钢管式桥梁栏杆结构性能及设计参数研究

徐 丹，林建茂

(福建省交通科研院有限公司，福建 福州 350004)

栏杆作为路、桥等交通附属设施，虽不是结构的主要承重构件，但在保障行人安全通行方面具有举足轻重地位。近年来因栏杆质量缺陷导致的安全事故穷出不尽，也引起了相关部门的重视，如交通运输部相继发布了《提升公路桥梁安全防护能力专项行动技术指南》等一系列文件。已有学者陆续开展了栏杆结构的受力性能研究，并取得了一定成果。如文献[1-2]在归纳总结了国内外相关规范对栏杆结构要求的基础上，建议栏杆设计变形上限值宜为(1/100)，并对GFRP栏杆结构性能进行探讨，结果表明该新型栏杆结构具有良好的安全性与经济效益；文献[3]研制了一种GFRP栅栏型宝瓶式新型栏杆结构，并通过现场加载试验与有限元数值相结合法探究了该类栏杆结构的性能，结果表明GFRP栏杆结构性能优越，具有推广价值；文献[4-5]从FRP结构形式、力学性能以及工程应用等方面进行分析，研究表明FRP栏杆结构具有形式简单、超载安全性能良好、施工机械化程度高等优势，具有广阔的应用前景。

综上所述，目前关于桥梁栏杆结构的力学性能研究主要集中在GFRP新型复合栏杆结构方面，而关于实际工程中应用最为广泛的钢管式桥梁栏杆结构安全性能及设计参数变化影响规律研究鲜为报道。本文以福州市钢管式桥梁栏杆为该类栏杆代表，探讨此类栏杆的结构力学性能及主要设计参数变化对其性能的影响规律。

1 栏杆结构

1.1 栏杆分类

常见的桥梁栏杆按材料组成可分为钢、铸铁、不锈钢、铝合金、石材、混凝土等多种形式。不锈钢或铝合金材质栏杆轻盈、美观，但价格较为昂贵，主要应用于景区、园林景观等领域；混凝土或石材栏杆虽然后期养护费用低，但结构自重大、造型单一、不美观等特征，主要应用于农村公路桥梁；钢材、铸铁材质栏杆虽然易锈蚀，但具有安装便捷、自重轻、价格低等特点，应用广泛。

按照栏杆构件截面形状的不同可分为圆形、矩形等多种形式。目前钢管式圆形截面栏杆结构类型是众多城市桥梁栏杆中较为常见的造型之一。

1.2 栏杆构造要求

常规的钢管式桥梁栏杆结构是由立柱、扶手、横杆、竖杆等杆件组成。各个部件通过焊缝焊接，立柱底板与底座通过锚筋、地脚螺栓等方式与桥面形成一体，保证结构不发生较大的挠曲变形，还应满足构件最大竖直净距不得大于110 mm，高度不小于1 100 mm(非机动车道1 400 mm)的要求[6]。

1.3 工程依托

随机抽取福州市仓山区某路段桥梁栏杆结构为试验对象，该类传统的钢管式桥梁栏杆结构每栏标准跨径L为2 200 mm，立柱高度H为1 100 mm，立柱与扶手截面尺寸均为φ102 mm×6 mm，横杆和竖杆截面尺寸为φ32 mm×1 mm，立柱底板与人行道板通过地脚螺栓方式连接。钢管式栏杆立面构造示意见图1。

图1 钢管式栏杆立面图Fig 1 Elevation of steel tube railing

2 承载力评定

2.1 试验项目

目前关于桥梁栏杆承载力评定并没有一套较为完善的体系。参照《城市桥梁设计规范》[6]10.07条强制性修订条文要求，分别对传统的钢管式栏杆进行3个不同荷载工况。工况1：作用在栏杆扶手上的竖向荷载为1.2 kN/m。工况2：扶手水平荷载为2.5 kN/m。工况3：立柱柱顶推力为扶手水平荷载集度与柱间距的乘积(新增工况)，且3种荷载工况分别计算，不得叠加。

2.2 有限元数值分析

运用Midas Civil有限元软件分别进行不同荷载工况的数值计算，立柱底部近似为固结方式模拟，栏杆材质弹性模量E取198 GPa，泊松比λ值为0.3。3种不同工况下的数值计算模型见图2～图4。

考虑现场均布荷载不易实施，根据位移等效原则，分别在一联栏杆首端(尾端)栏中间扶手处施加1.26 kN的竖向力、第三栏(跨中栏)中间扶手处施加8.12 kN的水平推力。

图2 工况1荷载作用下栏杆位移图Fig 2 Displacement diagram of railings under load condition 1

图3 工况2荷载作用下栏杆位移图Fig 3 Displacement diagram of railings under load condition 2

图4 工况3荷载作用下栏杆位移图Fig 4 Displacement diagram of railings under load condition 3

2.3 试验加载

严格按照相关规范对栏杆试验进行加载，各个工况均分为5级加载，分别按照最大荷载值的20%、40%、60%、80%、100%逐渐加载，每一级加载时间间隔均不低于规范要求，试验人员全程重点观测构件有无裂缝开裂、松动等异常现象，并做好逐级加载量测值。卸载后还要量测栏杆控制截面处的残余变形值，以便进一步判断材质工作状态。

2.4 试验结果分析与评定

在各个荷载工况下，栏杆控制截面处的位移实测值、理论值与残余值见表1。3个不同工况下各级加载实测值与有限元计算值对比详见图5～图6。

表1 位移实测值与理论计算值Table 1 Displacement measured value and theoretical value mm

图5 工况1实测值与理论值对比Fig 5 Comparison between measured value and theoretical value of condition 1

图6 工况2、3实测值与理论值对比Fig 6 Comparison between measured value and theoretical value of condition 2 and 3

由表1数据可知，3种不同工况下栏杆的实测值均小于理论值，其中工况1荷载作用下截面的最大扰度变形量为0.22 mm，仅为跨径的1/10 000；工况2、3荷载作用下的变形量分别为4.48 mm和4.02 mm，是扶手高度的1/246、1/274，满足《城市桥梁检测与评定技术规范》[7]要求的1/120，说明该类型栏杆结构刚度较大，满足现行的相关规范承载力要求。另一方面从3个不同工况下的残余变形值(分别为4.5%、8.7%、7.7%，均小于20%)，进一步说明钢管式桥梁栏杆结构在设计荷载作用下始终处于弹性工作状态，具有较高的储备系数值。

由工况2、工况3理论值与实测值可以看出，对于传统的钢管式桥梁栏杆结构在工况2荷载作用下的位移值大于工况3，其主要是因为钢管式栏杆立柱构件抗弯曲能力大，另一方面立柱底板通过地脚螺栓锚固方式连接使得立柱具有较大的抗侧移刚度。不难发现对于立柱构件刚度大、底座连接(锚固、地脚螺栓方式)牢固的栏杆结构受文献[6]修订条文影响小，可满足正常使用功能。

3 栏杆构造设计参数分析

目前相关规范仅对栏杆构件间的横、竖净距构造要求，但对影响栏杆结构使用功能的立柱间距L、立柱与扶手厚度D、栏杆高度H等重要参数并没有具体的构造要求。本节在原栏杆设计参数模型的基础上，进一步探究这3个主要参数变化对栏杆抗侧向承载力的影响规律(工况1荷载影响非常小，可暂不考虑)。

3.1 立柱间距

立柱间距L是指标准一栏栏杆左右侧立柱间的中心距离。从结构力学角度分析，当L值越大，单根立柱分摊的荷载也就越大，越不利于保证结构正常使用。但从经济方面考虑，L值越大越有利于提高安装效率与降低材料成本。为了深入分析L参数变化对结构的侧向承载力影响规律，在原有结构L0为2 200 mm的基础上，分别构造Li为1 600 mm、1 900 mm、2 200 mm、2 500 mm、2 800 mm 5个模型。在工况2、3荷载作用下，不同L值的栏杆模型理论位移值及用钢量(按长度100 m为单位)详见表2。

表2 不同立柱间距参数下截面位移值及用钢量Table 2 Displacement value and steel consumption of section under different column spacing parameters

由表2可知：立柱间距参数L是影响工况2荷载效应的敏感参数之一。总体上，随着Li的增大，扶手跨中截面、立柱柱顶位移量呈逐渐增大变化趋势，而用钢量则逐渐减小。当Li从1 600 mm增大到2 200 mm时，工况2与工况3荷载作用下对应的截面位移值分别增大了27%、28%，用钢量减少了2.2%；而当Li从2 200 mm增大到2 800 mm时，对应荷载工况下的截面的位移量分别增大了280%、29%，用钢量减少了1.7%。

其主要是因为工况2为均布荷载形式，控制截面处的位移量与Li值呈二次方函数关系。因此，当Li大于一定值时，其位移量会急剧增大。建议钢管式栏杆结构的立柱间距值在1 600～2 200 mm范围内较为合理。

3.2 立柱与扶手构件厚度

钢管式桥梁栏杆结构的抗侧移刚度主要由立柱与扶手构件承担。在构件直径不变的情况下，可通过增大立柱与扶手构件壁厚值D从而提高构件抗侧刚度。因此，有必要探讨Di参数变化对结构的水平变形影响规律。分别构造Di为3.0 mm、4.5 mm、6.0 mm、7.5 mm、9.0 mm的5个模型。在工况2和工况3荷载作用下，不同Di值参数下的位移值及用钢量见表3。

表3 不同立柱与扶手厚度参数下截面位移值及用钢量Table 3 Displacement value and steel consumption of section under different thickness parameters of column and handrail

由表3可知：扶手跨中截面与立柱柱顶处的位移值受Di参数变化影响规律基本一致，近似呈两阶段变化规律，而用钢量呈线性变化。当Di从3.0 mm增大到6.0 mm时，扶手跨中、立柱柱顶截面处的位移量分别减小了45.1%、45.6%，用钢量增加了17.3%；而当Di从6.0 mm增大到9.0 mm时，对应截面的位移值减小幅度为27.1%、26.4%，用钢量增加了14.7%。

分析其原因是因为栏杆结构的抗弯刚度与立柱与扶手构件截面惯性矩息息相关。在构件直径不变情况下，随着Di的增大，截面惯性矩呈四次方变化。综合考虑Di值在6.0 mm左右较为合理，偏小值时结构安全性较低，偏大值时经济性较低。

3.3 栏杆高度

栏杆高度是指人行道表面至栏杆扶手顶部的距离，栏杆高度参数也是影响结构承载力的重要参数之一。在栏杆结构满足刚度与稳定性的前提下，Hi越小，Li可做得更大，总体经济效益就更为显著。因此，在保证H满足规范要求的情况下，有必要探讨H变化对结构的性能影响规律。分别构造Hi值为1 100 mm、1 200 mm、1 300 mm、1 400 mm和1 500 mm的5个模型。在不同Hi值下，对应截面的理论位移值及用钢量见表4。

表4 不同栏杆高度参数下截面位移值及用钢量Table 4 Displacement value of section and steel consumption under different railing height parameters

由表4可知：随着Hi的增大，对应工况荷载下的截面位移值和用钢量呈线性增大变化趋势。当Hi<1 400 mm时，工况2和3对应的位移变形率小于1/120；当Hi≥1 400 mm时，工况2的位移变形率大于1/120，不满足规范设计要求。

主要是因为栏杆为悬臂构件，其变形量与立柱底座截面处的弯矩值有关，当外力荷载作用在扶手或立柱顶部位置大小不变时，随着Hi的不断增大，其弯矩值也呈线性增大，因此会出现上述变化现象。综合分析，建议钢管式桥梁栏杆结构适用于栏杆高度在1 100～1 300 mm要求范围。

4 结论

本文应用现场试验与有限元数值分析法相结合，研究了钢管式桥梁栏杆结构的力学性能以及立柱间距H、立柱与扶手构件厚度D、栏杆高度H3个设计参数变化对结构的抗侧向位移影响规律，得到以下几点结论：

(1)传统的钢管式桥梁栏杆结构安全性能良好，满足文献[6]中10.07强制性条文要求，可继续正常使用。

(2)立柱间距参数L是影响扶手跨中截面、立柱柱顶截面变形量的主要参数，当Li大于2 500 mm时，扶手跨中截面水平变形率急剧增大，因此建议Li值在1 600～2 200 mm范围内较为合理。

(3)扶手跨中截面与立柱柱顶的变形率随着立柱与扶手构件厚度Di值的增大而减小，但随着栏杆高度Hi值的增大而增大。建议Di值在6.0 mm、Hi值在1 100～1 300 mm较为合理。