深圳天祥质量技术服务有限公司上海奉贤分公司 上海市奉贤区 201405
摘要：栏杆和护栏是至关重要的安全设施，可以减少因意外从高处坠落造成的伤亡。AC 273验收标准由ICC-ES于2008年初制定，旨在满足《国际建筑规范》（IBC）和国际住宅规范（IRC）中未提及的阳台和甲板组件的要求。2017年6月6日，AC 273的修改提案生效。本文结合护栏在北美市场的使用要求，从测试的角度对护栏的安装使用、立杆部分承载（in-fill load）、集中载荷（concentrated load）、均布载荷（uniform load）及扶手与立柱的连接部位等进行简要介绍，为同类产品的生产、测试和使用提供参考。
关键词：栏杆；护栏；立杆部分承载测试；均布载荷测试；集中载荷测试
1.背景
护栏即围栏，是指“防护栏”。护栏主要用于住宅、公路、商业区、公共场所等场合中对人身安全及设备设施的保护与防护。护栏在我们生活中处处可见。金属护栏是指采用合金材料制作的用于不同部位、具备不同功能性的围护栏杆，由于其后期是用静电喷涂处理表面层，使具有高强度、高硬度、外观精美、色泽鲜艳等优点，成为住宅小区、工厂院校、道路交通等使用的主流产品。传统的护栏使用铁条材料，需要借助电焊等工艺技术，而且质地较软、容易生锈、色彩单一。该标准仅限于用于住宅和非住宅建筑内、外匝道、楼梯、阳台或门廊的栏杆和护栏。部件应采用金属或木材制造，允许相互连接，并采用非常规连接方法支撑结构。
本文将着重介绍金属护栏的相关测试。
2.产品介绍
金属护栏通常是由相应的金属材料构件，如立杆（picket），底座（base plate）、立柱（post）、上扶手（top rail）、下横杆（bottom rail）及相关的卡件、螺丝等，进行铆接或者螺丝固定。一般而言，不同的使用场景有着不同的性能要求，其护栏的组成部件和所使用的材料性能参数也是有所区别的，特别是材料的物理化学性能和护栏系统的结构性能，另外护栏也要保证到美观和安装的难易程度，通常在国外尤其是北美市场，家居使用时，人们习惯按照图纸自行安装，因此，护栏产品的安装使用应做到坚固、美观和简便，配备详尽的安装示意图，保证非专业人士也能够自行安装使用。而木结构护栏通常需要更高的安全系数，以保证人员的安全。
3.护栏系统结构承载测试
护栏的结构测试，不同的市场，需求也不尽相同，本文参考AC 273等北美市场的标准要求，主要测试护栏的立杆部分、立柱、扶手和连接部位的力学承载能力。这些测试要按照顺序依次进行，当其中一项测试在过程中失败了，则需要重新安装一套完全相同的护栏系统，再重新测试失败项，如果失败了，基本上后面重新测试的也会失败，根据以往经验，通常最难通过的测试是水平均布载荷测试，对于所有测试而言，根据标准的建议一般是要求至少测试3套完整的样品。
1）立杆部分承载测试（in fill load）
立杆承载测试是针对扶手、横杆和立柱之间的护栏之间部分。
测试要求：在1平方英尺（0.0929m2）的承载面积上，设计载荷为50lbf，该样品为金属围栏，所以乘以2.5的系数，样品中间的立杆部分应该能够承受125lbf（556N）的力，载荷应施加于整个立杆部分最薄弱的部位，因此测试时，在垂直于立杆部分的测试条件下，需要多次试验，以寻找薄弱位置。根据欧美市场客户的使用习惯和要求，在客户认可的前提下，一般选择三个位置用以测试立杆部分的承载能力。
以下为某样品测试照片：
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图.1 立杆部分承载测试（护栏中部）
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图.2 立杆部分承载测试（护栏右上角）
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图.3 立杆部分承载测试（护栏左下角）
通常最薄弱点为中心点和连接点，所以我们这样选择的3个点进行测试，并经过验证。
测试结果的判断，在测试到125lbs时保载1分钟后，卸去载荷，整个护栏系统如果没有出现任何形式的破裂、连接处脱开和组件明显裂纹，则表示该测试通过。
2）均布载荷测试（uniform load test）
均布载荷是指均匀地施加一定的载荷作用在护栏的上扶手（top rail）和整个护栏系统，包括垂直加载和水平加载。
测试要求：垂直或水平载荷为125 lbf/ft（1825N/m），保持1分钟后，样品不能够破坏。当测试垂直或水平载荷达到50 lbf/ft时，记录上扶手在此荷载下跨中挠度的测量应符合挠度限值L/96。测试标准在ASTM E985条款7.1.1中，建议采用四分点加载，即quarter-point loading。根据样品的有效从材料力学和结构力学的角度，四分点加载可计算均布载荷。这种方法测试起来更为直观和简便，目前，国内外的大部分实验室都是采用四分点加载的方法。
均布载荷的两个加载方向，垂直加载于上扶手和水平加载于护栏侧面，如下为某样品实测图：
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图.4 均布载荷垂直加载测试（四分点法）
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图.5 均布载荷水平加载测试（四分点法）
根据ASTM标准要求，客户宣称的扶手（top rail）的有效长度是“L”，当施加的载荷大于或等于125 lbf/ft乘以L时，保载1分钟后卸除载荷，仔细检查样品，整个护栏系统如果没有出现任何形式的破裂、连接处脱开和组件明显裂纹，则表示该测试通过。
当测试垂直或水平载荷达到50 lbf/ft乘以L时，保载1分钟，记录跨中挠度的测量值应小于L/96，则表示该测试通过。
根据多次不同L的样品进行测试，当进行扶手的水平加载时，L越大即有效长度越大，意味着加载的载荷越大，在扶手和立柱的连接处，就会越容易出现扶手端部的破裂或者与立柱连接处脱开，这种结果意味着不能通过测试。
3）集中载荷测试（concentrated load test）
集中载荷，是指反力作用在一个点上的荷载称之为集中荷载。
测试要求：分别施加200lbf（890N）和500lbf（2224N）的载荷，承载面积是100mm×100mm。在200lbf时需要记录护栏测试部位的变形，然后再持续加载到500lbf观察系统是否出现破坏。集中载荷在标准中规定要测试3个位置：上扶手的中部、立柱的最高处和扶手与立柱的连接处。
集中载荷在上扶手：加载部位，标准中推荐是位于两个立柱之间上扶手的中间位置。
扶手的有效长度（两个立柱之间）是L，在200lbf载荷时，扶手中部允许的最大变形是：L/96
由于施加载荷时，两侧的立柱也会产生整体的变形，因此该项测试的变形应该是减去立柱变形后的数值，即有效变形。最终结果=中心变形-（左边立柱变形+右边立柱变形）/2
在记录200lbf时的变形后，卸除读数的百分表，继续加载至500lbf，保载1分钟，然后卸除载荷观察受力部位和整个护栏系统的破坏情况，如果没有出现任何形式的破裂、连接处脱开和组件明显裂纹，且变形符合判定要求，则表示该测试通过。如下实测图：
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图.6 集中载荷作用于上扶手中间部位
集中载荷在立柱测试：任意选择一侧的立柱，作用位置为立柱的最上端。
假设立柱的有效高度是h（有效高度是指从立柱的最高处到立柱的底部或者是底部与下横杆的连接处），在200lbf时，立柱允许的最大变形是h/12。
在记录200lbf时的变形后，卸除读数的百分表，继续加载至500lbf，保载1分钟，然后卸除载荷观察受力部位和整个护栏系统的破坏情况，如果没有出现任何形式的破裂、连接处脱开和组件明显裂纹，且变形符合判定要求，则表示该测试通过。如下实测图：
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图.7 集中载荷作用于立柱的顶部
上扶手和立柱的连接处测试：该测试直接在连接处施加载荷，不测试护栏变形，作用面积仍然是100×100mm。保持均匀加载，在达到500lbf后，保载1分钟后卸除载荷，由于破坏可能出现在扶手的内侧，因此需要将系统拆除后观察。如果没有出现任何形式的破裂、连接处脱开和组件明显裂纹，则表示该测试通过。
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图.8 集中载荷作用于上扶手和立柱的连接处
4.结论
本文主要介绍的是金属护栏的承载测试方法，木结构护栏的测试方法也是一样的，只是测试载荷值不同，为3倍的设计载荷。本文是参考国外特别是北美地区的使用要求和标准，从测试的角度去描述和介绍了护栏的结构测试、要求和判定。
立杆部分承载测试、均布载荷测试和集中载荷测试系统地概括了护栏力学结构测试的内容，对于护栏所涉及到的其他物理性能和化学性能，本文暂不涉及。
实际应用中，护栏并不局限于金属和木结构材质，也有塑木材质、PVC材质，甚至是复合材料等，本文所描述的测试方法也可以作为参考。
中国已成为全球栅栏、护栏的生产基地，世界采购商的采购基地。由于世界经济进一步国际化，跨国公司将不断推动国际护栏市场的发展，国际贸易地区化必成为另一大特点。
参考文献：
[1].ICC-ES™ AC 273（Approved June 2017- Previously approved February 2008，October 2004），Acceptance Criteria for Handrails and Guards
ICC-ES™ AC 273 was developed by the ICC Evaluation Service，Inc.（ICC-ES™）as acceptance criteria to evaluate compliance with the following building codes：
[2].2006，2009，2012，2015 International Building Code®，International Code Council
[3].2006，2009，2012，2015 International Residential Code®，International Code Council
ASTM E985-00（2006）Standard Specification for Permanent Metal Railing Systems and Rails for Buildings（Withdrawn 2015）