海上平台栏杆结构设计规范探讨

辛晓辉，王晓蕾，胡晓明，张 兴，段艳丽

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

海上平台栏杆是海上平台和船舶防止人员坠落的防护结构，可分为可移动栏杆和焊接固定栏杆，一般是由立柱、横档、扶手组成的框架结构。从其在承重结构中的作用看属于次要结构，从人身安全方面看，则是最基本的海上安全防护设施。一些规范推荐了防护栏杆的结构形式，一些规范给出了栏杆的荷载要求和计算参考公式，但没有专门针对海上平台栏杆结构设计荷载的规范。本文通过各规范的差异比较分析和相互引用关系论证[1]，结合力学计算分析和比较，为海上平台栏杆的结构设计提供技术参考，并对栏杆的设计荷载和相关规范升版提出建议。

1 海上平台栏杆相关规范概述

与海上平台栏杆结构形式相关的主要设计规范：

①海上平台栏杆(GB/T 3756—2014)[2]；②造船货船栏杆(GB/T 23425—2009)[3]；③工业防护栏杆和钢平台(GB 4053.3—2009)[4]；④船用栏杆(CB/T 663—1999)[5]等。

与栏杆结构设计荷载相关的标准和参考手册：

①工业防护栏杆和钢平台(GB 4053.3—2009)[4]；②建筑结构荷载规范(GB 50009—2012)[6]；③城市桥梁设计规范(CJJ 77—2011(2019年))[7]；④雪佛龙公司的人机工程手册(1997)[8]等。

针对海洋平台的国家和行业标准中只有海洋平台栏杆结构形式的规定，而无针对其结构设计荷载的规定，因此需要参考与栏杆结构设计相关的荷载规范。

栏杆的结构形式如图1所示，栏杆平台布置如图2所示。从结构方面看，栏杆的立柱和扶手是主要的受力结构，而立柱是栏杆荷载传递到海上平台的支撑件。因此，立柱是栏杆的主要受力结构，其规格将直接影响扶手的规格和栏杆的承载能力，而扶手满足人手扶握舒适性的需求则对栏杆立柱的规格有上限要求。

图1 海上平台典型栏杆结构图Fig.1 Typical guardrail structure drawing of offshore platform

图2 海上平台栏杆实体图Fig.2 Physical drawing of offshore platform guardrails

海上平台栏杆荷载目前遵循2009年版的工业防护栏杆及钢平台相关要求，该规范的栏杆荷载推导主要依据 2001(2016)年版的建筑结构荷载规范，如今建筑结构荷载规范最新版是 2012年版，该规范现行版增大了栏杆的荷载值，这将直接影响工业防护栏杆及钢平台的栏杆荷载要求。

2 栏杆荷载规定比较

栏杆结构分析中立柱为关键杆件，扶手和横档按构造要求就能满足受力要求，因此重点分析比较控制立柱设计的水平荷载规定。立柱的荷载规定见表1。

表1 立柱荷载比较[9-11]Tab.1 Comparison of post load

目前海上平台栏杆设计依据的主要荷载规范是工业防护栏杆及钢平台，该规范荷载主要参考其1993年版和建筑结构荷载规范2001(2006)年版。

3 立柱荷载分析比较

通常为便于施工，海上平台栏杆成片预制后吊装到平台，再将立柱与甲板焊接或用螺栓连接。从主要荷载规范看，都有均布荷载的规定，集中荷载可由均布荷载推导，因此均布荷载的变化可以作为荷载变化研究的主要对象。按最大柱间距 1.5m，跨数为 n，则由水平均布荷载推导的集中荷载如下式：

式中：F为立柱水平集中力；Q为均布荷载设计值(本式取700N/m)；L为立柱间距；n为栏杆跨数。

由跨数n的变化推导的集中荷载见表2。

表2 立柱集中荷载Tab.2 Post concentrated load

①栏杆的跨数越少，单根立柱按均布荷载推导的集中力越小，集中力应采用规范规定的集中力；②5跨 6腿栏杆的水平集中力 875N，小于现行工业防护栏杆及钢平台规定的 890N，为临界跨数。③栏杆连续布置时，单根立柱水平集中力为均布值与柱间距之乘积，为最大集中力，即：

该力为栏杆连续设计时考虑的最大集中力，比工业防护栏杆与钢平台规范中规定的集中力要大，这是栏杆设计关键点之一。

4 工业防护栏杆及钢平台栏杆荷载建议

现行 2012年版建筑结构荷载规范，根据该规范条文说明：鉴于栏杆倒塌事故增多且后果严重，决定将栏杆顶部均布荷载增加，该荷载参照城市桥梁设计荷载标准(CJJ 77—1998)的1kN/m，因该版规范已于2008年10月1日废止，目前桥梁行业执行的城市桥梁设计规范(CJJ 77—2011)于 2011年颁布(2019年修订)，该规范规定水平均布荷载值为 2500N/m，远远高于现行建筑结构荷载规范，原因为：

①设计基准期高，现行城市桥梁设计规范中规定结构设计基准期应为100年，而现有工业与民用建筑的设计基准期为 50年[12]；②设计通行能力高，现行城市桥梁设计规范沿用了城市人行天桥与人行地道技术规范(CJJ69)[13]，适用于如 2400人/(h·m)设计通行能力的天桥、地道。

工业防护栏杆及钢平台2009年版制定均布荷载值时参考《建筑结构荷载规范》2001版的500N/m，2012年新版《建筑结构荷载规范》考虑到楼梯、上人屋面等的栏杆在紧急情况下对人身安全保护的重要作用，将民用栏杆顶部水平荷载标准值从 500N/m提高到 1000N/m，并将公用栏杆顶部水平荷载在1000N/m的基础上再增加竖向荷载1200N/m，两者分别考虑，不应同时作用(对海上平台栏杆而言，水平荷载是控制设计的关键工况)。因此，工业防护栏杆及钢平台规定的均布荷载值已经小于国家基本荷载规范规定的均布荷载值，考虑到各门类规范升版的年限不同，建议工业防护栏杆及钢平台栏杆荷载升版时：①应遵循不低于现行建筑结构荷载规范的规定值；②应将集中力规定值的使用条件予以限定，或者在条文说明中予以限定。

5 荷载升版后对现有海上平台栏杆设计的影响

海上平台栏杆均布荷载和集中荷载升版增大后，将对目前的栏杆结构件规格、跨距和跨数产生较大影响[14]，目前平台栏杆结构件常用管材规格为Ф48×3.5(单位mm)，控制工况为栏杆顶部由均布荷载产生的集中荷载，立柱根部受弯最大，其应力理论计算如下式：

式中：σmax为立柱根部最大应力；Q 为均布荷载设计值；L为立柱间距；H 为栏杆高度，取 H＝1.05m；W为立柱截面模量。

以常规海上平台栏杆最大间距1.5m核算：

式中：f为栏杆强度设计值，按平台常用 20钢材质，取 f＝225MPa。

由此得出，规范荷载增加，立柱需要加强，但考虑到人手扶握的舒适性，立柱规格增加有限，故需通过减少立柱间距或采用高强度钢材满足设计要求。

6 结 论

通过以上分析，对海上平台栏杆的荷载适用规范进行了梳理，对主要遵循的工业防护栏杆及钢平台规范栏杆荷载进行了全面的分析和比较，通过研究建筑结构荷载规范栏杆荷载的变化及原因，给出了工业防护栏杆及钢平台规范栏杆荷载升版的建议。