防護欄桿作為建筑物的重要附屬構件之一， 他雖然不影響主體結構的受力性能， 卻是關系到使用者生命財產(chǎn)安全的關鍵構件。 欄桿破壞時有發(fā)生， 且造成人員的傷亡事故， 因此， 防護欄桿的安全性需引起高度重視。
防護欄桿的設計現(xiàn)狀
1. 防護欄桿包含了 工廠絕大多數(shù)的情況，主要有以下幾類部位: ①主要樓層平面的臨空周邊; ②各檢修鋼平臺的臨空周邊; ③樓梯以及樓梯洞口的周邊; ④地坑、 孔洞等的臨空周邊。
2、現(xiàn)行設計常規(guī)做法工業(yè)建筑， 目 前的設計理念是以安全、 實用為主， 對美觀要求不夠重視。 通常防護欄桿的設計直接選用最新的國標圖集對應的大樣圖。
防護欄桿設計荷載取值的研究
不同規(guī)范的防護欄桿設計荷載取值對比涉及到防護欄桿相關的圖集、 規(guī)范種類繁多， 取值出入也較大。 主要有四類， 按出版時間先后順序歸納如下:
1) 國標圖集 02J401《鋼梯》。 扶手及欄桿頂部水平集中活荷載標準值取 1. 0 kN/m 。
2) 國標規(guī)范 GB4053. 3 - 2009《固定式鋼梯及平臺安全要求》。 斜鋼梯扶手應能承受在除了向上的任何方向施加的不小于 890 N 的集中載荷， 在相鄰立柱間的最大撓曲變形應不大于跨度的 1 /250。 中間欄桿應能承受在中點圓周上施加的不小于 700 N 水平集中載荷， 最大撓曲變形不大于 75mm。 端部或末端立柱應能承受在立柱頂部施加的任何方向上 890 N 的集中載荷。 以上載荷不進行疊加。防護欄桿安裝后頂部欄桿應能承受水平方向和垂直向下方向不小于 890 N 集中載荷和不小于 700 N/m 均布載荷。在相鄰立柱間的最大撓曲變形應不大于跨度的 1 /250。 水平和垂直載荷以及集中和均布載荷均不疊加。 中間欄桿和端部或末端立柱荷載規(guī)定與斜鋼梯對應的一致。
3) 國標規(guī)范 GB50577 - 2010《水泥工廠職業(yè)安全衛(wèi)生設計規(guī)范》。 護欄應有足夠的剛度和強度: 該規(guī)范未提出明確的設計荷載值， 但對使用安全提出來要求。
4) 國標規(guī)范 GB50009 - 2012《建筑結構荷載規(guī)范》。 樓梯、 看臺、 陽臺和上人屋面等的欄桿活荷載標準值不應小于下列規(guī)定: ①住宅、 宿舍、 辦公樓、 旅館、 醫(yī)院、 托兒所、 幼兒園， 欄桿頂部的水平荷載應取 1. 0kN/m。 ②學校、食堂、 劇場、 電影院、 車站、 禮堂、 展覽館或體育場， 欄桿頂部的水平荷載應取 1. 0 kN/m， 豎向荷載應取 1. 2kN/m， 水平荷載與豎向荷載應分別考慮。
防護欄桿的設計優(yōu)化討論
1、防護欄桿設計選型介紹
常規(guī)設計時一般欄桿選用國標圖集 02( 03) J401《鋼梯》中的 LG2 - 12。 鋼梯欄桿根據(jù)不同的坡度和梯寬有對應的梯型， 欄桿與梯型對應。 防護欄桿主要構件為四類:①扶手 ( 或稱頂部欄桿) ; ②中間欄桿; ③立柱; ④踢腳板。
1) LG2 - 12 對應的構件信息: ①扶手: 鋼管 Φ60 ×3. 0; ②中間欄桿: 扁鋼 - 30 × 4 兩道; ③立柱: 鋼管 Φ60× 3. 5; ④踢腳板: 扁鋼 - 100 × 3 一道。
2) 鋼梯欄桿對應的構件信息。
( 1) 梯坡度≤45°時， 與欄桿 LG2 - 12 風格最接近的是[3]第 72 頁的大樣⑥。 構件信息: ①扶手: 鋼管 Φ60 ×3. 0; ② 中 間 欄 桿: 三 道 鋼 筋 Φ20; ③ 立 柱: 鋼 管Φ50X2. 5; ④踢腳板: 無。
( 2) 梯坡度 ＞ 45 度時， 此種情況僅在特殊區(qū)域使用。構件信息: ①扶手: 鋼管 Φ50 × 2. 5; ②中間欄桿: 三無;③立柱: 鋼管 Φ33. 5 × 3. 25; ④踢腳板: 無。
按構件分類設計優(yōu)化嘗試
1) 外觀優(yōu)化。 同一建筑物、 同一廠區(qū)內(nèi)的所有的防護欄桿樣式統(tǒng)一， 可以給人帶來美感。 因此對于防護欄桿的樣式有必要調(diào)整一致。 以 LG2 - 12 作為原型， 進行調(diào)整優(yōu)化: ①扶手采用圓鋼管; ②中間欄桿采用扁鋼 - 30 × 4 兩道; ③立柱采用圓鋼管; ④踢腳板( 需要設置處) 采用扁鋼- 100 ×3 一道。
2) 構件優(yōu)化。 構件截面存在差別的主要集中在防護欄桿的扶手和立柱， 對比見下表 1。
考慮行人上下鋼梯的方便、 舒適，GB50295 - 2008規(guī)定鋼梯角度不宜大于 45°[2 ]， 因此坡度 ＞45°的鋼梯使用較少。 大多數(shù)防護欄桿扶手的直徑均為 60mm， 該直徑的扶手握裹不方便， 手持該直徑的扶手不能較牢地抓住; 同時， 相關規(guī)范也有要求: 扶手宜采用鋼管， 外徑應不小于 30 mm， 不大于 50 mm。 根據(jù)市場常用、易購的鋼管信息， 建立直徑在 30 ~ 50 mm 范圍內(nèi)的截面庫，同表附上已選用的截面作為對比， 如表 2。
由于所有規(guī)范、 圖集都約定立柱的間距不大于 1 m， 因此我們?nèi)?1 m 作為計算單元。 分別選用截面庫內(nèi)的鋼管型號進行設計驗算: ①扶手考慮到邊跨因素， 簡化按跨度為1. 0 m 的簡支梁在跨中集中荷載 0. 89 kN 和均布荷載 1. 0kN/m 作用下計算; ②立柱考慮按懸臂構件高度 1. 2 m， 頂部受 1. 0 kN 的集中荷載作用下計算。 對應撓度控制限制，扶手按跨度的 1 /250， 即不大于 4 mm; 立柱按其高度的 1 /100[9]， 即不大于 12 mm。計算結果統(tǒng)計見表 3。
本次設計優(yōu)化未能取得預設目 標， 鋼管直徑在 30 ~50 mm范圍內(nèi)均不能滿足立柱的強度和剛度要求。 如果選用鋼管 Φ48 × 3. 0 或 Φ50 × 2. 5 作為立柱， 經(jīng)過試算， 立柱間距要調(diào)整到 500 mm 左右方可滿足要求， 這樣在用鋼量上也不經(jīng)濟。
設計優(yōu)化嘗試后的再討論
由表 3 的試算結果可以看到， 防護欄桿的安全重點在立柱， 它起著決定性的作用。 國標圖集[4 ]選用的立柱構件滿足相關規(guī)范強度和剛度要求， 其撓度計算值也接近欄桿高度的 1 /100， 并無優(yōu)化空間。扶手倒是可以調(diào)整到較小的截面， 但是從施工完成后的效果考慮， 最好扶手的直徑 ＞ 立柱的直徑， 這樣扶手可以完全蓋住立柱頂口， 不但美觀而且可以阻止雨水進入立柱、 防止銹蝕。 國標圖集選用的扶手截面與該原則一致。因此， 在施工過程中任意改變構件大小可能會留下安全隱患。
通過設計優(yōu)化的嘗試， 明確了防護欄桿風格的統(tǒng)一和立柱截面的安全底線， 沒有能夠達到預期的優(yōu)化目 標。 通過分析， 我們也發(fā)現(xiàn)了問題， 例如扶手直徑較大 Φ60 mm不方便握持、 與相關規(guī)范沖突等， 為進一步研究提供了思路。 為此提出設想， 如果立柱為變截面構件， 即柱腳大、柱頂小， 就可以解決上述的難題， 而且符合懸臂構件的受力特點。 這樣的構件常規(guī)加工、 制作存在很大的難度， 防護欄桿成品化可以兼顧美觀和經(jīng)濟， 還可以批量化生產(chǎn)。
