为什么桥梁上的石材栏杆会断裂?

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为什么桥梁上的石材栏杆会断裂?

山东茂隆新材料 2023-05-22 2537


为什么桥梁上的石材栏杆会断裂?让我们一起探讨一下,小编今天给大家分享一些相关知识。

成因

现代桥梁设计中,花岗岩和青石等石材栏杆是被广泛采用的主要材料。

通常的设计方法是在桥面上设置钢筋混凝土栏杆下槛作为栏杆基础,然后在间距1.5~2米左右的位置设置凹槽用于埋置栏杆立柱,同时栏杆扶手和栏板采用榫头连接,连接位置再用环氧砂浆固定。这是目前桥梁石材栏杆最为常见的设计方法。在这种情况下,栏杆下槛、栏杆立柱、扶手和栏板之间均为刚性连接,如果它们之间出现微小的不统一,就会产生巨大的剪力。

根据材料特性,钢筋混凝土的线膨胀系数为0.00001,而花岗岩的线膨胀系数平均为0.000007,也就是说钢筋混凝土的线膨胀系数是花岗岩的1.43倍。由于桥梁栏杆通常是沿着纵桥向布置的,因此栏杆的主要变形方向是长度方向。

如果在钢筋混凝土下槛中嵌入栏杆立柱,并且立柱之间缺乏扶手和栏板,则立柱将处于自由状态,并能够自由随着钢筋混凝土下槛的变形而移动,因此立柱不会受到力的作用,也不会有损坏的风险。

在现实中,扶手、栏板和立柱是一起固定的,如果立柱移动,扶手、栏板也会跟着移动。但是由于材料不同,扶手、栏板的变形量无法完全与立柱相同,这会导致两种情况:一种是扶手、栏板对立柱产生剪力,从而剪断立柱;另一种是立柱截面比较大,两个立柱会将中间的扶手、栏板拉断。

除了依靠力学理论的分析,我们还可以通过简单的数量计算来论证。

以一组栏杆为计算单位——即两立柱加中间的扶手、 栏板, 长度取2米, 公式: 

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。 

虽然0.5毫米数字感觉不大, 但是由 于扶手、 栏板与立柱之间是完全固结的, 即使微小的变形对结 构的破坏也会是很大的, 不妨再用另一个简单的计算加以论证。 

计算下当一组栏杆变形0.5毫米, 栏板和扶手会对立柱产 生多大的剪力。 

公式:

根据公式:σ = E * Δ * L,其中花岗岩弹性模量为 45000MPa,扶手、栏板计算长度为1.8米,计算结果得到应力为12.5MPa。

如果按照扶手和栏板常规的尺寸来换算截面应力为压力,那么扶手的承载能力约为30吨,栏板的承载能力约为110吨。

当钢筋混凝土下槛变形0.5毫米时,可以看出两个立柱也有变形0.5毫米的趋势,这将导致扶手和栏板的压缩,产生分别为30和110吨的剪力,这两个力都远超过花岗岩材料的抗剪强度,从而导致栏杆立柱必然会断裂。

另一种情况是两个立柱的变形趋势向外,导致扶手和栏板遭受拉力,最终导致它们断裂。因此,在钢筋混凝土下槛发生变形的情况下,传统桥梁石材栏杆的做法必然会导致栏杆破坏。那么,如何进行调整以避免这种破坏呢?通过上述分析和计算可知,桥上栏杆破坏的主要原因在于钢筋混凝土和花岗岩两种材料的线胀系数差异大,并且栏杆构件之间的刚接设计缺乏变形缓冲空间。

方案的解决。

一些设计单位曾提出一种解决方案,即在花岗岩下槛上增加栏杆,与钢筋混凝土下槛不使用嵌固连接,而是采用沙浆固定。

由于花岗岩栏杆和下槛材料相同,以上方案的思路是将它们一起进行变形,因此不会出现变形差异,也不会产生额外的剪力。

然而,这种方案存在一个重大问题,即花岗岩下槛和钢筋混凝土下槛之间采用砂浆粘合,但由于两种材料的线胀系数差异较大,必然会出现变形差异,导致砂浆失去粘结作用,花岗岩栏杆和下槛与下部的固定逐渐消失,整个栏杆仅靠钢筋混凝土下槛支撑,存在倾翻的风险。

因此,是否设置花岗岩下槛并不是解决栏杆断裂问题的关键所在。

根据前文所述的分析和计算结果,我们可以得出结论:解决桥梁栏杆断裂问题的关键不在于避免两种材料线胀系数不同所引起的变形差异,而在于如何让栏杆的构件能够适应这种变形。为达到这一目的,我们需要在扶手、栏杆和立柱之间设置“活接头”,以允许变形发生。这样,立柱与扶手、栏板之间就不再是刚接头,而是有一定的变形空间,使得立柱既不会强迫扶手、栏板发生变形,也不会因为剪力而被剪断。

在栏杆设计和施工中,如何实现“活接头”这一设置?

每组栏杆都很容易处理。例如,立柱和混凝土下槛之间的连接仍然采用环氧砂浆的刚性连接,而栏杆扶手、栏板和立柱之间,则一端采用环氧砂浆的刚性连接,另一端则设置为活接头。

活接头的具体实施方案有多种,首先进行石材下料,然后进行榫头制作,这时需要预留一些空隙。虽然从前面的计算结果看,变形只有0.5毫米,但考虑到工程安全系数以及各种实际不确定因素,建议在实际工程中预留5毫米。

填塞接头处时,应避免使用固化性材料如环氧砂浆或混凝土,否则会造成定死的效果。相反,应使用沥青麻絮填塞或橡胶板等材料,若加工精度足够高,则可以尝试干接头的方式。

结合平时工程经验并参考前文所述,针对桥梁石材栏杆的设计与施工,提出以下几点建议:

双柱必须设置在桥梁结构的设缝处,例如伸缩缝或简支梁桥板接缝处的栏杆。

注意选择抗压强度不小于100MPa的石材栏杆材料,因为抗压强度越高,该材料密实度更大,线胀系数更小,吸水率更低。同时,石材材质必须均匀,不能出现任何裂隙或裂缝,特别是立柱材料,因为裂隙会增加立柱剪断的风险。

每组栏杆的安装,其中一端将扶手、栏板和立柱用环氧砂浆固定,形成刚性接头;而另一端则采用沥青麻絮填塞、橡胶板等材料处理,形成活动接头,以便预留5毫米的变形空间。

今天的主题就到这里,感谢大家的耐心阅读和观看,希望对您有所启发。如果您有任何疑问和困惑,请随时与我们的工作人员联系,我们将全力以赴为您提供服务,期待未来的合作。



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