城市桥梁装配式人行景观栏杆设计

封 伟，郭 强，王虎军

(西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710000)

0 引 言

人行栏杆，是人们十分熟悉的一种建筑设施，有着极其丰富的文化内涵，尤其对于人行景观栏杆，更要赋予美学特性。它产生于汉代，距今已有2000多年的历史，我们可以从那个时候的一些出土文物中看出栏杆的一些雏形[1]，近年来，由于不断提高技术水平，引用新材料、新工艺，桥梁建设得到长足的发展，就栏杆而言，在结构型式和材料方面取得了极大的进展，便于装配式安装栏杆的功能美即遵循力学理论，满足于功能需要，使栏杆形式服从功能。栏杆最起码的功能要求——安全性，其次则是它的艺术性[2]。

我国对于景观栏杆的研究多在于其艺术性方面，如同济大学的《城市园林绿地规划》将栏杆现代设计与古典园林精密结合，提出了栏杆设计的准则[3]；戴慎志等工程师从城市基础设施工程设计方面对城市公园栏杆设计做了一些工程技术方面的探讨[4]；华南工学院一些教授在《园林建筑设计》一书中也说到景观栏杆设计的材质选择原则首先要以当地建材为主才能做到因地制宜[5]。对于安全性方面的研究有所欠缺，无法指导设计，对于安全性方面的研究有所欠缺，无法指导设计，而在设计当中，一般只考虑强度因素，忽略栏杆挠度对使用感受的影响，因此本文根据设计规范，依托陕西省人行栏杆标准图项目对人行栏杆进行详细分析并提出一种化学螺栓加钻尾钉连接的新型装配式连接方式作为借鉴。

1 设计方法

根据《城市桥梁设计规范》(CJJ 11—2019)、《建筑防护栏杆技术标准》(JGJT 470—2019)采用midas Civil有限元软件建立梁板实体模型，模拟荷载加载模式对其立柱和扶手进行了挠度分析和强度分析，根据《钢结构设计规范》(GB50017—2017)对装配式连接部位抗弯剪性能进行了分析。

1.1 构造要求

栏杆除了是一种保护装置外，它还能带来视觉上的安全感。栏杆的高度设计应根据桥梁所处的实际环境结合人的视觉和心理反应做出适宜的选择。当桥下净空较大时，栏杆高度应适当增加[1]，根据规范要求，人行道或安全带临空侧的栏杆高度不应小于1.10 m，非机动车道临空侧栏杆高度不应小于1.40 m。上述栏杆高度为人行道表面至栏杆扶手顶面的距离。栏杆竖直构件间的最大净间距不得大于110 mm，不宜采用有蹬踏面的结构。栏杆结构及底座设计必须安全可靠[6]。

在设计桥梁人行栏杆时，除应满足受力要求以外，其栏杆造型、色调应与周围环境协调。对重要桥梁宜作景观设计[6]。当桥梁跨越快速路、城市轨道交通、高速公路、铁路干线等重要交通通道时，桥面人行道栏杆上应加设护网，护网高速不应小于2 m，护网长度宜为下穿道路的宽度并各向路外延长10 m[6]。

当栏杆设置照明装置时，应有可靠接地装置[6]。

1.2 荷载取值

根据《城市桥梁设计规范》(CJJ 11—2019)：作用在桥上人行道栏杆扶手上的竖向荷载应为1.2 kN/m；水平荷载应为2.5 kN/m。两者应分别计算，且不应与其它可变作用叠加。立柱柱顶推力应为扶手水平荷载集度与柱间距的乘积[6]。

荷载工况：人行道栏杆设计荷载：水平推力2.5 kN/m，竖向力1.2 kN/m。

1.3 失效模式判定

根据《建筑防护栏杆技术标准》(JGJT 470—2019)：防护栏杆立柱顶部在设计荷载作用下位移极限值应取30 mm，扶手挠度限值应为扶手长度的1/250[7]。

由于立柱的变形会带动扶手，因此扶手的变形理论上大于立柱变形，为了保证行人的安全性，扶手和立柱的变形限值均取30 mm。

2 依托项目

依托项目为2021年陕西省建筑标准设计项目—人行道装配式栏杆标准设计，选用本标准图集一种代表性人行道装配式栏杆—装配式钢质波浪形人行栏杆进行分析。

该钢质栏杆扶手和椭圆套管采用铝合金材料，栏板与立柱采用Q235B型钢，立柱根据受力(上小下大)采用变截面工字型截面，扶手采用椭圆130 mm×80 mm×6 mm截面，上下横杆采用50 mm×30 mm×3 mm矩形钢管，竖管采用折线形20 mm×20 mm×2 mm矩形钢管，椭圆扶手内采用LED成像灯。

2.1 强度及挠度计算

栏杆扶手和椭圆套管采用6063-T5铝合金材料，根据《铝合金结构设计规范》(GB 50429—2007)，其抗拉、抗压和抗弯强度设计值为90 MPa，抗剪强度设计值为55 MPa；栏板与立柱采用Q235B型钢，根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)，其抗拉、抗压、抗弯强度为190 MPa。

由于是装配式栏杆，按每个栏杆节间装配，因此采用简支计算。采用midas Civil有限元软件建立3个节段，全桥共744个梁单元，释放立柱与扶手的弯矩约束(模拟简支约束)，立柱底部采用固结约束，栏板构件采用共节点连接。立柱采用变截面工字型截面，Q235钢材；扶手采用椭圆形截面，铝合金6063-T5材料；栏板采用型钢截面，Q235钢材，完成有限元模型的建立。

由于规范要求人行道栏杆设计荷载：水平推力2.5 kN/m，竖向力1.2 kN/m，且对于水平荷载和竖向荷载应分别计算，与其他可变作用不能叠加，因此只需分别考虑这两种荷载与栏杆自重分别进行荷载组合即可。因此，设置两种工况：工况一：1.2自重+1.0水平荷载；工况二：1.2自重+1.0竖向荷载。

表1 各个工况计算结果

在工况一作用下，该装配式人行栏杆的立柱最大应力存在于立柱底部，为49.9<190 MPa，扶手最大应力存在于扶手中部，为22.5<90 MPa；在工况二作用下，最大应力存在于扶手中部，为17.4<90 MPa，满足规范要求。

在工况一作用下，该装配式人行栏杆的最大变形存在于扶手中部，为3.1<30 mm；在工况二作用下，最大挠度存在于立柱中部，为0.9 mm

综上所述，人行栏杆满足强度验算和挠度验算。

2.2 装配式连接及局部连接计算

(1)装配式连接方式

传统的钢质人行栏杆立柱与基础、栏板与立柱间连接采用现场焊接，由于焊接产生温度应力产生人行栏杆不易安装或安装效果差等弊端，现场装配式连接成为当下主要的连接方式。

针对铝合金栏杆的材质特性，栏杆各个构件可采用钻尾钉(稍大构件间)或自攻钉连接(小构件间)，立柱与基础可采用化学螺栓提前将连接件固定，立柱和各个构件可通过连接螺栓或钻尾钉连接。

对于栏板版面，竖杆与横杆的连接可采用钻尾钉完成。对于受力较大位置采用普通螺栓连接。完成装配化连接。

(2)局部连接计算

该装配式人行栏杆立柱底部采用5.8级M16×190 mm化学螺栓连接，连接大样如图1所示。

图1 立柱底部化学螺栓连接大样图(单位：mm)

①设计抗力

化学螺栓均采用镀锌螺杆5.8级M16×190 mm，单个螺栓设计拉力为28.9 kN，设计剪力为35 kN，单个螺栓抗拉拔力大于60 kN。

②荷载效应值

N=2.5×2=5.0 kN，单个螺栓承受剪力Nv=1.25 kN<35 kN；

M=5.0×1.1=5.5 kN·m，力臂为0.03 m，根据力矩平衡，单个螺栓承受拉力BNt=45.8 kN<60 kN(抗拉拔力)，满足抗拉要求。

③弯剪作用下，单个螺栓承载力应符合下列公式

(1)

式中：Nvb=35 kN，Ntb=60 kN，Nv=1.25 kN，Nt=45.8 kN。

将以上数据代入公式(1)中可得最终结果为0.76<1.0，满足受力要求。

3 结 语

在桥梁的设计当中，人行栏杆往往作为附属构造易被忽视，一般均根据使用条件套用通图即可，很少针对人行栏杆规范要求荷载进行详细计算。但作为赋予观赏性功能的人行景观栏杆，如何在追求美观性的同时，保证人行栏杆的安全性和可装配性成为当前迫切需要解决的难点，给出了人行景观栏杆的设计计算流程并提出一种人性栏杆装配式连接方式，有以下四个创新点。

(1)对最新规范进行归纳总结，基于规范针对人行栏杆的设计要求和一般流程进行了系统阐述，为非标准城市桥梁装配式人行栏杆的设计提供一定借鉴；

(2)在人行栏杆计算中首次将挠度作为一项控制指标，提高了栏杆的安全性；

(3)以陕西省标准图—“装配式人行栏杆标准”项目为背景，采用有限元软件对人行栏杆进行了详细的计算分析，提出对于装配式人行栏杆立柱与扶手间应采用简支约束计算，通过释放连接节点间的弯矩来实现；

(4)提出了一种化学螺栓加钻尾钉连接的装配式连接方式，并对局部连接进行了抗弯剪计算。