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第23卷第3期中国安全科学学报Vo1．23No．32013年3月ChinaSafetyScienceJournalMar．2013基于人体安全的栏杆设计荷载试验研究黄丽蒂’副教授刘德明教授郝进锋教授张天宇讲师(1哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江哈尔滨1500012东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆163318)学科分类与代码：6202599(安全人体学其他学科)中图分类号：X910；TU245．6文献标志码：A基金项目：国家自然科学基金资助($1178087)。【摘要】为了降低体育场内人群拥挤事故的发生概率，充分发挥栏杆的防护作用，基于人体安全，提出防护栏杆设计荷载值。根据人群及个体对压力的承受能力进行试验，用来确定将人推到防护栏杆时引起的不舒服感觉的荷载值；比较不同几何形状的栏杆作用在人身体不同部位时对荷载值的影响；将理论模型得到的计算荷载及足球比赛现场测得的荷载值，与试验结果进行对比分析，三者的相符程度较好，证明了试验的有效性。试验结果表明，人体能够承受的安全设计荷载值范围为0．75—1kN／m，目前我国的规范满足这一要求，但还需进一步规范和细化不同位置栏杆的具体设计原则等问题。【关键词】人群拥挤事故；体育场；栏杆系统；安全设计荷载；事故预防ExperimentalResearchonBarriersDesignLoadBasedonBodySafetyHUANGLi．di，LIUDe．mingHAOJin．fengZHANGTian-yu(1SchoolofArchitecture，HarbinInstituteofTechnology，HarbinHeilongjiang150001，China2CollegeofCivilandArchitectureEngineering，NortheastPetroleumUniversity，DaqingHeilongjiang163318，China)Abstract：Basedonbodysafety，barriersdesignloadwasputforwardtominimizetheriskofcrowddisasterandgivefullplaytotheroleofprotectivebarriersinastadium．Anexperimentwasmadetodeter-minetheloadswhichbegintocausepeopleuncomfortabletobepushedtoacrushbarrier．Theinfluenceontheloadofpopulargeometricformofthebarrierrails，whichbepusheddifferentpositionofbodywasalsoanalyzed．Comparisonoftheoreticalloads，footballfieldmeasuredloads，andexperimentloads，showedthatthisstudywaseffective．Theresultsshowthattherangeofsafetyloadis0．75—1kN／m，whichiscoveredbythecodeofChina．However，designprinciplesofcrushbarriersshouldbestandard-izedandrefined．Keywords：crowdaccident；stadiums；barriers；safetydesignload；accidentprevention压力的作用。但在紧急情况下，由于防护栏杆的设0引言计不当或人群密度过高，也可能使其成为促使事故体育场看台周围通常设置有防护栏杆，一方面升级的因素，进而造成重大人员伤亡事故。例如：能起到方便人们倚靠、防止人们跌倒等防护作用，另1989年英格兰谢菲尔德希尔斯堡体育场的足球惨一方面也起到将看台分区、减小人群密度、缓解人群，便是人群拥挤踩踏导致栏杆坍塌造成的，结十文章编号：1003—3033(2013)03—0022—05；收稿日期：2013—01—14；修稿日期：2013—02—27 第3期黄丽蒂等：基于人体安全的栏杆设计荷载试验研究·23·果死96人，伤400多人-4]；2004年元宵节，在我国试验简图如图1所示。北京密云县彩虹桥发生的一起重大人群拥挤踩踏事故，桥体东部的护栏因挤压扭曲甚至破裂，导致37人死亡，15人重伤J。通过对这类事故的分析可知，体育场的防护栏杆除了要保证有足够的承载力和刚度，还必须要考虑人群及个体对压力的承受能力。国外已有一些学者试验研究人体可承受的压力值]。Smith等用一个装有枢轴的钢梁，带动不同尺寸的栏杆，由液压千斤顶施加压力，将栏杆压向受试者。Surrey大学的试验方法是栏杆保持不动，在受试者的后背固定一个带有绳索的框架，通过拉动绳索来将受试者推向栏杆，测得压力值一。目前，国内尚无这方面的试验研究。①矩形钢框架；②受试者；⑨钢板；④带手动摇柄的丝扣；⑤传感器；⑥应变仪；⑦带托脚的水平钢梁；⑧栏杆构件国际上体育场馆的栏杆设计多参照英国的图1试验简图《体育场安全设计规范》(即《绿色指南》)J。Fig．1Experimentaldiagram栏杆形式和间距的设计必须要保证人群的安全，避免人群中的个体受到超负荷的外力，同时1．2试验构件的选择避免人们有不适感甚至受伤，而人群压力与护栏间距、人群密度、阶梯看台的踏步高宽和坡度试验选择了5种不同几何尺寸的栏杆构件，或斜率及人群的活动状态等有关。我国的《建即4个圆形栏杆和1个钢板形护栏，见表2。通筑结构荷载规范》¨、《民用建筑设计通过现场调研，选用了大多数体育场馆普遍使用的则》¨¨、《体育建筑设计规范》_1等规范在这方直径为60mm与75mm的圆形栏杆及平板形栏面的规定相对简单，缺少对栏杆系统安全设计杆(150mm×5mm)；选用直径为51mm的圆形的重视，故我国应完善相关规范。栏杆构件，是考虑到其突出的可抓性能，它能有效减少行人在楼梯上跌倒的风险¨，同时为了由于人体对压力的承受度与人的年龄、性别、体型、体质等有关，也与力作用于人体的不同部位及施便于对比分析，选用了直径为110mm的圆形力物体的形状、力的作用时间等因素有重要关系。栏杆。笔者以中国人为受试者，选取不同体型特征的人进1．3受试者情况行试验，以获得中国人的压力忍耐程度。与国外试参加这次试验的志愿者主要是在校学生和验相比，这项试验选取的栏杆构件类型全面、受试对教职员工。首先对他们的身体状况进行调查，象更具有普遍性和代表性，同时为了避免人的心理根据其年龄、健康状况、身高、体重、肩宽和胸厚因素影响，反复进行了大量试验，排除了偶然性和特等情况进行对比，最后选取42位身体健康且身殊性对试验结果的影响。体体征有一定差别的人进行试验。将受试者按年龄分为2组，年龄在20～3O岁之间22人(其1试验简介中女性8人)，31～40岁之间20人(其中女性1．1试验台的建设7名)。基本资料见表1。每位受试者均进行了5个构件的试验，试压身体的3个部位：胸部、该试验在东北石油大学防灾减灾实验室内进胸部以下和腹部，每轮试验对这3个身体部位行。试验时将一个1．4m×0．6m的矩形钢框架固各试压3次。为了排除外界和心理因素的影定，受试者站在框架一侧，后背靠在平坦的钢板上，响，在不同时间段共进行了3轮试验。试验表钢板上铺一层25mm厚的橡胶垫，用来分散荷载。明，第1轮所测数据偏低于后2轮，这是由受试通过一个带手动摇柄的丝扣施加水平荷载，其末端者在初次进行试验时的紧张心理造成的。固定传感器。传感器的另一端固定在一个带有托脚的水平钢梁上，这一钢梁是用来固定栏杆构件的。 中国安全科学学报第23卷·24·ChinaSafetyScienceJournal2013钜表1受试者体征样本调查表Table1Surveyofphysicalsignsofsubjects姓名年龄，岁健康状况性别人数／人平均身高／cm平均体质量／kg第1组20男1417565．9—30良好女8161．744．5第2组31男1317374．5～40良好女7159．653．31．4试验过程置，粗略的平均结果表明，人们对直径为l10mm的钢管和150mm宽的钢板的承受力，超过了直径为首先用静态应变仪标定传感器(0．5t)，采用全51mm的钢管的25％。平板型栏杆作用在身体胸部桥连接方式。应变仪平衡后每次用2．55kg的砝码比作用在胸部下侧时人们的抵抗荷载值高，有可能加压并记录应变值，得到图2所示曲线。试验开始是因为在较低的位置时，钢板较锐利的边缘压迫到时，在水平钢梁上固定好待测试栏杆构件，将应变仪人体的肋骨导致人们的承压能力下降，而其他构件归零，手动操作丝扣，使其带动传感器及栏杆构件，对于作用在人体不同部位的抵抗能力差别不明显。沿着滑道水平缓缓地压向受试者，直到受试者感觉虽然参加试验的15位女性的试验结果低于平均值，不舒服时记录此时对应的稳定应变值，并测量身体但并不是试验者中最低的。上作用力的长度，用来计算分布荷载。从对受试者2的安全角度考虑，受试者不需要通过回推或深呼吸1来抵抗压力。试验确定的是一个较低的舒适水平荷载值，受试者可以忍受30S或没有明显不舒服的1感觉。2试验结果与分析压力／kN将试验结果平均后，得出表2的15个数据。对于圆形截面的栏杆构件而言，钢管直径越小，人体平图2应变值和压力的关系Relationshipbetweenthestressandstrain均能承受的舒适荷载值越小。不考虑栏杆的作用位ng·2表2构件几何尺寸及相应试验结果Table2Sizesofspecimensandthecorrespondingexperimentalresults编号构件几何尺寸试验号应变值对应压力单位长度承受单位长度承受荷载的／kN受力长度／m荷载／(kN作用部位·m)平均值／(kN·m)钢管直径为153．90．1220．180．68胸部151253．10．1210．170．71胸部下侧0．683mm350．80．1160．1750．66腹部钢管直径为456．60．1280．1760．73胸部260562．60．1420．180．79胸部下侧0．757mm656．10．1280．170．75腹部钢管直径为764．40．1460．190．77胸部375875．70．1720．20．86胸部下侧0．81mm968．70．1560．1950．80腹部钢管直径为1086．20．1960．220．89胸部4l101174．80．170．20．85胸部下侧0．85mm1271．30．1620．2O．81腹部15013900．2050．220．93胸部rain×551474．80．170．210．81胸部下侧0．85mm钢板1575．80．1720．20．86腹部 第3期黄丽蒂等：基于人体安全的栏杆设计荷载试验研究·25·台上，所有人都倾斜成同一角度将力施加给栏杆，采3与国外相关研究的匕较分析用数学公式计算得出栏杆单位长度上的倾斜力，从将这次试验的结果与Smith等人所做试验和下式可以看出，紧邻栏杆的人受到的压力最大。Surrey大学的试验进行比较(表3)，从定量的结【(+)一t】(1)果来看，Smith等人测得的平均压力值是0．18kN，而Surrey大学测得的平均压力值是式中：G为个人的平均体质量，kg；凡为台阶的级数；0．418kN，最小值是0．116kN，最大值是0．774kN，日为人体质心高度，m；H为推力高度，m；为人群数据较分散；而这次试验所测得的平均结果比文的倾斜角度；h为台阶高度，m；W为台阶宽度，m；献[7]的2个试验低，但数据较集中；试验中，年龄Ⅳ为人群密度，人／m。图3是人群密度取较大的第2组比第1组的平均值高12％，说明此值4．7人／m(《绿色指南》规定的最大人群密度值)一方面跟身体的胖瘦程度有关，另一方面也和受试时，变化人群倾斜角度的计算结果(G=69．39kg；者的心理因素有关系，即此值测得的是一个主观的h=0．085m；=0．385m)。对于阶梯看台，最大的不舒适荷载值。其他2个试验定义的是在几秒钟后栏杆间距是4m左右，因此，当人群倾斜角度约为5。受试者已经觉得不能容忍的荷载值。从安全角度考时已经略超过了试验所得的容忍荷载(0．75—虑，试验以受试者有不适感为测定标准，没有达到1．0kN／m)。随着角度的增大，压力也在逐渐增大，“不能容忍”，故试验测得结果稍低也是合理的。从10。是人群能保持稳定的最大值。当人群倾斜角度受力长度来看，试验的平均受力长度低于上述2个大于lO。时，人群所受的压力已经远远超过了这个一翻．N＼挺g容忍荷载。这一结论和Coutie等¨的试验5结果4相321试验，得出的单位长度的护栏荷载均值为符，他们采用应变仪对诺丁汉森林队足球场中的防0．79kN／m。这一数值在确定人群可能合理地承受多大荷载这一问题上是非常有价值的。挤护栏进行了监测，测得护栏最顶端处产生的最大表3试验结果比较荷载值1．8kN／m，而且这个力只在很短的瞬间(甚Table3ExperimentalresultskN至小于1s)产生J。从图3可以看出，如果人群的试验项目平均值最小值最大值倾斜角度只是在瞬间超过了5。，栏杆施加给人群的Surrey大学0．4180．1l60．774荷载还是可以容忍的。笔者认为在比赛现场中，观Smith等0．180．1750．247众的过激行为导致栏杆受到较高的荷载，而且峰值笔者进行的试验0．1540．1070．211荷载一般是由于观众企图获得最佳的观赏角度而产生的。该试验没有考虑到力的作用时间。国外已经有不少学者对在公共场所中不同压力对人的影响进行了试验。Smith等的试验认为使人体产生不适感的荷载值大概在0．75—1．0kN／m之间。Hopkins等对纽约新年晚会在Trafalgar广场和某一流行音乐会的人群平均压力进行了测量。结果表明，当人体压力达到6．227kN(11．68kN／m，身体宽度取0．533m)时，15—30S就会发生死亡；当压力达到1．112kN时，十几分钟就会死亡(2．1kN／m，身体宽度取0．533m)。4试验结果与人群倾斜模型的比较1989年4月15日，发生在英格兰希尔斯堡体育场的人群灾难，是英国体育史上的最大惨案，从而引发了人们对栏杆安全设计的关注。Smith首次提出了一个倾斜人群模型⋯来定量得出人群对护栏施加力的大小，为此类问题提供了理论依据。该模型认为人群处于兴奋状态下，在一个典型阶梯型看