1：作用在欄桿扶手上的豎向荷載為1.2 kN/m。工況2：扶手水平荷載為2.5 kN/m。工況3：立柱柱頂推力為扶手水平荷載集度與柱間距的乘積(新增工況)，且3種荷載工況分別計(jì)算，不得疊加。

2.2 有限元數(shù)值分析

運(yùn)用Midas Civil有限元軟件分別進(jìn)行不同荷載工況的數(shù)值計(jì)算，立柱底部近似為固結(jié)方式模擬，欄桿材質(zhì)彈性模量E取198 GPa，泊松比λ值為0.3。3種不同工況下的數(shù)值計(jì)算模型見圖2～圖4。

考慮現(xiàn)場均布荷載不易實(shí)施，根據(jù)位移等效原則，分別在一聯(lián)欄桿首端(尾端)欄中間扶手處施加1.26 kN的豎向力、第三欄(跨中欄)中間扶手處施加8.12 kN的水平推力。

圖2 工況1荷載作用下欄桿位移圖Fig 2 Displacement diagram of railings under load condition 1

圖3 工況2荷載作用下欄桿位移圖Fig 3 Displacement diagram of railings under load condition 2

圖4 工況3荷載作用下欄桿位移圖Fig 4 Displacement diagram of railings under load condition 3

2.3 試驗(yàn)加載

嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范對(duì)欄桿試驗(yàn)進(jìn)行加載，各個(gè)工況均分為5級(jí)加載，分別按照最大荷載值的20%、40%、60%、80%、100%逐漸加載，每一級(jí)加載時(shí)間間隔均不低于規(guī)范要求，試驗(yàn)人員全程重點(diǎn)觀測構(gòu)件有無裂縫開裂、松動(dòng)等異?，F(xiàn)象，并做好逐級(jí)加載量測值。卸載后還要量測欄桿控制截面處的殘余變形值，以便進(jìn)一步判斷材質(zhì)工作狀態(tài)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)定

在各個(gè)荷載工況下，欄桿控制截面處的位移實(shí)測值、理論值與殘余值見表1。3個(gè)不同工況下各級(jí)加載實(shí)測值與有限元計(jì)算值對(duì)比詳見圖5～圖6。

表1 位移實(shí)測值與理論計(jì)算值Table 1 Displacement measured value and theoretical value mm

圖5 工況1實(shí)測值與理論值對(duì)比Fig 5 Comparison between measured value and theoretical value of condition 1

圖6 工況2、3實(shí)測值與理論值對(duì)比Fig 6 Comparison between measured value and theoretical value of condition 2 and 3

由表1數(shù)據(jù)可知，3種不同工況下欄桿的實(shí)測值均小于理論值，其中工況1荷載作用下截面的最大擾度變形量為0.22 mm，僅為跨徑的1/10 000；工況2、3荷載作用下的變形量分別為4.48 mm和4.02 mm，是扶手高度的1/246、1/274，滿足《城市橋梁檢測與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》[7]要求的1/120，說明該類型欄桿結(jié)構(gòu)剛度較大，滿足現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范承載力要求。另一方面從3個(gè)不同工況下的殘余變形值(分別為4.5%、8.7%、7.7%，均小于20%)，進(jìn)一步說明鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下始終處于彈性工作狀態(tài)，具有較高的儲(chǔ)備系數(shù)值。

由工況2、工況3理論值與實(shí)測值可以看出，對(duì)于傳統(tǒng)的鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)在工況2荷載作用下的位移值大于工況3，其主要是因?yàn)殇摴苁綑跅U立柱構(gòu)件抗彎曲能力大，另一方面立柱底板通過地腳螺栓錨固方式連接使得立柱具有較大的抗側(cè)移剛度。不難發(fā)現(xiàn)對(duì)于立柱構(gòu)件剛度大、底座連接(錨固、地腳螺栓方式)牢固的欄桿結(jié)構(gòu)受文獻(xiàn)[6]修訂條文影響小，可滿足正常使用功能。

3 欄桿構(gòu)造設(shè)計(jì)參數(shù)分析

目前相關(guān)規(guī)范僅對(duì)欄桿構(gòu)件間的橫、豎凈距構(gòu)造要求，但對(duì)影響欄桿結(jié)構(gòu)使用功能的立柱間距L、立柱與扶手厚度D、欄桿高度H等重要參數(shù)并沒有具體的構(gòu)造要求。本節(jié)在原欄桿設(shè)計(jì)參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究這3個(gè)主要參數(shù)變化對(duì)欄桿抗側(cè)向承載力的影響規(guī)律(工況1荷載影響非常小，可暫不考慮)。

3.1 立柱間距

立柱間距L是指標(biāo)準(zhǔn)一欄欄桿左右側(cè)立柱間的中心距離。從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度分析，當(dāng)L值越大，單根立柱分?jǐn)偟暮奢d也就越大，越不利于保證結(jié)構(gòu)正常使用。但從經(jīng)濟(jì)方面考慮，L值越大越有利于提高安裝效率與降低材料成本。為了深入分析L參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向承載力影響規(guī)律，在原有結(jié)構(gòu)L0為2 200 mm的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)造Li為1 600 mm、1 900 mm、2 200 mm、2 500 mm、2 800 mm 5個(gè)模型。在工況2、3荷載作用下，不同L值的欄桿模型理論位移值及用鋼量(按長度100 m為單位)詳見表2。

表2 不同立柱間距參數(shù)下截面位移值及用鋼量Table 2 Displacement value and steel consumption of section under different column spacing parameters

由表2可知：立柱間距參數(shù)L是影響工況2荷載效應(yīng)的敏感參數(shù)之一?？傮w上，隨著Li的增大，扶手跨中截面、立柱柱頂位移量呈逐漸增大變化趨勢，而用鋼量則逐漸減小。當(dāng)Li從1 600 mm增大到2 200 mm時(shí)，工況2與工況3荷載作用下對(duì)應(yīng)的截面位移值分別增大了27%、28%，用鋼量減少了2.2%；而當(dāng)Li從2 200 mm增大到2 800 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)荷載工況下的截面的位移量分別增大了280%、29%，用鋼量減少了1.7%。

其主要是因?yàn)楣r2為均布荷載形式，控制截面處的位移量與Li值呈二次方函數(shù)關(guān)系。因此，當(dāng)Li大于一定值時(shí)，其位移量會(huì)急劇增大。建議鋼管式欄桿結(jié)構(gòu)的立柱間距值在1 600～2 200 mm范圍內(nèi)較為合理。

3.2 立柱與扶手構(gòu)件厚度

鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度主要由立柱與扶手構(gòu)件承擔(dān)。在構(gòu)件直徑不變的情況下，可通過增大立柱與扶手構(gòu)件壁厚值D從而提高構(gòu)件抗側(cè)剛度。因此，有必要探討Di參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)的水平變形影響規(guī)律。分別構(gòu)造Di為3.0 mm、4.5 mm、6.0 mm、7.5 mm、9.0 mm的5個(gè)模型。在工況2和工況3荷載作用下，不同Di值參數(shù)下的位移值及用鋼量見表3。

表3 不同立柱與扶手厚度參數(shù)下截面位移值及用鋼量Table 3 Displacement value and steel consumption of section under different thickness parameters of column and handrail

由表3可知：扶手跨中截面與立柱柱頂處的位移值受Di參數(shù)變化影響規(guī)律基本一致，近似呈兩階段變化規(guī)律，而用鋼量呈線性變化。當(dāng)Di從3.0 mm增大到6.0 mm時(shí)，扶手跨中、立柱柱頂截面處的位移量分別減小了45.1%、45.6%，用鋼量增加了17.3%；而當(dāng)Di從6.0 mm增大到9.0 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)截面的位移值減小幅度為27.1%、26.4%，用鋼量增加了14.7%。

分析其原因是因?yàn)闄跅U結(jié)構(gòu)的抗彎剛度與立柱與扶手構(gòu)件截面慣性矩息息相關(guān)。在構(gòu)件直徑不變情況下，隨著Di的增大，截面慣性矩呈四次方變化。綜合考慮Di值在6.0 mm左右較為合理，偏小值時(shí)結(jié)構(gòu)安全性較低，偏大值時(shí)經(jīng)濟(jì)性較低。

3.3 欄桿高度

欄桿高度是指人行道表面至欄桿扶手頂部的距離，欄桿高度參數(shù)也是影響結(jié)構(gòu)承載力的重要參數(shù)之一。在欄桿結(jié)構(gòu)滿足剛度與穩(wěn)定性的前提下，Hi越小，Li可做得更大，總體經(jīng)濟(jì)效益就更為顯著。因此，在保證H滿足規(guī)范要求的情況下，有必要探討H變化對(duì)結(jié)構(gòu)的性能影響規(guī)律。分別構(gòu)造Hi值為1 100 mm、1 200 mm、1 300 mm、1 400 mm和1 500 mm的5個(gè)模型。在不同Hi值下，對(duì)應(yīng)截面的理論位移值及用鋼量見表4。

表4 不同欄桿高度參數(shù)下截面位移值及用鋼量Table 4 Displacement value of section and steel consumption under different railing height parameters

由表4可知：隨著Hi的增大，對(duì)應(yīng)工況荷載下的截面位移值和用鋼量呈線性增大變化趨勢。當(dāng)Hi<1 400 mm時(shí)，工況2和3對(duì)應(yīng)的位移變形率小于1/120；當(dāng)Hi≥1 400 mm時(shí)，工況2的位移變形率大于1/120，不滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

主要是因?yàn)闄跅U為懸臂構(gòu)件，其變形量與立柱底座截面處的彎矩值有關(guān)，當(dāng)外力荷載作用在扶手或立柱頂部位置大小不變時(shí)，隨著Hi的不斷增大，其彎矩值也呈線性增大，因此會(huì)出現(xiàn)上述變化現(xiàn)象。綜合分析，建議鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)適用于欄桿高度在1 100～1 300 mm要求范圍。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用現(xiàn)場試驗(yàn)與有限元數(shù)值分析法相結(jié)合，研究了鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能以及立柱間距H、立柱與扶手構(gòu)件厚度D、欄桿高度H3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向位移影響規(guī)律，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)的鋼管式橋梁欄桿結(jié)構(gòu)安全性能良好，滿足文獻(xiàn)[6]中10.07強(qiáng)制性條文要求，可繼續(xù)正常使用。

(2)立柱間距參數(shù)L是影響扶手跨中截面、立柱柱頂截面變形量的主要參數(shù)，當(dāng)Li大于2 500 mm時(shí)，扶手跨中截面水平變形率急劇增大，因此建議Li值在1 600～2 200 mm范圍內(nèi)較為合理。

(3)扶手跨中截面與立柱柱頂?shù)淖冃温孰S著立柱與扶手構(gòu)件厚度Di值的增大而減小，但隨著欄桿高度Hi值的增大而增大。建議Di值在6.0 mm、Hi值在1 100～1 300 mm較為合理。