楊發(fā)峻，楊 非，黃 河，劉 質(zhì)，丁 維

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.中國(guó)電建集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100036；3.北京國(guó)環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100086)

0 前 言

孟加拉達(dá)舍爾甘地污水處理廠工程項(xiàng)目位于孟加拉國(guó)首都達(dá)卡市東郊，項(xiàng)目業(yè)主為達(dá)卡市水務(wù)局(Dhaka Water Supply and Sewerage Authority)，設(shè)計(jì)污水處理能力為50萬(wàn)m3/d。該項(xiàng)目是南亞地區(qū)在建規(guī)模最大的污水處理廠，對(duì)改善孟加拉國(guó)首都達(dá)卡市的環(huán)境具有重要的政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。該項(xiàng)目由中國(guó)政府提供優(yōu)惠貸款，工作內(nèi)容包括設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工和一年期運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)服務(wù)。

該污水處理廠建筑物頂部安全通道的安全護(hù)欄采用球接護(hù)欄，單側(cè)總長(zhǎng)度約為11 500 m。球接護(hù)欄也稱球型護(hù)欄，主要采用球接垂直立柱并連接水平欄桿。項(xiàng)目咨詢工程師批準(zhǔn)的材料是Q235A熱鍍鋅鋼，球接護(hù)欄采用工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝。根據(jù)設(shè)計(jì)采用雙球立桿。球型欄桿具有新穎美觀、安裝方便、免維護(hù)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于礦山、電力、石化、碼頭、供水廠和污水處理廠的走道和安全防護(hù)欄。

2015年由中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院推出的樓梯、欄桿和欄板的標(biāo)準(zhǔn)圖集(15J403-1)中，提供了五種平臺(tái)欄桿，即：鋼欄桿(PA型)、不銹鋼欄桿(PB型)、玻璃鋼欄板(PC型)、金屬板欄桿(PD型)和鋼筋混凝土欄板(PE型)。以上五種類型的欄桿均不宜用于污水處理廠三大池，即：初沉池、二沉池和生化池和其他部位的工程用欄桿，污水處理廠三大池的欄桿用于污水處理廠日常維護(hù)用，屬于非人員密集型場(chǎng)所。

孟加拉達(dá)舍爾甘地污水處理廠平臺(tái)防護(hù)欄桿推薦的是雙球立桿，其適合污水處理廠的特殊條件。我國(guó)尚未正式出版有球形欄桿的設(shè)計(jì)規(guī)范。目前可查到的球型平臺(tái)欄桿的標(biāo)準(zhǔn)是由中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部推出的2020年的規(guī)范討論稿[1]。

了解國(guó)內(nèi)外護(hù)欄的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，特別是設(shè)計(jì)荷載、最大允許撓度、荷載分項(xiàng)系數(shù)的規(guī)定、錨固的設(shè)計(jì)、錨固板厚度的設(shè)計(jì)和國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范的差異等對(duì)于更好開(kāi)展相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，更好適應(yīng)國(guó)外EPC總承包工程具有現(xiàn)實(shí)意義?；趯?duì)比結(jié)果，本文開(kāi)展了球型平臺(tái)欄桿的設(shè)計(jì)，并將結(jié)果應(yīng)用于孟加拉達(dá)舍爾污水處理廠工程實(shí)踐。另外，根據(jù)本文的工程實(shí)踐，探討了國(guó)內(nèi)球接平臺(tái)欄桿規(guī)范待增加和待改進(jìn)的內(nèi)容和開(kāi)展國(guó)外EPC總承包工程對(duì)技術(shù)規(guī)范的建議。

1 國(guó)內(nèi)外球接欄桿設(shè)計(jì)參數(shù)比較

1.1 國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)欄桿荷載大小的規(guī)定

國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)欄桿荷載的規(guī)定見(jiàn)表1。由表1看出，澳大利亞采用0.55 kN的集中荷載或0.33 kN/m的均布荷載，英國(guó)欄桿設(shè)計(jì)一般用0.36 kN或0.76 kN/m均布荷載。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)采用0.76 kN/m的線荷載和采用0.89 kN集中荷載，這是適用于公路工程防護(hù)欄桿的設(shè)計(jì)荷載。中國(guó)2006年12月出版的圖集，其欄桿設(shè)計(jì)荷載一般采用0.5 kN/m，2015年以后，欄桿的設(shè)計(jì)荷載提高到1 kN/m及其以上。

表1 國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)欄桿荷載大小的規(guī)定

即將出版的鋼格板平臺(tái)球型護(hù)欄行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三種荷載標(biāo)準(zhǔn)，即0.5 kN/m、0.89 kN/m和1 kN/m，融合了低、中和高三種平臺(tái)欄桿荷載的規(guī)定。但尚未明確規(guī)定不同的設(shè)計(jì)荷載的欄桿適用于哪種類型的工程。

從表1看出，中國(guó)欄桿荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2-10]高于英標(biāo)和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)，但低于美標(biāo)。美標(biāo)欄桿設(shè)計(jì)荷載用于道路工程，超出了平臺(tái)球接欄桿應(yīng)用范圍。

1.2 國(guó)內(nèi)外欄桿最大撓度值比較

國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)欄桿最大撓度值的規(guī)定見(jiàn)表2。假定欄桿扶手跨度設(shè)計(jì)值為1 200 mm，欄桿立柱高度為1 100 mm，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)允許撓度值見(jiàn)表2備注。

表2 國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)欄桿最大撓度的規(guī)定

從表2可看出，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水平欄桿扶手撓度的規(guī)定最為嚴(yán)格，為4.8 mm；第二個(gè)是國(guó)際建筑法規(guī)，為6.6 mm；第三個(gè)是澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)，為13.3 mm；第四個(gè)是英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，為25 mm；最寬限似乎是美標(biāo)，但美標(biāo)的荷載最大，有集中荷載和均布荷載同時(shí)作用。

對(duì)于垂直立柱的撓度，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格程度排序?yàn)椋喊臉?biāo)(13.3 mm)>孟加拉建筑法規(guī)2006(19.6 mm)>國(guó)際建筑法規(guī)2015(18.3 mm)>英標(biāo)(25 mm)>YBT4001.2-2020(30 mm)>GB4053.3-2009(75 mm)>ASTM E 985(91 mm)。

值得注意的是，專門用于平臺(tái)球形護(hù)欄最新將頒布的標(biāo)準(zhǔn)YBT4001.2-2020(討論稿)將是首個(gè)類似工程的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水平欄桿撓度的規(guī)定嚴(yán)于各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)；而對(duì)于垂直立柱撓度的規(guī)定，略寬松于英標(biāo)。其作用在立柱上荷載兼顧了美標(biāo)、英標(biāo)和中國(guó)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)欄桿荷載分項(xiàng)系數(shù)的規(guī)定

國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)欄桿荷載分項(xiàng)系數(shù)的規(guī)定見(jiàn)表3。

從表3可看出，欄桿荷載分項(xiàng)系數(shù)，英標(biāo)最高為1.50，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相同為1.40。

表3 國(guó)內(nèi)外欄桿規(guī)范對(duì)荷載分項(xiàng)系數(shù)值的規(guī)定

1.4 國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)欄桿計(jì)算模型的規(guī)定

國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)欄桿計(jì)算模型的規(guī)定相同，即水平欄桿采用簡(jiǎn)支模型計(jì)算，垂直立桿采用懸臂結(jié)構(gòu)計(jì)算。根據(jù)英國(guó)規(guī)范，欄桿所受荷載不進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

2 達(dá)舍爾甘地污水處理廠應(yīng)用實(shí)踐

2.1 球接防護(hù)欄桿用材料

孟加拉達(dá)舍爾甘地污水出廠球接欄桿和錨板設(shè)計(jì)采用Q235A熱鍍鋅材料，材料的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 孟加拉達(dá)舍爾甘地污水出廠球接欄桿設(shè)計(jì)采用材料

2.2 球接防護(hù)欄桿設(shè)計(jì)荷載

最初設(shè)計(jì)是采用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)圖的說(shuō)明報(bào)咨詢審批，而咨詢采用最高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即采用國(guó)標(biāo)的設(shè)計(jì)荷載。

2.3 球接防護(hù)欄桿標(biāo)準(zhǔn)尺寸

球接防護(hù)欄桿的尺寸是根據(jù)廠家已有的鋼管尺寸進(jìn)行的設(shè)計(jì)，變換不同的欄桿的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)后，確定最終的水平欄桿、立柱、球鉸的尺寸和厚度，見(jiàn)表5。

2.4 球接欄桿應(yīng)力和變形設(shè)計(jì)

采用1 kN/m的設(shè)計(jì)荷載，達(dá)舍爾甘地污水處理廠球接欄桿應(yīng)力和變形的設(shè)計(jì)結(jié)果列入表5。

表5 孟加拉達(dá)舍爾甘地污水處理廠球接欄桿設(shè)計(jì)結(jié)果

從表5可看出，立柱管的應(yīng)力最大，為203 MPa，小于215 MPa。立管在正常使用狀態(tài)下的變形為11 mm，小于30 mm。上下水平欄桿的最大位移值為2.8 mm，小于4.8 mm。孟加拉達(dá)舍爾甘地污水處理廠球接欄桿的設(shè)計(jì)滿足最為嚴(yán)格的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。上下水平欄桿和立柱管的壁厚大于規(guī)范建議值。

2.5 球接欄桿熱應(yīng)力和變形設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)考慮采用6 m長(zhǎng)的鋼管做欄桿，考慮當(dāng)?shù)刈畲鬁囟忍荻?5℃的情況，設(shè)計(jì)得出其最大的變形為2.03 mm。為消除溫度應(yīng)力，每6 m長(zhǎng)的鋼管需減少3 mm。

2.6 錨板厚度和錨板受壓承載能量設(shè)計(jì)

采用美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(AISC360-05) 對(duì)錨板厚度進(jìn)行了校核，計(jì)算得到在外部荷載作用下，錨板厚度的最小值為0.70 mm，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)圖集規(guī)定，錨板的最小厚度不得低于8 mm。實(shí)際采用的是12 mm厚的錨板，設(shè)計(jì)滿足要求。錨板的尺寸為150 mm×150 mm。

采用AISC360-05對(duì)錨板承載壓力進(jìn)行了設(shè)計(jì)校核，結(jié)果表明，采用錨板得尺寸滿足要求。

2.7 膨脹螺栓設(shè)計(jì)

錨板下部的膨脹螺栓采用的是咨詢指定的產(chǎn)品。根據(jù)螺栓孔的間距和外部荷載，設(shè)計(jì)對(duì)膨脹螺栓的承載能力和拔出力進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果滿足要求。

2.8 球鉸、水平欄桿、垂直立桿、間尺寸相容性檢查

設(shè)計(jì)對(duì)球鉸與水平欄桿和垂直立桿尺寸相容性進(jìn)行了檢查，其結(jié)果滿足要求。

3 問(wèn)題討論

3.1 設(shè)計(jì)荷載

美標(biāo)的欄桿設(shè)計(jì)荷載是考慮車輛交通的設(shè)計(jì)荷載，在無(wú)交通荷載作用下的欄桿設(shè)計(jì)荷載是否需超過(guò)美標(biāo)規(guī)定值，值得商榷。

采用英標(biāo)的國(guó)外廠家球接防護(hù)欄桿的設(shè)計(jì)，其尺寸小于中國(guó)的設(shè)計(jì)。這是由于采用荷載標(biāo)準(zhǔn)不同所致。污水處理廠工程屬于非人群聚集區(qū)，其荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否需按最高荷載確定是值得商榷的。

3.2 球接欄桿設(shè)計(jì)規(guī)范

我國(guó)尚未正式出版球接欄桿設(shè)計(jì)規(guī)范，目前只有討論稿。因無(wú)正式的規(guī)范，該類型的欄桿的名稱并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，“球接欄桿”的稱謂似乎好于“球型欄桿”。討論稿只對(duì)應(yīng)力計(jì)算和位移計(jì)算有示例，但對(duì)其他細(xì)節(jié)尚未做詳細(xì)的規(guī)定，未包括本文中的設(shè)計(jì)內(nèi)容。在孟加拉達(dá)舍爾甘地污水處理廠建設(shè)項(xiàng)目，最初咨詢工程師審核承包人的設(shè)計(jì)時(shí)，認(rèn)為錨固板的設(shè)計(jì)厚度不夠，需提交設(shè)計(jì)校核并給出依據(jù)。因而，完善的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)工程才具有指導(dǎo)意義。

3.3 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

國(guó)內(nèi)工程只需參照標(biāo)準(zhǔn)圖即可施工。而國(guó)外EPC總承包工程(包括設(shè)計(jì)施工工程)中，咨詢工程師要求承包人給出設(shè)計(jì)依據(jù)、設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)以及詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙。設(shè)計(jì)規(guī)范越詳細(xì)，指導(dǎo)性才越強(qiáng)。

在國(guó)際工程中采用英美標(biāo)準(zhǔn)往往容易順利通過(guò)咨詢的審核和審批，而采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)其咨詢審核的時(shí)間非常長(zhǎng)。我國(guó)球接欄桿設(shè)計(jì)規(guī)范，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌尚有不少工作待做。

3.4 關(guān)于EPC總承包合同中的技術(shù)書(shū)

在國(guó)外EPC總承包工程合同執(zhí)行階段，咨詢工程師往往對(duì)合同價(jià)格并不關(guān)心，工程質(zhì)量是咨詢工程師首要考慮因素。設(shè)計(jì)師為能完成設(shè)計(jì)任務(wù)，往往需要做配合工作。因而，國(guó)外EPC總承包工程，若能在合同中明確細(xì)化設(shè)計(jì)參數(shù)和材料標(biāo)準(zhǔn)，則在項(xiàng)目執(zhí)行階段可避免在討論設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)參數(shù)上浪費(fèi)大量的時(shí)間，真正做到合同對(duì)執(zhí)行的雙方公正合理。

4 結(jié) 語(yǔ)

專門用于平臺(tái)球形護(hù)欄最新將頒布的標(biāo)準(zhǔn)YBT4001.2-2020(討論稿)對(duì)水平欄桿撓度的規(guī)定嚴(yán)于各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)；而對(duì)于垂直立柱撓度的規(guī)定，略寬松于英標(biāo)；其作用在立柱上的荷載兼顧了美標(biāo)、英標(biāo)和中國(guó)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

我國(guó)2015年標(biāo)準(zhǔn)圖集(15J403-1)，其欄桿的設(shè)計(jì)荷載和最大撓度允許值高于英美標(biāo)準(zhǔn)。污水處理廠結(jié)構(gòu)物頂部屬于非人群聚居區(qū)，其球接欄桿荷載設(shè)計(jì)采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)更為合理。國(guó)外EPC總承包工程，若能在合同階段完善設(shè)計(jì)參數(shù)和材料參數(shù)，將有利于合同的順利執(zhí)行，對(duì)簽訂合同的雙方更為公正合理。

孟加拉污水處理廠球接欄桿采用中國(guó)的荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，采用了美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)錨板厚度和承載壓力進(jìn)行了必要的復(fù)核，對(duì)膨脹螺栓的拔出力和承載能量進(jìn)行了必要的計(jì)算。本工程的設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐對(duì)完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)展類似國(guó)外總承包工程可提供一定的借鑒作用。