国内外球接栏杆设计参数比较及其在国外污水厂防护工程中的应用

杨发峻，杨 非，黄 河，刘 质，丁 维

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.中国电建集团国际工程有限公司，北京 100036；3.北京国环清华环境工程设计研究院有限公司，北京 100086)

0 前 言

孟加拉达舍尔甘地污水处理厂工程项目位于孟加拉国首都达卡市东郊，项目业主为达卡市水务局(Dhaka Water Supply and Sewerage Authority)，设计污水处理能力为50万m3/d。该项目是南亚地区在建规模最大的污水处理厂，对改善孟加拉国首都达卡市的环境具有重要的政治、经济和社会意义。该项目由中国政府提供优惠贷款，工作内容包括设计、采购、施工和一年期运营维护技术服务。

该污水处理厂建筑物顶部安全通道的安全护栏采用球接护栏，单侧总长度约为11 500 m。球接护栏也称球型护栏，主要采用球接垂直立柱并连接水平栏杆。项目咨询工程师批准的材料是Q235A热镀锌钢，球接护栏采用工厂生产，现场安装。根据设计采用双球立杆。球型栏杆具有新颖美观、安装方便、免维护等特点，可应用于矿山、电力、石化、码头、供水厂和污水处理厂的走道和安全防护栏。

2015年由中国建筑标准设计研究院推出的楼梯、栏杆和栏板的标准图集(15J403-1)中，提供了五种平台栏杆，即：钢栏杆(PA型)、不锈钢栏杆(PB型)、玻璃钢栏板(PC型)、金属板栏杆(PD型)和钢筋混凝土栏板(PE型)。以上五种类型的栏杆均不宜用于污水处理厂三大池，即：初沉池、二沉池和生化池和其他部位的工程用栏杆，污水处理厂三大池的栏杆用于污水处理厂日常维护用，属于非人员密集型场所。

孟加拉达舍尔甘地污水处理厂平台防护栏杆推荐的是双球立杆，其适合污水处理厂的特殊条件。我国尚未正式出版有球形栏杆的设计规范。目前可查到的球型平台栏杆的标准是由中华人民共和国工业和信息化部推出的2020年的规范讨论稿[1]。

了解国内外护栏的设计标准，特别是设计荷载、最大允许挠度、荷载分项系数的规定、锚固的设计、锚固板厚度的设计和国内外设计规范的差异等对于更好开展相应的设计工作，更好适应国外EPC总承包工程具有现实意义。基于对比结果，本文开展了球型平台栏杆的设计，并将结果应用于孟加拉达舍尔污水处理厂工程实践。另外，根据本文的工程实践，探讨了国内球接平台栏杆规范待增加和待改进的内容和开展国外EPC总承包工程对技术规范的建议。

1 国内外球接栏杆设计参数比较

1.1 国内外规范对栏杆荷载大小的规定

国内外规范对栏杆荷载的规定见表1。由表1看出，澳大利亚采用0.55 kN的集中荷载或0.33 kN/m的均布荷载，英国栏杆设计一般用0.36 kN或0.76 kN/m均布荷载。美国标准采用0.76 kN/m的线荷载和采用0.89 kN集中荷载，这是适用于公路工程防护栏杆的设计荷载。中国2006年12月出版的图集，其栏杆设计荷载一般采用0.5 kN/m，2015年以后，栏杆的设计荷载提高到1 kN/m及其以上。

表1 国内外规范对栏杆荷载大小的规定

即将出版的钢格板平台球型护栏行业标准规定了三种荷载标准，即0.5 kN/m、0.89 kN/m和1 kN/m，融合了低、中和高三种平台栏杆荷载的规定。但尚未明确规定不同的设计荷载的栏杆适用于哪种类型的工程。

从表1看出，中国栏杆荷载设计标准[2-10]高于英标和澳大利亚标准，但低于美标。美标栏杆设计荷载用于道路工程，超出了平台球接栏杆应用范围。

1.2 国内外栏杆最大挠度值比较

国内外规范对栏杆最大挠度值的规定见表2。假定栏杆扶手跨度设计值为1 200 mm，栏杆立柱高度为1 100 mm，各国标准允许挠度值见表2备注。

表2 国内外规范对栏杆最大挠度的规定

从表2可看出，中国标准对水平栏杆扶手挠度的规定最为严格，为4.8 mm；第二个是国际建筑法规，为6.6 mm；第三个是澳大利亚标准，为13.3 mm；第四个是英国标准，为25 mm；最宽限似乎是美标，但美标的荷载最大，有集中荷载和均布荷载同时作用。

对于垂直立柱的挠度，各国标准的严格程度排序为：澳标(13.3 mm)>孟加拉建筑法规2006(19.6 mm)>国际建筑法规2015(18.3 mm)>英标(25 mm)>YBT4001.2-2020(30 mm)>GB4053.3-2009(75 mm)>ASTM E 985(91 mm)。

值得注意的是，专门用于平台球形护栏最新将颁布的标准YBT4001.2-2020(讨论稿)将是首个类似工程的标准，该标准对水平栏杆挠度的规定严于各国标准；而对于垂直立柱挠度的规定，略宽松于英标。其作用在立柱上荷载兼顾了美标、英标和中国现有的标准。

1.3 国内外规范对栏杆荷载分项系数的规定

国内外规范对栏杆荷载分项系数的规定见表3。

从表3可看出，栏杆荷载分项系数，英标最高为1.50，中国标准和美国标准相同为1.40。

表3 国内外栏杆规范对荷载分项系数值的规定

1.4 国内外规范对栏杆计算模型的规定

国内外规范对栏杆计算模型的规定相同，即水平栏杆采用简支模型计算，垂直立杆采用悬臂结构计算。根据英国规范，栏杆所受荷载不进行组合设计。

2 达舍尔甘地污水处理厂应用实践

2.1 球接防护栏杆用材料

孟加拉达舍尔甘地污水出厂球接栏杆和锚板设计采用Q235A热镀锌材料，材料的设计参数见表4。

表4 孟加拉达舍尔甘地污水出厂球接栏杆设计采用材料

2.2 球接防护栏杆设计荷载

最初设计是采用国内标准图的说明报咨询审批，而咨询采用最高设计标准，即采用国标的设计荷载。

2.3 球接防护栏杆标准尺寸

球接防护栏杆的尺寸是根据厂家已有的钢管尺寸进行的设计，变换不同的栏杆的尺寸进行设计后，确定最终的水平栏杆、立柱、球铰的尺寸和厚度，见表5。

2.4 球接栏杆应力和变形设计

采用1 kN/m的设计荷载，达舍尔甘地污水处理厂球接栏杆应力和变形的设计结果列入表5。

表5 孟加拉达舍尔甘地污水处理厂球接栏杆设计结果

从表5可看出，立柱管的应力最大，为203 MPa，小于215 MPa。立管在正常使用状态下的变形为11 mm，小于30 mm。上下水平栏杆的最大位移值为2.8 mm，小于4.8 mm。孟加拉达舍尔甘地污水处理厂球接栏杆的设计满足最为严格的中国标准。上下水平栏杆和立柱管的壁厚大于规范建议值。

2.5 球接栏杆热应力和变形设计

设计考虑采用6 m长的钢管做栏杆，考虑当地最大温度梯度25℃的情况，设计得出其最大的变形为2.03 mm。为消除温度应力，每6 m长的钢管需减少3 mm。

2.6 锚板厚度和锚板受压承载能量设计

采用美国钢结构设计规范(AISC360-05) 对锚板厚度进行了校核，计算得到在外部荷载作用下，锚板厚度的最小值为0.70 mm，国内标准图集规定，锚板的最小厚度不得低于8 mm。实际采用的是12 mm厚的锚板，设计满足要求。锚板的尺寸为150 mm×150 mm。

采用AISC360-05对锚板承载压力进行了设计校核，结果表明，采用锚板得尺寸满足要求。

2.7 膨胀螺栓设计

锚板下部的膨胀螺栓采用的是咨询指定的产品。根据螺栓孔的间距和外部荷载，设计对膨胀螺栓的承载能力和拔出力进行了计算，结果满足要求。

2.8 球铰、水平栏杆、垂直立杆、间尺寸相容性检查

设计对球铰与水平栏杆和垂直立杆尺寸相容性进行了检查，其结果满足要求。

3 问题讨论

3.1 设计荷载

美标的栏杆设计荷载是考虑车辆交通的设计荷载，在无交通荷载作用下的栏杆设计荷载是否需超过美标规定值，值得商榷。

采用英标的国外厂家球接防护栏杆的设计，其尺寸小于中国的设计。这是由于采用荷载标准不同所致。污水处理厂工程属于非人群聚集区，其荷载设计标准是否需按最高荷载确定是值得商榷的。

3.2 球接栏杆设计规范

我国尚未正式出版球接栏杆设计规范，目前只有讨论稿。因无正式的规范，该类型的栏杆的名称并没有统一的规定，“球接栏杆”的称谓似乎好于“球型栏杆”。讨论稿只对应力计算和位移计算有示例，但对其他细节尚未做详细的规定，未包括本文中的设计内容。在孟加拉达舍尔甘地污水处理厂建设项目，最初咨询工程师审核承包人的设计时，认为锚固板的设计厚度不够，需提交设计校核并给出依据。因而，完善的设计规范对工程才具有指导意义。

3.3 设计细节

国内工程只需参照标准图即可施工。而国外EPC总承包工程(包括设计施工工程)中，咨询工程师要求承包人给出设计依据、设计计算书以及详细设计图纸。设计规范越详细，指导性才越强。

在国际工程中采用英美标准往往容易顺利通过咨询的审核和审批，而采用中国标准其咨询审核的时间非常长。我国球接栏杆设计规范，与国际标准接轨尚有不少工作待做。

3.4 关于EPC总承包合同中的技术书

在国外EPC总承包工程合同执行阶段，咨询工程师往往对合同价格并不关心，工程质量是咨询工程师首要考虑因素。设计师为能完成设计任务，往往需要做配合工作。因而，国外EPC总承包工程，若能在合同中明确细化设计参数和材料标准，则在项目执行阶段可避免在讨论设计标准、材料标准和设计参数上浪费大量的时间，真正做到合同对执行的双方公正合理。

4 结 语

专门用于平台球形护栏最新将颁布的标准YBT4001.2-2020(讨论稿)对水平栏杆挠度的规定严于各国标准；而对于垂直立柱挠度的规定，略宽松于英标；其作用在立柱上的荷载兼顾了美标、英标和中国现有的标准的规定。

我国2015年标准图集(15J403-1)，其栏杆的设计荷载和最大挠度允许值高于英美标准。污水处理厂结构物顶部属于非人群聚居区，其球接栏杆荷载设计采用英国标准应更为合理。国外EPC总承包工程，若能在合同阶段完善设计参数和材料参数，将有利于合同的顺利执行，对签订合同的双方更为公正合理。

孟加拉污水处理厂球接栏杆采用中国的荷载标准进行的设计，采用了美国钢结构设计规范对锚板厚度和承载压力进行了必要的复核，对膨胀螺栓的拔出力和承载能量进行了必要的计算。本工程的设计和工程实践对完善行业标准和开展类似国外总承包工程可提供一定的借鉴作用。