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，鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)為0.00001，而花崗巖的線膨脹系數(shù)平均為0.000007，也就是說(shuō)鋼筋混凝土的線膨脹系數(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。 

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。