為什么橋梁上的石材欄桿會斷裂？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。

成因

現(xiàn)代橋梁設計中，花崗巖和青石等石材欄桿是被廣泛采用的主要材料。

通常的設計方法是在橋面上設置鋼筋混凝土欄桿下檻作為欄桿基礎，然后在間距1.5~2米左右的位置設置凹槽用于埋置欄桿立柱，同時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的設計方法。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，因此立柱不會受到力的作用，也不會有損壞的風險。

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

除了依靠力學理論的分析，我們還可以通過簡單的數(shù)量計算來論證。

以一組欄桿為計算單位——即兩立柱加中間的扶手、 欄板， 長度取2米， 公式： 

Δ（ 變形長度） =L（ 欄桿計算長度） *а （ 材料線脹系數(shù)） *ΔT（ 溫度變化）， 欄桿計算長度取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 檻的變形會達到 0.5毫米。 

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

計算下當一組欄桿變形0.5毫米， 欄板和扶手會對立柱產(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、欄板計算長度為1.8米，計算結(jié)果得到應力為12.5MPa。

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

當鋼筋混凝土下檻變形0.5毫米時，可以看出兩個立柱也有變形0.5毫米的趨勢，這將導致扶手和欄板的壓縮，產(chǎn)生分別為30和110噸的剪力，這兩個力都遠超過花崗巖材料的抗剪強度，從而導致欄桿立柱必然會斷裂。

另一種情況是兩個立柱的變形趨勢向外，導致扶手和欄板遭受拉力，最終導致它們斷裂。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導致欄桿破壞。那么，如何進行調(diào)整以避免這種破壞呢？通過上述分析和計算可知，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)件之間的剛接設計缺乏變形緩沖空間。

方案的解決。

一些設計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行變形，因此不會出現(xiàn)變形差異，也不會產(chǎn)生額外的剪力。

然而，這種方案存在一個重大問題，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，必然會出現(xiàn)變形差異，導致砂漿失去粘結(jié)作用，花崗巖欄桿和下檻與下部的固定逐漸消失，整個欄桿僅靠鋼筋混凝土下檻支撐，存在傾翻的風險。

因此，是否設置花崗巖下檻并不是解決欄桿斷裂問題的關(guān)鍵所在。

根據(jù)前文所述的分析和計算結(jié)果，我們可以得出結(jié)論：解決橋梁欄桿斷裂問題的關(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)件能夠適應這種變形。為達到這一目的，我們需要在扶手、欄桿和立柱之間設置“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，使得立柱既不會強迫扶手、欄板發(fā)生變形，也不會因為剪力而被剪斷。

在欄桿設計和施工中，如何實現(xiàn)“活接頭”這一設置？

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，另一端則設置為活接頭。

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

填塞接頭處時，應避免使用固化性材料如環(huán)氧砂漿或混凝土，否則會造成定死的效果。相反，應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)合平時工程經(jīng)驗并參考前文所述，針對橋梁石材欄桿的設計與施工，提出以下幾點建議：

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

注意選擇抗壓強度不小于100MPa的石材欄桿材料，因為抗壓強度越高，該材料密實度更大，線脹系數(shù)更小，吸水率更低。同時，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，因為裂隙會增加立柱剪斷的風險。

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，形成活動接頭，以便預留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，希望對您有所啟發(fā)。如果您有任何疑問和困惑，請隨時與我們的工作人員聯(lián)系，我們將全力以赴為您提供服務，期待未來的合作。