钢管式桥梁栏杆的结构性能分析——以福州市为例

徐 丹，林建茂

（福建省交通科研院有限公司，福建 福州 350004）

栏杆作为建筑物以及桥梁结构物等附属设施，虽然不是结构的主要承重构件，但在保障人民生命财产中具有不可替代的作用。由栏杆结构质量引发的重大伤亡事件穷出不尽，如2013年荆州长江大桥发生客车坠桥事件、2018年重庆万州区长江二桥发生公交车坠江事件等。近年来也有不少学者展开了栏杆结构的性能研究；如文献[1-3]分别从栏杆的分类、构成、使用功能等方面剖析如何进行桥梁栏杆设计选型；文献[4-5]研制了一种新型复合GFRP（glass fiber reinforced polymer,玻璃纤维增强复合材料）栏杆，试验研究结果表明，该类栏杆结构具有较高的安全储备性能和经济效益；文献[6]基于理论分析与实际情况，提出了栏杆变形限值，并采用数值法分析栏杆在不同荷载工况下的受力状态，最后提出了一套结构设计方法。

综上所述，目前关于桥梁栏杆的研究主要集中在结构设计选型、新型复合栏杆结构力学性能等方面，而关于常见的钢管式桥梁栏杆结构安全性能研究暂未见过相关报道。为此本文以福州市钢管式桥梁栏杆为研究对象，详细阐述了该类栏杆的结构力学性能以及是否满足修订后的《城市桥梁设计规范》CJJ 11-2011[7]（2019年版）要求，该研究可为同类桥梁栏杆结构的承载力评定提供参考与借鉴。

1 钢管式栏杆结构

钢管式栏杆结构是由扶手、立柱、横杆和竖杆四种杆件组成，各个杆件接头采用焊缝方式连接，立柱底板与人行道纵（横）梁通过膨胀螺栓固定或钢板焊接。钢管式栏杆结构根据截面的不同，可分为矩形、圆形、椭圆形等多种形式，福州市市政桥梁栏杆主要以圆形和矩形两种为主，圆形式栏杆主要用于跨越道路的人行天桥；矩形式栏杆主要用于跨越江、河桥梁。钢管式栏杆立面构造示意图见图1。

图1 钢管式栏杆立面图

2 栏杆结构设计要求

栏杆是保证桥梁结构发挥正常使用功能的附属设施，应具备一定的承载能力和刚度。当前国内外关于桥梁栏杆设计荷载规范暂未形成统一的标准要求，相关规范要求规定详见表1。

表1 桥梁栏杆结构荷载设计要求

（1）根据国内外对栏杆的荷载设计考虑，栏杆可以分为普通栏杆和防撞护栏两类，且两者的荷载差异显著。

（2）对于普通栏杆，早期国内外规范仅对扶手和立柱柱顶均布荷载做出要求，2019年版的《城市桥梁设计规范》CJJ 11-2011[7]明确规定栏杆立柱柱顶的集中推力应为扶手水平荷载集度与柱间距的乘积，并列入为强制性条文执行。

（3）国内外相关规范均对栏杆设计荷载值做出规定，但数值大小相差较大，其中《城市人行天桥与人行地道技术规范》[9]和《城市桥梁设计规范》[7,11]规范对栏杆扶手的竖向和水平力均布荷载要求一致且高于其它规范要求值。

（4）上述规范都对栏杆的设计荷载值做出规定，但对其变形量等指标没有做出相应的要求。目前仅《城市桥梁检测与评定技术规范》CJJ/T 233-2015[13]要求栏杆水平位移量不超过扶手高度（H）的1/120，而关于竖向均布荷载引起的扰度值也没有做出具体要求。参照《城市人行天桥与人行地道技术规范》[9]条文规定，建议竖向均布荷载产生的扶手扰度值不得大于柱间距（L）的1/800。

综合上述分析，本文以福州市市政桥梁钢管式普通栏杆结构安全性能为研究对象，探究该类型栏杆设计质量是否满足修订后的《城市桥梁设计规范》CJJ 11-2011[7]（2019年版）强制性条文要求。

3 栏杆结构有限元分析

3.1 数值分析模型

两种不同形式的栏杆构件尺寸见表2。运用Midas Civil（MIDAS公司2019年V1.1版本）有限元软件分别建立五跨一联的圆形和矩形式不同截面形式的栏杆结构，均采用空间梁单元类型建立模型，立柱底座与人行道横（纵）梁锚固采用软件自带的固结方式功能模拟边界条件，各根杆件节点之间焊接近似为刚性连接；栏杆材质弹性模量值为198 GPa，泊松比为0.3；各根杆件按每15 cm左右划分为一个梁单元，两种不同截面形式的栏杆结构分别由603、561个梁单元组成。标准节段栏杆有限元模型如图2所示。

表2 栏杆构件尺寸

图2 钢管式栏杆有限元模型

3.2 荷载工况

《城市桥梁设计规范》CJJ 11-2011（2019年版）[7]规定应分别对栏杆扶手进行竖向均布荷载、水平向外均布荷载和立柱柱顶集中推力三种试验工况的作用分析，且三者应分别计算，不可与其他可变作用叠加。在三维有限元建模过程中，规定垂直于栏杆扶手竖直向上为Z轴的正向，垂直于栏杆扶手水平向外为Y轴的正向，沿行车方向为X轴的正向。三种不同的荷载工况作用情况详见表3。

表3 各荷载工况规范要求

3.3 有限元数值分析结果

有限元数值分析结果表明，在工况1竖向1.2 kN/m均布荷载作用下，栏杆扶手最大位移值出现在第一跨与第五跨跨中位置处，且大小相等；在工况2水平2.5 kN/m均布荷载作用下，栏杆扶手最大位移值出现在第三跨跨中截面位置处；在工况3水平荷载集度与柱间距乘积的集中荷载作用下，立柱柱顶最大位移值出现在第三栏栏杆位置处左、右立柱柱顶截面处（3#、4#立柱）。各个荷载工况下，对应构件控制截面处的位移值见表4。

考虑现场均布荷载不易实施加载，根据位移等效原则，分别计算工况1、工况2所对应的控制截面处施加的等效集中荷载值大小，使得其产生的位移值与规范要求荷载分布工况结果一致。以圆形式栏杆为例，工况1、工况2有限元等效加载计算见图3；不同荷载工况下所对应的加载集中力大小见表4。

表4 有限元数值分析结果

图3 圆形式截面栏杆等效加载集中力示意图

4 栏杆试验及结果

4.1 试验内容

随机抽取福州市某线路的人行天桥和跨江桥梁两座不同截面形式的钢管式栏杆进行现场加载试验。工况1加载方式为在第一跨或者第五跨栏杆扶手跨中位置处临时固定一根水平钢棒，并在钢棒中部通过绳子悬挂砝码方式从而达到施加竖向荷载力；工况2、工况3加载方式为分别在第三跨跨中扶手水平处位置、3#立柱或者4#立柱柱顶截面处依次将千斤顶定位帽钢板环抱箍固定在对应控制截面处，保证加载过程中千斤顶始终处于水平线上，并依靠临时反力架作为支撑逐级加载水平向外的推力，直至要求值；与此同时也在相应的控制截面处安装位移计千分表。现场试验加载示意见图4。

图4 现场加载示意图

4.2 试验结果

各个工况荷载均按5级加载进行，即按等效荷载值的20%、40%、60%、80%、100%加载，每级荷载加载后观测3 min并读取位移值，最后一级荷载观察时间不低于10 min，方可拆卸砝码或千斤顶油泵并量测残余变形值。各加载工况试验数据如表5所示

表5 荷载作用下的控制截面位移 （单位：mm）

试验观察发现，在各个荷载工况下，两种栏杆构件或构件接头焊缝均未出现明显的变形、松动、裂纹等异常现象。且卸载后的最大残余变形率为8.7%，小于20%，说明在加载试验过程中，栏杆材质始终处于弹性工作状态，未进入弹塑性阶段，也证实了节点焊缝质量满足设计要求。

5 实测值与理论值对比分析

将现场实测位移值与理论计算值对比，不同荷载工况下各级控制截面加载对比结果见图5。

图5 理论计算值与实测值对比

由图5可以看出，在各个荷载工况下各个加载等级的实测位移值均比理论计算值小。在五级荷载作用下，圆形式栏杆对应工况下的控制截面的位移值（变形率）分别是0.22 mm（L/10000）、4.48 mm(H/246)、4.02 mm(H/274)；矩形式栏杆对应工况的位移值（变形率）分别是 0.23 mm（L/8696）、2.78 mm(H/396)、2.54 mm(H/787)。

综上分析可知，两种不同截面形式的栏杆竖向扰度值远小于L/800，表明这类栏杆结构的竖向刚度安全系数高；扶手跨中截面和立柱柱顶处的水平向变形量也满足规范要求的H/120限值，说明福州市现有的钢管式市政桥梁栏杆结构设计安全储备系数较高，满足修订后的 《城市桥梁设计规范》CJJ11-2011（2019年版）[7]强制性条文要求，可继续正常使用。

6 结语

桥梁栏杆附属设施在保障行人安全通行等方面具有举足轻重地位，相关规范也进一步提高其设计质量要求。本文以福州市常见的钢管式市政桥梁栏杆（圆形式截面和矩形式截面两类）安全性能为研究对象，依照《城市桥梁设计规范》CJJ11-2011（2019年版）[7]进行现场试验，并将现场实测值与有限元数值分析结果进行对比，结果表明现有的福州市钢管式桥梁栏杆结构设计安全储备系数较高，满足规范[7]强制性条文要求，可继续使用。