今天小編來(lái)跟大家聊一下，為什么橋梁的石材欄桿會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)斷裂問(wèn)題。一起來(lái)看看吧。

現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中，石材欄桿被廣泛采用，其主要材料包括花崗巖和青石等。

一般來(lái)說(shuō)，橋梁石材欄桿的設(shè)計(jì)方法是在橋面上設(shè)有鋼筋混凝土下檻作為欄桿基礎(chǔ)，然后在間距1.5~2米左右處設(shè)置凹槽并將欄桿立柱埋置其中。欄桿扶手和欄板則通過(guò)榫頭連接到欄桿立柱上，并使用環(huán)氧砂漿固定。這種設(shè)計(jì)方法是目前最為常用的。在這種情況下，欄桿下檻、欄桿立柱、扶手和欄板之間都是剛性連接的。如果它們之間出現(xiàn)微小不統(tǒng)一的變形，就可能會(huì)引起巨大的剪力。

根據(jù)材料特性，花崗巖的線脹系數(shù)平均為0.000007，而鋼筋混凝土的線脹系數(shù)為0.00001，即鋼筋混凝土的線脹系數(shù)是花崗巖的1.43倍。由于橋梁欄桿通常沿縱橋向布置，因此欄桿的主要變形發(fā)生在長(zhǎng)度方向。

如果在欄桿立柱之間沒(méi)有設(shè)置扶手和欄板，那么立柱將被嵌入鋼筋混凝土下檻中，可以自由地隨著混凝土下檻的變形而移動(dòng)，處于自由狀態(tài)，無(wú)受力，因此也不會(huì)損壞。

在實(shí)際情況中，扶手、欄板和立柱是固結(jié)在一起的，當(dāng)立柱發(fā)生位移時(shí)，扶手、欄板也隨之發(fā)生位移。由于材料的不同，扶手、欄板無(wú)法完全達(dá)到相同的變形量。因此，可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一種是扶手、欄板對(duì)立柱產(chǎn)生剪力，從而將立柱剪斷；另一種是立柱截面比較強(qiáng)大，兩個(gè)立柱將中間的扶手、欄板拉斷。

除了通過(guò)力學(xué)理論分析，我們還可以使用簡(jiǎn)單的定量計(jì)算來(lái)證明。

計(jì)算單位為一組欄桿，包括兩根立柱和中間的扶手、欄板，長(zhǎng)度為2米，公式如下：

Δ（ 變形長(zhǎng)度） =L（ 欄桿計(jì)算長(zhǎng)度） *а （ 材料線脹系數(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。 

盡管0.5毫米的數(shù)字看起來(lái)微不足道，但是扶手、欄板和立柱之間的完全固結(jié)意味著即使微小的變形也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成重大破壞，因此可以用另一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)證明。

當(dāng)一組欄桿變形0.5毫米時(shí)，欄板和扶手會(huì)向立柱施加多大的剪力？

公式： 

σ（ 應(yīng)力） =E（ 花崗巖彈性模量） *Δ（ 變形長(zhǎng)度） *L（ 扶手、 欄板計(jì)算長(zhǎng)度），花崗巖彈性模量取45000MPa， 扶手、 欄板計(jì)算長(zhǎng)度取1.8米，計(jì)算結(jié)果應(yīng)力 為 12.5MPa。 

根據(jù)扶手和欄板的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，將橫截面的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓力，扶手應(yīng)該承受約30噸的壓力，欄板應(yīng)該承受約110噸的壓力。

當(dāng)鋼筋混凝土下檻變形0.5毫米時(shí)，可以看出立柱也呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，同時(shí)扶手和欄板也被壓縮，這會(huì)導(dǎo)致扶手和欄板分別對(duì)立柱產(chǎn)生30和110噸的剪力，這兩個(gè)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)花崗巖的抗剪強(qiáng)度，因此欄桿立柱必將斷裂。

另一種情況是兩個(gè)立柱的變形趨勢(shì)是朝外的，導(dǎo)致扶手和欄板產(chǎn)生拉力，進(jìn)而被拉斷。因此，傳統(tǒng)橋梁石材欄桿的做法在橋梁鋼筋混凝土下檻變形的情況下，欄桿被破壞是必然的。如何避免這種破壞呢？根據(jù)上述分析和計(jì)算，橋上欄桿破壞主要有兩個(gè)原因：一是鋼筋混凝土和花崗巖這兩種材料的線脹系數(shù)存在巨大差異，二是欄桿構(gòu)件之間采用剛接方式，沒(méi)有任何緩沖變形的余地。

解決方案 

有一些設(shè)計(jì)單位提出了一個(gè)解決方案，即在花崗巖下檻上增加欄桿，并且在花崗巖下檻和鋼筋混凝土下檻之間采用沙漿固定而非嵌固連接的方式。

花崗巖欄桿和下檻的變形是以相同的方式進(jìn)行的，因此不會(huì)有材料差異導(dǎo)致的變形差異，也不會(huì)產(chǎn)生額外的剪力。

然而，這種處理方法存在一個(gè)巨大的問(wèn)題。花崗巖下檻和鋼筋混凝土下檻之間采用砂漿固定，但由于兩種材料的線脹系數(shù)相差較大，會(huì)出現(xiàn)變形差異。這導(dǎo)致砂漿的黏結(jié)作用逐漸喪失，花崗巖欄桿和下檻與下部的固定效果逐漸消失，最終欄桿整體只能靠放置在鋼筋混凝土下檻上進(jìn)行支撐，存在傾翻的風(fēng)險(xiǎn)。

解決欄桿斷裂問(wèn)題并不取決于是否設(shè)置花崗巖下檻。

根據(jù)前文的分析和計(jì)算，得出解決橋梁欄桿斷裂問(wèn)題的關(guān)鍵并非避免兩種材料的線脹系數(shù)差異造成的變形差異，而是應(yīng)著眼于如何使欄桿的各構(gòu)件能夠適應(yīng)這種變形。因此，建議在扶手、欄桿和立柱之間設(shè)置“活接頭”，以便允許變形。通過(guò)不再將立柱與扶手、欄板剛性連接，而是為它們提供變形的空間，可以避免立柱強(qiáng)迫扶手、欄板變形，同時(shí)也能夠防止立柱因剪力而被剪斷。

在欄桿的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，如何實(shí)際操作以實(shí)現(xiàn)所謂的“活接頭”設(shè)置？

實(shí)際上很容易。以每組欄桿為例，立柱與鋼筋混凝土下檻之間的連接仍然采用環(huán)氧砂漿的剛性連接，欄桿扶手、欄板和立柱之間的一端也采用環(huán)氧砂漿剛性連接，而另一端則設(shè)置了活動(dòng)接頭。

活接頭的具體做法有很多種。在進(jìn)行石材下料和榫頭制作時(shí)，需要留出一定的空隙。雖然根據(jù)之前的計(jì)算，這種變形只會(huì)導(dǎo)致0.5毫米的誤差，但是考慮到工程的安全系數(shù)和各種實(shí)際不確定因素，建議在實(shí)際工程中留出5毫米的空隙。

接頭處不應(yīng)使用環(huán)氧砂漿或混凝土等固化材料進(jìn)行填塞，否則會(huì)固定死，而應(yīng)該選擇瀝青麻絮填塞或橡膠板等材料。如果加工精度達(dá)到要求，也可以使用干接頭。

考慮前述內(nèi)容以及平時(shí)的工程經(jīng)驗(yàn)，我們提出以下幾項(xiàng)建議，以便更好地設(shè)計(jì)和施工橋梁的石材欄桿。

必須在橋梁結(jié)構(gòu)的縫合處，比如伸縮縫或簡(jiǎn)支梁橋板接縫處，安裝雙柱欄桿。

注意選用抗壓強(qiáng)度不低于100MPa的石材制作欄桿，因?yàn)閺?qiáng)度越高，密實(shí)度和容重越大，線脹系數(shù)和吸水率也越小。此外，選用均勻無(wú)裂隙的石材材質(zhì)，特別是對(duì)于立柱材料，裂隙會(huì)增加立柱被剪斷的風(fēng)險(xiǎn)。

每組欄桿的安裝方式為：在扶手、欄板和立柱之間的一端采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行固定，形成剛性接口，而另一端則采用瀝青麻絮填塞、橡膠板等方式進(jìn)行處理，形成可活動(dòng)接口，并預(yù)留5毫米的變形空間。

以上是橋梁石材欄桿斷裂原因及解決方案，如有疑問(wèn)請(qǐng)聯(lián)系我們的工作人員。作為專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)瀝青麻絲、瀝青麻絮、瀝青麻繩、瀝青麻筋、瀝青木絲板、瀝青木板的優(yōu)質(zhì)廠家，山東茂隆新材料科技有限公司一直以客戶需求為主，并提供施工指導(dǎo)。期待未來(lái)的合作。