一文看懂桥梁石材栏杆断裂问题

今天小编来跟大家聊一下，为什么桥梁的石材栏杆会经常出现断裂问题。一起来看看吧。

现代桥梁设计中，石材栏杆被广泛采用，其主要材料包括花岗岩和青石等。

一般来说，桥梁石材栏杆的设计方法是在桥面上设有钢筋混凝土下槛作为栏杆基础，然后在间距1.5~2米左右处设置凹槽并将栏杆立柱埋置其中。栏杆扶手和栏板则通过榫头连接到栏杆立柱上，并使用环氧砂浆固定。这种设计方法是目前最为常用的。在这种情况下，栏杆下槛、栏杆立柱、扶手和栏板之间都是刚性连接的。如果它们之间出现微小不统一的变形，就可能会引起巨大的剪力。

根据材料特性，花岗岩的线胀系数平均为0.000007，而钢筋混凝土的线胀系数为0.00001，即钢筋混凝土的线胀系数是花岗岩的1.43倍。由于桥梁栏杆通常沿纵桥向布置，因此栏杆的主要变形发生在长度方向。

如果在栏杆立柱之间没有设置扶手和栏板，那么立柱将被嵌入钢筋混凝土下槛中，可以自由地随着混凝土下槛的变形而移动，处于自由状态，无受力，因此也不会损坏。

在实际情况中，扶手、栏板和立柱是固结在一起的，当立柱发生位移时，扶手、栏板也随之发生位移。由于材料的不同，扶手、栏板无法完全达到相同的变形量。因此，可能会出现两种情况：一种是扶手、栏板对立柱产生剪力，从而将立柱剪断；另一种是立柱截面比较强大，两个立柱将中间的扶手、栏板拉断。

除了通过力学理论分析，我们还可以使用简单的定量计算来证明。

计算单位为一组栏杆，包括两根立柱和中间的扶手、栏板，长度为2米，公式如下：

Δ（ 变形长度） =L（ 栏杆计算长度） *а （ 材料线胀系数） *ΔT（ 温度变化）， 栏杆计算长度取2米， 钢筋混凝土材料线胀系数为0.00001， 温度变化取25度， 带入计算结果为0.5毫米， 即在普通情况下每组栏杆钢筋混凝土下 槛的变形会达到 0.5毫米。 

尽管0.5毫米的数字看起来微不足道，但是扶手、栏板和立柱之间的完全固结意味着即使微小的变形也会对结构造成重大破坏，因此可以用另一个简单的计算来证明。

当一组栏杆变形0.5毫米时，栏板和扶手会向立柱施加多大的剪力？

公式： 

σ（ 应力） =E（ 花岗岩弹性模量） *Δ（ 变形长度） *L（ 扶手、 栏板计算长度），花岗岩弹性模量取45000MPa， 扶手、 栏板计算长度取1.8米，计算结果应力 为 12.5MPa。 

根据扶手和栏板的标准尺寸，将横截面的应力转化为压力，扶手应该承受约30吨的压力，栏板应该承受约110吨的压力。

当钢筋混凝土下槛变形0.5毫米时，可以看出立柱也呈现出相同的趋势，同时扶手和栏板也被压缩，这会导致扶手和栏板分别对立柱产生30和110吨的剪力，这两个力都远远超过花岗岩的抗剪强度，因此栏杆立柱必将断裂。

另一种情况是两个立柱的变形趋势是朝外的，导致扶手和栏板产生拉力，进而被拉断。因此，传统桥梁石材栏杆的做法在桥梁钢筋混凝土下槛变形的情况下，栏杆被破坏是必然的。如何避免这种破坏呢？根据上述分析和计算，桥上栏杆破坏主要有两个原因：一是钢筋混凝土和花岗岩这两种材料的线胀系数存在巨大差异，二是栏杆构件之间采用刚接方式，没有任何缓冲变形的余地。

解决方案 

有一些设计单位提出了一个解决方案，即在花岗岩下槛上增加栏杆，并且在花岗岩下槛和钢筋混凝土下槛之间采用沙浆固定而非嵌固连接的方式。

花岗岩栏杆和下槛的变形是以相同的方式进行的，因此不会有材料差异导致的变形差异，也不会产生额外的剪力。

然而，这种处理方法存在一个巨大的问题。花岗岩下槛和钢筋混凝土下槛之间采用砂浆固定，但由于两种材料的线胀系数相差较大，会出现变形差异。这导致砂浆的黏结作用逐渐丧失，花岗岩栏杆和下槛与下部的固定效果逐渐消失，最终栏杆整体只能靠放置在钢筋混凝土下槛上进行支撑，存在倾翻的风险。

解决栏杆断裂问题并不取决于是否设置花岗岩下槛。

根据前文的分析和计算，得出解决桥梁栏杆断裂问题的关键并非避免两种材料的线胀系数差异造成的变形差异，而是应着眼于如何使栏杆的各构件能够适应这种变形。因此，建议在扶手、栏杆和立柱之间设置“活接头”，以便允许变形。通过不再将立柱与扶手、栏板刚性连接，而是为它们提供变形的空间，可以避免立柱强迫扶手、栏板变形，同时也能够防止立柱因剪力而被剪断。

在栏杆的设计和施工过程中，如何实际操作以实现所谓的“活接头”设置？

实际上很容易。以每组栏杆为例，立柱与钢筋混凝土下槛之间的连接仍然采用环氧砂浆的刚性连接，栏杆扶手、栏板和立柱之间的一端也采用环氧砂浆刚性连接，而另一端则设置了活动接头。

活接头的具体做法有很多种。在进行石材下料和榫头制作时，需要留出一定的空隙。虽然根据之前的计算，这种变形只会导致0.5毫米的误差，但是考虑到工程的安全系数和各种实际不确定因素，建议在实际工程中留出5毫米的空隙。

接头处不应使用环氧砂浆或混凝土等固化材料进行填塞，否则会固定死，而应该选择沥青麻絮填塞或橡胶板等材料。如果加工精度达到要求，也可以使用干接头。

考虑前述内容以及平时的工程经验，我们提出以下几项建议，以便更好地设计和施工桥梁的石材栏杆。

必须在桥梁结构的缝合处，比如伸缩缝或简支梁桥板接缝处，安装双柱栏杆。

注意选用抗压强度不低于100MPa的石材制作栏杆，因为强度越高，密实度和容重越大，线胀系数和吸水率也越小。此外，选用均匀无裂隙的石材材质，特别是对于立柱材料，裂隙会增加立柱被剪断的风险。

每组栏杆的安装方式为：在扶手、栏板和立柱之间的一端采用环氧砂浆进行固定，形成刚性接口，而另一端则采用沥青麻絮填塞、橡胶板等方式进行处理，形成可活动接口，并预留5毫米的变形空间。

以上是桥梁石材栏杆断裂原因及解决方案，如有疑问请联系我们的工作人员。作为专业生产沥青麻丝、沥青麻絮、沥青麻绳、沥青麻筋、沥青木丝板、沥青木板的优质厂家，山东茂隆新材料科技有限公司一直以客户需求为主，并提供施工指导。期待未来的合作。