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【摘 要】为了研究超大断面波形钢腹板箱形截面梁这种钢混组合结构梁的整体承载能力，基于ansys有限元平台建立32m的等截面波形钢腹板箱梁，对其钢混组合结构梁在不同几何参数及加载方式下进行模型计算和对比，得到了各个不同参数下纵桥向的坐标-应力分布曲线，进而计算得到了各个敏感参数对有效分布宽度变化的重要系数，对于这种钢混组合结构箱梁的有效分布宽度计算与规范所给的公式进行了对比分析；基于对该结构有效分布宽度的计算，简化了桥跨节段模型试验的加载方式，使得加载数值与实桥加车状态相拟合。结果表明：波形钢腹板的厚度，高度对有效分布宽度均有明显影响；不同加载位置处的有效分布宽度结果与理论吻合；有限元模型计算所得有效分布宽度小于规范计算结果；节段模型试验加载数值可根据有效分布宽度进行简化等效后对控制点施加最不利荷载；
【关键词】波纹钢腹板；有效分布宽度
引言
钢-混组合梁结构由于其自重小，造价低，良好的受力性能等优越性，取得快速发展，波形钢腹板PC组合箱梁桥就是其中的一种，该类结构腹板采用波形钢腹板，顶板及底板采用高强度混凝土，大大提高了材料的使用效率；自从20世纪80年代，法国建造第一座波形钢腹板PC组合箱梁桥以来，目前日本已建成约200座该类型的桥梁，其理论和技术已相当完善，我国也开展了波形钢腹板的研究和建造，相关理论研究及实验分析也取得了长足的进步；
1.有效分布宽度概念
1.1有效分布宽度的意义.根据某桥跨截面在桥面板的计算中，板在局部分布荷载P的作用下，不仅直接承压部分的板带参加工作，与其相邻的部分板带也会分担一部分荷载共同参与工作，需要确定所谓板的有效工作宽度a。
1）对板而言，以宽度为a的板条承受总弯矩，既满足总弯矩的要求。2）对荷载而言，荷载只在a范围内有效且均匀分布，则荷载集度q=p/2ab
1.2有效分布宽度的计算公式.假定在混凝土翼板中，be宽度范围内z向应力沿x向不变，恒等于钢梁中轴线上方的翼缘中z向应力，并假定be宽度范围内的z向应力的合力等于实际总宽度为b的翼缘中的z向应力的合力，be为混凝土板的有效分布宽度，如图1中虚线矩形所示，be计算公式如下：
2.1有限元模型的建立
在建立有限元模型过程中，混凝土板采用8节点钢筋混凝土实体单元solid65，每个节点有三个自由度，即x，y，z三个方向的线位移，波纹钢腹板采用4节点弹性壳单元shell63，每个单元有6个自由度，即x，y，z三个方向的平动自由度和绕x，y，z的转动自由度，图4为整体模型；由于混凝土和钢腹板之间是通过连接键进行连接的，假定连接件是固结，将混凝土和波纹钢腹板的接触面进行共节点的耦合，解决了因混凝土单元和壳单元因自由度不同不能限制转动自由度的问题，如图5所示。对于钢腹板和混凝土材料均采用弹性分析，波纹钢腹板弹性模量取2.06e11Pa，泊松比0.3，混凝土弹性模量取3.45e10Pa。为了使节段试验模型桥面板加载效果接近实桥状态的受力状况，根据单向板要求建立梁段模型l=32m使其长宽比l/b>2.5，总共有10个波纹段，根据《公路桥涵及通用规范JTGD60-2004》施加超20级后轴单个车轮重P=70KN，考虑车轮与地面接触面积0.6×0.2m2。
在对模型进行空间分析时，需做如下假定：
不考虑横隔板影响；
不考虑箱梁沿桥面不对称荷载；
箱梁桥面板水平，不考虑横坡；
不考虑铺装层厚度；
在ansys模型中改变几何参数和加载位置，求出混凝土桥面板的最大正应力数值，绘出沿桥面板纵向的应力分布曲线，根据上式求得桥面板的有效分布宽度。
2.2.波形钢腹板厚度的影响
选取不同腹板厚度t1=14mmt2=18mm，t2=22mm，选定腹板高度并在跨中施加车轮荷载，得到如图6所示，有效分布宽度计算得出如图7所示。
通过应力分布曲线可知，随着波纹钢腹板厚度的增大，两支承点的刚度逐渐增大使得桥面板跨中路径应力总和减小，应力峰值增大，有效分布宽度逐渐减小，对其数值计算，腹板厚度每增大1mm，对有效分布宽度减少约有1.3%。
2.3.波纹钢腹板高度的影响
选取不同腹板高度H1=2.12mm，H2=3.32m，H3=5.10m选定腹板厚度及加载位置，得到如图8所示，进而得出如图9所示。
通过应力分布曲线、有效分布宽度，对其数值计算可见，腹板高度每增大1m，对其有效分布宽度增大越有12%。
2.4.加载位置的影响
在统一截面梁上分别在桥面板跨中，L/4处，腹板支撑处及翼缘板处施加车轮荷载，由各个应力分布曲线计算不同荷载位置处的有效分布宽度，如图10所示；同时根据桥梁规范计算有效分布宽度，绘制单个车轮荷载作用下桥面板有效分布宽度.
由桥梁规范对于梁式单向板的荷载有效分布宽度作了如下的规定：
1）当个车轮在板的跨径中部时
由图11可知，有限元计算值除了悬臂板部分，其余值都比规范值偏大，可见，规范值相对于设计偏安全计算，规范指出悬臂板跨径过大时，板在车轮荷载下受力复杂，故不能使用该公式，一般c值不大于2.5m，该截面悬臂板为3.75m属于变截面长悬臂板，所以规范值与实际值相差较大。
3.节段模型试验加载方案
考虑到节段模型试验规模小而且试验条件的限制，为了在试验中比较合理的拟合实桥状态下桥面的受力状态，利用有限元计算得到的有效分布宽度，在实桥桥面施加多个车轮荷载，将车轮荷載按照有效分布宽度计算到每米板宽的荷载，这样可以偏安全的进行试验而且也简化加载方式。
对于靠近的而且相同的车轮荷载，其有效分布宽度发生重叠，可将靠近的荷载一起计算有效分布宽度，为单个车轮下的有效分布宽度，d为重车后轴的轴距，其车轮荷载布置如图12所示。
根据如图13荷载布置下的有效分布宽度分析结果，为了便于试验的荷载布置，需要对试验荷载进行等效简化的布置，将车轮荷载简化到每米板宽的均布荷载，根据不同控制点的影响线对多点荷载布置等效换算为两点式加载方式，并对节段模型进行中载和偏载工况下的试验，其加载简化方式分别如图14，15所示。
根据上述得出的加载方式，在6.4m长的节段模型，共有4个波纹段施加该纵向均布荷载，图16为中载工况下跨中纵向路径的坐标-拉应力图，图17为偏载工况下支撑点上缘的纵向路径的坐标-拉应力图，故可对此模型进行节段模型试验并按该加载方式进行试验加载研究波纹钢腹板箱梁的承载能力和安全储备。
通过计算得出桥面板最大横向拉应力小于混凝土开裂应力，所以桥面板在最不利车轮荷载作用下是安全可靠的；故可对此模型进行节段模型试验并按该加载方式进行试验加载研究波纹钢腹板箱梁的承载能力和安全储备。
4结语
（1）本文通过ansys有限元计算得出波形钢腹板箱梁在不同腹板厚度，不同腹板高度，不同荷载位置下的纵向应力分布曲线，并通过有效分布宽度公式计算相应的有效分布宽度，进行数值对比分析，。
（2）对于波形钢腹板组合箱梁有效分布宽度的影响因素主要有腹板厚度，腹板高度，加载方式，其中腹板厚度每增大1mm，对有效分布宽度减少约有1.3%；腹板高度每增大1m，对其有效分布宽度增大越有12%；单个车轮荷载下对桥面板的有限分布宽度比规范值较大。
（3）通过有效分布宽度确定每延米桥面的试验荷载，然后根据影响线等效转化为相应控制点的两点式加载方式，并通过有限元计算桥面板控制点纵桥向的路径的拉应力值，得到桥面板受力是安全可靠的，并能在试验中验证桥面的承载能力极限及安全储备。
【关键词】波纹钢腹板；有效分布宽度
引言
钢-混组合梁结构由于其自重小，造价低，良好的受力性能等优越性，取得快速发展，波形钢腹板PC组合箱梁桥就是其中的一种，该类结构腹板采用波形钢腹板，顶板及底板采用高强度混凝土，大大提高了材料的使用效率；自从20世纪80年代，法国建造第一座波形钢腹板PC组合箱梁桥以来，目前日本已建成约200座该类型的桥梁，其理论和技术已相当完善，我国也开展了波形钢腹板的研究和建造，相关理论研究及实验分析也取得了长足的进步；
1.有效分布宽度概念
1.1有效分布宽度的意义.根据某桥跨截面在桥面板的计算中，板在局部分布荷载P的作用下，不仅直接承压部分的板带参加工作，与其相邻的部分板带也会分担一部分荷载共同参与工作，需要确定所谓板的有效工作宽度a。
1）对板而言，以宽度为a的板条承受总弯矩，既满足总弯矩的要求。2）对荷载而言，荷载只在a范围内有效且均匀分布，则荷载集度q=p/2ab
1.2有效分布宽度的计算公式.假定在混凝土翼板中，be宽度范围内z向应力沿x向不变，恒等于钢梁中轴线上方的翼缘中z向应力，并假定be宽度范围内的z向应力的合力等于实际总宽度为b的翼缘中的z向应力的合力，be为混凝土板的有效分布宽度，如图1中虚线矩形所示，be计算公式如下：
2.1有限元模型的建立
在建立有限元模型过程中，混凝土板采用8节点钢筋混凝土实体单元solid65，每个节点有三个自由度，即x，y，z三个方向的线位移，波纹钢腹板采用4节点弹性壳单元shell63，每个单元有6个自由度，即x，y，z三个方向的平动自由度和绕x，y，z的转动自由度，图4为整体模型；由于混凝土和钢腹板之间是通过连接键进行连接的，假定连接件是固结，将混凝土和波纹钢腹板的接触面进行共节点的耦合，解决了因混凝土单元和壳单元因自由度不同不能限制转动自由度的问题，如图5所示。对于钢腹板和混凝土材料均采用弹性分析，波纹钢腹板弹性模量取2.06e11Pa，泊松比0.3，混凝土弹性模量取3.45e10Pa。为了使节段试验模型桥面板加载效果接近实桥状态的受力状况，根据单向板要求建立梁段模型l=32m使其长宽比l/b>2.5，总共有10个波纹段，根据《公路桥涵及通用规范JTGD60-2004》施加超20级后轴单个车轮重P=70KN，考虑车轮与地面接触面积0.6×0.2m2。
在对模型进行空间分析时，需做如下假定：
不考虑横隔板影响；
不考虑箱梁沿桥面不对称荷载；
箱梁桥面板水平，不考虑横坡；
不考虑铺装层厚度；
在ansys模型中改变几何参数和加载位置，求出混凝土桥面板的最大正应力数值，绘出沿桥面板纵向的应力分布曲线，根据上式求得桥面板的有效分布宽度。
2.2.波形钢腹板厚度的影响
选取不同腹板厚度t1=14mmt2=18mm，t2=22mm，选定腹板高度并在跨中施加车轮荷载，得到如图6所示，有效分布宽度计算得出如图7所示。
通过应力分布曲线可知，随着波纹钢腹板厚度的增大，两支承点的刚度逐渐增大使得桥面板跨中路径应力总和减小，应力峰值增大，有效分布宽度逐渐减小，对其数值计算，腹板厚度每增大1mm，对有效分布宽度减少约有1.3%。
2.3.波纹钢腹板高度的影响
选取不同腹板高度H1=2.12mm，H2=3.32m，H3=5.10m选定腹板厚度及加载位置，得到如图8所示，进而得出如图9所示。
通过应力分布曲线、有效分布宽度，对其数值计算可见，腹板高度每增大1m，对其有效分布宽度增大越有12%。
2.4.加载位置的影响
在统一截面梁上分别在桥面板跨中，L/4处，腹板支撑处及翼缘板处施加车轮荷载，由各个应力分布曲线计算不同荷载位置处的有效分布宽度，如图10所示；同时根据桥梁规范计算有效分布宽度，绘制单个车轮荷载作用下桥面板有效分布宽度.
由桥梁规范对于梁式单向板的荷载有效分布宽度作了如下的规定：
1）当个车轮在板的跨径中部时
由图11可知，有限元计算值除了悬臂板部分，其余值都比规范值偏大，可见，规范值相对于设计偏安全计算，规范指出悬臂板跨径过大时，板在车轮荷载下受力复杂，故不能使用该公式，一般c值不大于2.5m，该截面悬臂板为3.75m属于变截面长悬臂板，所以规范值与实际值相差较大。
3.节段模型试验加载方案
考虑到节段模型试验规模小而且试验条件的限制，为了在试验中比较合理的拟合实桥状态下桥面的受力状态，利用有限元计算得到的有效分布宽度，在实桥桥面施加多个车轮荷载，将车轮荷載按照有效分布宽度计算到每米板宽的荷载，这样可以偏安全的进行试验而且也简化加载方式。
对于靠近的而且相同的车轮荷载，其有效分布宽度发生重叠，可将靠近的荷载一起计算有效分布宽度，为单个车轮下的有效分布宽度，d为重车后轴的轴距，其车轮荷载布置如图12所示。
根据如图13荷载布置下的有效分布宽度分析结果，为了便于试验的荷载布置，需要对试验荷载进行等效简化的布置，将车轮荷载简化到每米板宽的均布荷载，根据不同控制点的影响线对多点荷载布置等效换算为两点式加载方式，并对节段模型进行中载和偏载工况下的试验，其加载简化方式分别如图14，15所示。
根据上述得出的加载方式，在6.4m长的节段模型，共有4个波纹段施加该纵向均布荷载，图16为中载工况下跨中纵向路径的坐标-拉应力图，图17为偏载工况下支撑点上缘的纵向路径的坐标-拉应力图，故可对此模型进行节段模型试验并按该加载方式进行试验加载研究波纹钢腹板箱梁的承载能力和安全储备。
通过计算得出桥面板最大横向拉应力小于混凝土开裂应力，所以桥面板在最不利车轮荷载作用下是安全可靠的；故可对此模型进行节段模型试验并按该加载方式进行试验加载研究波纹钢腹板箱梁的承载能力和安全储备。
4结语
（1）本文通过ansys有限元计算得出波形钢腹板箱梁在不同腹板厚度，不同腹板高度，不同荷载位置下的纵向应力分布曲线，并通过有效分布宽度公式计算相应的有效分布宽度，进行数值对比分析，。
（2）对于波形钢腹板组合箱梁有效分布宽度的影响因素主要有腹板厚度，腹板高度，加载方式，其中腹板厚度每增大1mm，对有效分布宽度减少约有1.3%；腹板高度每增大1m，对其有效分布宽度增大越有12%；单个车轮荷载下对桥面板的有限分布宽度比规范值较大。
（3）通过有效分布宽度确定每延米桥面的试验荷载，然后根据影响线等效转化为相应控制点的两点式加载方式，并通过有限元计算桥面板控制点纵桥向的路径的拉应力值，得到桥面板受力是安全可靠的，并能在试验中验证桥面的承载能力极限及安全储备。