鑫隆青石 

摘 要：石材栏杆与钢筋混凝土下槛线胀系数不同， 同时栏杆各构件间均采用刚性接头， 造成栏杆开裂。 

关键词：线胀系数；开裂；接头

成因 

在现代桥梁设计中， 石材栏杆使用非常广泛， 主要材料有 花岗岩、 青石等。 

设计方法一般是， 在桥面上设置钢筋混凝土 栏杆下槛， 作为栏杆基础， 间距1.5~2米左右设置凹槽埋置栏 杆立柱， 栏杆扶手、 栏板则与栏杆立柱采用榫头连接， 连接位 置采用环氧砂浆固定， 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、 栏板之间均为刚性连接， 相互之间变形如果出现微小的不统一， 就会出现巨大的剪力。 

根据材料特性， 钢筋混凝土的线胀系数为0.00001， 花岗岩的线胀系数平均为0.000007， 即钢筋混凝土的线胀系数是花岗岩的1.43倍。桥梁栏杆一般沿纵桥向布置， 因此栏杆的主要变 形是长度方向。 

如下图所示， 栏杆立柱嵌固在钢筋混凝土下槛之中， 如果 立柱与立柱之间没有扶手和栏板， 则立柱可以自 由随着钢筋混凝土下槛变形， 完全是自 由状态， 立柱不受力， 自然也不会破坏； 

但是现实中扶手、 栏板与立柱固结在一起， 立柱的位移带着扶手、 栏板一起位移， 由于材料的差异， 扶手、 栏板无法完全随之达到相同的变形量， 于是一种情况是扶手、 栏板对立柱产生剪力， 剪断立柱；另一种情况是立柱截面比较强大， 两个立柱把中间的扶手、 栏板拉断。

除了从力学理论分析， 我们还可以通过简单的定量计算加以论证。 

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： 

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。 

按照扶手和栏板的常规尺寸， 将截面应力换算成压 力的话， 扶手应该在30吨左右， 栏板在110吨左右。 

可见， 当钢筋混凝土下槛变形0.5毫米时， 由于两个立柱也有变形0.5毫 米的趋势， 同时压缩扶手和栏板， 那么扶手和栏板就会对立柱 分别产生30和110吨的剪力， 两个力都大大超过花岗岩材料的 抗剪强度， 栏杆立柱必断； 

另外种情况是两个立柱的变形趋势 是向外的， 于是对扶手和栏板产生拉力， 结果扶手和栏板被拉断。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， 那么如何调整才能避免这种 破坏呢？由上述分析、 计算可知， 桥上栏杆破坏主要有两个原因， 一个是钢筋混凝土和花岗岩两种材料的线胀系数差异大， 另一个是栏杆构件间采用刚接， 对于变形没有缓冲的余地。

解决方案 

对于解决方案， 曾有些设计单位提出增加花岗岩下槛， 花岗岩下槛与钢筋混凝土下槛间不采用嵌固连接， 而采用沙浆固 定的栏杆方案， 如下图所示。

以上方案的思路是花岗岩栏杆与花岗岩下槛一起变形， 由 于材料相同不会出现变形差异， 自然也不会出现额外的剪力。 

但是此种处理方案存在一个很大的问题， 就是花岗岩下槛与钢筋混凝土下槛之间采用砂浆固定， 由于两种材料的线胀系数差 异较大， 肯定出现变形差， 结果会是砂浆慢慢失去黏结作用， 花岗岩栏杆以及花岗岩下槛与下部的固定作用慢慢消失， 栏杆整体仅仅只是搁置在钢筋混凝土下槛之上， 栏杆存在随时倾翻的危险。

因此解决栏杆断裂问题， 跟是否设置花岗岩下槛并不是关键所在。 

根据文章前面部分的分析和计算， 可以发现解决桥梁栏杆 断裂问题， 最主要的不是避开两种材料线胀系数不同而引起的变形差异， 而是解决栏杆各构件如何能适应这种变形， 即扶手、 栏杆和立柱间应设置“活接头”， 允许变形。立柱与扶手、 栏板间不再是刚接头， 存在变形的空间， 则立柱不会强迫扶 手、 栏板变形， 立柱也不会因为剪力而被剪断。 

那么所谓设置“活接头”， 具体在栏杆设计和施工时如何超作？ 

其实比较简单。以每组栏杆为例， 立柱与钢筋混凝土下槛之间仍采用环氧砂浆刚性连接， 栏杆扶手、 栏板与立柱之间一端采用环氧砂浆刚性连接， 另一端设置活接头。 

活接头的具体做法比较多， 首先石材下料， 榫头制作是就要预留空隙， 根据前面的计算， 变形其实只有 0.5 毫米， 但是出于工程安全系数以及各种实际不确定因素的考虑， 建议实际工程中预留 5 毫米。 

然后接头处的填塞不可采用环氧砂浆或混凝土等凝固性材料， 这样就固定死了， 必须采用沥青麻絮填塞、 橡胶板等， 如果加工精度到位， 采用干接头也可以。如下图所示。

总结 

根据前面所述， 结合平时工程经验， 对桥梁石材栏杆设计与施工提出以下几点建议： 

1、 在桥梁结构设缝处， 如伸缩缝或简支梁桥板接缝处， 栏杆必须设置双柱。 

2、 注意石材栏杆的选材， 要求抗压强度不小于100MPa， 因为抗压强度越高， 其密实度即容重越大， 线胀系数越小， 吸水率越小。同时石材材质应当均匀， 不能有任何裂隙性裂缝， 尤其是立柱材料， 裂隙会使得立柱更容易被剪断。 

3、 每组栏杆安装时， 扶手、 栏板和立柱之间一端采用环氧砂浆固定， 形成刚接头， 另一端采用沥青麻絮填塞、 橡胶板等处理形成活接头， 预留 5毫米的变形空间。

注：来源于技术探讨

2015J11300

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