為什么橋梁上的石材欄桿會(huì)斷裂？讓我們一起探討一下，小編今天給大家分享一些相關(guān)知識(shí)。

成因

現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中，花崗巖和青石等石材欄桿是被廣泛采用的主要材料。

通常的設(shè)計(jì)方法是在橋面上設(shè)置鋼筋混凝土欄桿下檻作為欄桿基礎(chǔ)，然后在間距1.5~2米左右的位置設(shè)置凹槽用于埋置欄桿立柱，同時(shí)欄桿扶手和欄板采用榫頭連接，連接位置再用環(huán)氧砂漿固定。這是目前橋梁石材欄桿最為常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法。在這種情況下，欄桿下檻、欄桿立柱、扶手和欄板之間均為剛性連接，如果它們之間出現(xiàn)微小的不統(tǒng)一，就會(huì)產(chǎn)生巨大的剪力。

根據(jù)材料特性，鋼筋混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)為0.00001，而花崗巖的線(xiàn)膨脹系數(shù)平均為0.000007，也就是說(shuō)鋼筋混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)是花崗巖的1.43倍。由于橋梁欄桿通常是沿著縱橋向布置的，因此欄桿的主要變形方向是長(zhǎng)度方向。

如果在鋼筋混凝土下檻中嵌入欄桿立柱，并且立柱之間缺乏扶手和欄板，則立柱將處于自由狀態(tài)，并能夠自由隨著鋼筋混凝土下檻的變形而移動(dòng)，因此立柱不會(huì)受到力的作用，也不會(huì)有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

在現(xiàn)實(shí)中，扶手、欄板和立柱是一起固定的，如果立柱移動(dòng)，扶手、欄板也會(huì)跟著移動(dòng)。但是由于材料不同，扶手、欄板的變形量無(wú)法完全與立柱相同，這會(huì)導(dǎo)致兩種情況：一種是扶手、欄板對(duì)立柱產(chǎn)生剪力，從而剪斷立柱；另一種是立柱截面比較大，兩個(gè)立柱會(huì)將中間的扶手、欄板拉斷。

除了依靠力學(xué)理論的分析，我們還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)量計(jì)算來(lái)論證。

以一組欄桿為計(jì)算單位——即兩立柱加中間的扶手、 欄板， 長(zhǎng)度取2米， 公式： 

Δ（ 變形長(zhǎng)度） =L（ 欄桿計(jì)算長(zhǎng)度） *а （ 材料線(xiàn)脹系數(shù)） *ΔT（ 溫度變化）， 欄桿計(jì)算長(zhǎng)度取2米， 鋼筋混凝土材料線(xiàn)脹系數(shù)為0.00001， 溫度變化取25度， 帶入計(jì)算結(jié)果為0.5毫米， 即在普通情況下每組欄桿鋼筋混凝土下 檻的變形會(huì)達(dá)到 0.5毫米。 

雖然0.5毫米數(shù)字感覺(jué)不大， 但是由 于扶手、 欄板與立柱之間是完全固結(jié)的， 即使微小的變形對(duì)結(jié) 構(gòu)的破壞也會(huì)是很大的， 不妨再用另一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算加以論證。 

計(jì)算下當(dāng)一組欄桿變形0.5毫米， 欄板和扶手會(huì)對(duì)立柱產(chǎn) 生多大的剪力。 

公式：

根據(jù)公式：σ = E * Δ * L，其中花崗巖彈性模量為 45000MPa，扶手、欄板計(jì)算長(zhǎng)度為1.8米，計(jì)算結(jié)果得到應(yīng)力為12.5MPa。

如果按照扶手和欄板常規(guī)的尺寸來(lái)?yè)Q算截面應(yīng)力為壓力，那么扶手的承載能力約為30噸，欄板的承載能力約為110噸。

當(dāng)鋼筋混凝土下檻變形0.5毫米時(shí)，可以看出兩個(gè)立柱也有變形0.5毫米的趨勢(shì)，這將導(dǎo)致扶手和欄板的壓縮，產(chǎn)生分別為30和110噸的剪力，這兩個(gè)力都遠(yuǎn)超過(guò)花崗巖材料的抗剪強(qiáng)度，從而導(dǎo)致欄桿立柱必然會(huì)斷裂。

另一種情況是兩個(gè)立柱的變形趨勢(shì)向外，導(dǎo)致扶手和欄板遭受拉力，最終導(dǎo)致它們斷裂。因此，在鋼筋混凝土下檻發(fā)生變形的情況下，傳統(tǒng)橋梁石材欄桿的做法必然會(huì)導(dǎo)致欄桿破壞。那么，如何進(jìn)行調(diào)整以避免這種破壞呢？通過(guò)上述分析和計(jì)算可知，橋上欄桿破壞的主要原因在于鋼筋混凝土和花崗巖兩種材料的線(xiàn)脹系數(shù)差異大，并且欄桿構(gòu)件之間的剛接設(shè)計(jì)缺乏變形緩沖空間。

方案的解決。

一些設(shè)計(jì)單位曾提出一種解決方案，即在花崗巖下檻上增加欄桿，與鋼筋混凝土下檻不使用嵌固連接，而是采用沙漿固定。

由于花崗巖欄桿和下檻材料相同，以上方案的思路是將它們一起進(jìn)行變形，因此不會(huì)出現(xiàn)變形差異，也不會(huì)產(chǎn)生額外的剪力。

然而，這種方案存在一個(gè)重大問(wèn)題，即花崗巖下檻和鋼筋混凝土下檻之間采用砂漿粘合，但由于兩種材料的線(xiàn)脹系數(shù)差異較大，必然會(huì)出現(xiàn)變形差異，導(dǎo)致砂漿失去粘結(jié)作用，花崗巖欄桿和下檻與下部的固定逐漸消失，整個(gè)欄桿僅靠鋼筋混凝土下檻支撐，存在傾翻的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，是否設(shè)置花崗巖下檻并不是解決欄桿斷裂問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

根據(jù)前文所述的分析和計(jì)算結(jié)果，我們可以得出結(jié)論：解決橋梁欄桿斷裂問(wèn)題的關(guān)鍵不在于避免兩種材料線(xiàn)脹系數(shù)不同所引起的變形差異，而在于如何讓欄桿的構(gòu)件能夠適應(yīng)這種變形。為達(dá)到這一目的，我們需要在扶手、欄桿和立柱之間設(shè)置“活接頭”，以允許變形發(fā)生。這樣，立柱與扶手、欄板之間就不再是剛接頭，而是有一定的變形空間，使得立柱既不會(huì)強(qiáng)迫扶手、欄板發(fā)生變形，也不會(huì)因?yàn)榧袅Χ患魯唷?/span>

在欄桿設(shè)計(jì)和施工中，如何實(shí)現(xiàn)“活接頭”這一設(shè)置？

每組欄桿都很容易處理。例如，立柱和混凝土下檻之間的連接仍然采用環(huán)氧砂漿的剛性連接，而欄桿扶手、欄板和立柱之間，則一端采用環(huán)氧砂漿的剛性連接，另一端則設(shè)置為活接頭。

活接頭的具體實(shí)施方案有多種，首先進(jìn)行石材下料，然后進(jìn)行榫頭制作，這時(shí)需要預(yù)留一些空隙。雖然從前面的計(jì)算結(jié)果看，變形只有0.5毫米，但考慮到工程安全系數(shù)以及各種實(shí)際不確定因素，建議在實(shí)際工程中預(yù)留5毫米。

填塞接頭處時(shí)，應(yīng)避免使用固化性材料如環(huán)氧砂漿或混凝土，否則會(huì)造成定死的效果。相反，應(yīng)使用瀝青麻絮填塞或橡膠板等材料，若加工精度足夠高，則可以嘗試干接頭的方式。

結(jié)合平時(shí)工程經(jīng)驗(yàn)并參考前文所述，針對(duì)橋梁石材欄桿的設(shè)計(jì)與施工，提出以下幾點(diǎn)建議：

雙柱必須設(shè)置在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)縫處，例如伸縮縫或簡(jiǎn)支梁橋板接縫處的欄桿。

注意選擇抗壓強(qiáng)度不小于100MPa的石材欄桿材料，因?yàn)榭箟簭?qiáng)度越高，該材料密實(shí)度更大，線(xiàn)脹系數(shù)更小，吸水率更低。同時(shí)，石材材質(zhì)必須均勻，不能出現(xiàn)任何裂隙或裂縫，特別是立柱材料，因?yàn)榱严稌?huì)增加立柱剪斷的風(fēng)險(xiǎn)。

每組欄桿的安裝，其中一端將扶手、欄板和立柱用環(huán)氧砂漿固定，形成剛性接頭；而另一端則采用瀝青麻絮填塞、橡膠板等材料處理，形成活動(dòng)接頭，以便預(yù)留5毫米的變形空間。

今天的主題就到這里，感謝大家的耐心閱讀和觀(guān)看，希望對(duì)您有所啟發(fā)。如果您有任何疑問(wèn)和困惑，請(qǐng)隨時(shí)與我們的工作人員聯(lián)系，我們將全力以赴為您提供服務(wù)，期待未來(lái)的合作。