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吕建鸣:我国桥梁结构分析软件的发展

日期: 2021-04-25
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1、前言

    桥梁结构分析学科是一个即古老又现代的学科,它以结构力学为基础,桥梁设计离不开结构力学分析。在计算机发展之前,桥梁结构分析以解析法为主,演算只能依靠手工,因为手算结构受力要较长的时间,而且容易出错,所以设计周期相对较长,稍微复杂一些的桥梁很难用手算方法分析清楚,只能依靠试验和时间经验进行设计。虽然算盘、计算尺和手摇计算器等辅助计算工具解脱了部分手算的劳作,但由于精度有限、速度不快依然制约着桥梁结构分析和设计的发展。60年代计算机的出现,为桥梁结构分析提供了腾飞的翅膀。用计算机进行桥梁结构有限元分析,是计算机最早应用的领域之一。至今50岁以上的结构分析工程师依然记得早期计算机穿孔录入数据的时代,那时虽然辛苦但一想到可以进行大型计算就兴奋不已。

    现在半个多世纪过去了。伴随着计算机技术和有限元技术的发展,桥梁结构分析技术也不断完善,并逐步走向成熟。现代工程师依靠高性能计算机和高度智能化的桥梁结构分析软件,可以设计出更多结构复杂、造型优美的桥梁。近年来我国建造的千米级斜拉桥、悬索桥,以及各种大跨径拱桥、预应力混凝土连续梁桥和连续刚构桥的建设都离不开现代化的桥梁结构分析技术。可以说桥梁工程的灵魂是设计,而设计的关键技术是桥梁结构分析。现如今开始流行的旧桥加固设计依赖于更深层次的桥梁结构分析技术。可见桥梁结构分析学科虽然古老,但对其研究的任务还很繁重,还要不断迈上新的台阶。

    2 、我国桥梁结构分析技术的历史回顾

    我国桥梁结构分析技术的发展与桥梁建设的发展密切相关。建国至70年代末这个时期,国内桥梁多以小跨径钢筋混凝土梁桥或圬工拱桥为主,大跨径预应力混凝土结构和索结构桥梁较少。简支梁和拱桥结构计算量较小,多以手算加查表、拉计算尺为主。这个时期由于计算机尚未普及,有限元发展受到限制,也谈不上研制专业计算程序。

    我国70年代末开始,国内桥梁建设迅猛发展,成就卓越。这个时期由于桥梁结构设计的需要带动了结构分析技术的发展。初期发展主要表现在专业程序的研制,那时虽然国际上通用力学程序已进入国内,如SAP和ADINA。用它们单纯分析特定结构常规受力状态可以,但作为桥梁专业分析还远远不够。这主要因为纯力学程序:①不能分阶段模拟桥梁施工过程;②不能较好地模拟预应力,包括损失计算;③不能动态模拟活载加载及荷载组合。因此,研制桥梁专业程序由于桥梁设计的需求而成为必然。

    我国70年代末80年代初为了大力发展预应力混凝土桥梁结构,当时的交通部公路总局组织全国桥梁电算专家联合攻关,开发出国内最早的桥梁专业软件GQJZ(公路桥梁综合程序)。GQJZ为桥梁结构设计提供了极为有效的工具。尤其是对大跨径连续结构的预应力及混凝土收缩徐变分析,如果采用纯力学程序分析几乎是不可能的。80年初代我国开始兴建的预应力混凝土连续梁和连续刚构桥,如:洛溪大桥、沙洋大桥、包头黄河大桥等,都是用GQJZ进行设计计算的。限于当时的计算机软硬件条件,GQJZ是用我国自己的BCY语言开发,在国产TQ16计算机上运行。当时源程序不能长期寄存在计算机内,要从穿孔纸袋将程序导入计算机并从穿孔纸袋读取输入数据,计算结果的大量数据只能整箱地打印到纸上,人工分组查看数值,手工绘制草图形象分析其合理性。尽管如此,还是大大推动了预应力混凝土连续梁、连续刚构桥和斜拉桥在我国的建设发展。

    桥梁专业软件的发展与计算机系统发展密切相关,80年代后期,公路、城市交通建设事业的迅速发展对桥梁工程的设计质量和设计周期提出了更高的要求。许多设计院将GQZJ移植到不同类型的计算机上运行,如:交通部公路规划设计院、交通部第一设计院、交通部第二设计院、北京市政设计院、上海市政设计院、铁道部大桥局设计院等,其中一些大院至今还在沿用GQZJ升级版。交通运输部公路科学研究所(以下简称“公路所”)当时引进了美国WAX8350小型计算机,曾将GQZJ用当时流行的FORTRAN语言移植到WAX8350小型计算机上运行,并在WAX8350上完成了福建丘敦大桥预应力混凝土刚架顶推连续梁施工全过程的设计计算。为了解决弯箱梁桥设计中遇到的空间内力分析问题,公路所80年代后期在WAX8350小型计算机上根据有限条和样条有限条原理开发了弯箱梁桥空间内力分析程序,这在当时在国际桥梁学术界也是很先进的学术成果。

    90年代个人计算机(PC机)的性能飞速提高,在微机上开发可视化的桥梁结构分析软件成为桥梁结构分析技术发展的必然趋势。过去结构分析中多人共用一台小型计算机、有限元单元划分中繁琐的节点编号和节点坐标计算、预应力钢筋编号和几何坐标计算、计算结果海量数据的整理等成为制约设计质量和设计效率进一步提高的瓶颈。PC 机出现后,桥梁界许多桥梁结构分析和计算机方面的专家将原来只能在小型计算机上运行的桥梁结构分析软件GQZJ向PC机移植或在PC 机上开发新的桥梁结构分析软件。这一时期桥梁结构分析软件开始有前后处理数据界面、图形数据导入和图形显示输入数据及计算结果的功能,相对于纸袋穿孔和编辑纯数据文件工作方式,这是极大的进步。这个时期是我国桥梁专业软件发展的高峰时期,国内很多大的设计院、研究机构都有桥梁专业人员从事桥梁专业软件开发。这一时期公路所将GQZJ从WAX8350上移植到PC机上,在PC 机上进一步开发了前后处理模块数据界面、图形显示和绘制设计图模块,并定名为公路桥梁结构设计系统(汉语拼音缩写为GQJS)。随着Windows界面开发技术的发展,GQJS不断完善其计算功能、图形界面功能以及数据智能处理功能等,形成了商品化程度较高的软件产品,被推广到公路、铁路、市政、冶金、水利等多个桥梁相关行业百余家设计单位。

    公路所90年代中期根据我国悬索桥建设的实际需要,结合虎门大桥悬索桥施工监控工作,在PC 机上开发了悬索桥施工过程结构分析系统SBCC。SBCC智能化程度较高,悬索桥主缆、加劲梁、塔墩、吊杆等部件的有限单元离散,包括节点坐标和单元编号都由系统自动生成,悬索桥空缆初始位置可自动倒推计算。SBCC的开发不仅解决了虎门大桥悬索桥施工监控所需的大位移几何非线性结构分析技术难题,也为我国后来的悬索桥设计和施工控制奠定了技术基础。一些大学和研究院也分别用SBCC软件进行过长江上其他悬索桥的设计和施工控制。SBCC曾获北京市第七届优秀工程设计软件一等奖。

    [page]3、我国桥梁结构分析软件的发展近况

    桥梁结构分析软件的发展随着计算机水平的发展不断进步,处理问题的规模越来越大、图形显示的效果越来越好,计算的速度也越来越快,极大了提高了设计质量和计算精度。现在,桥梁结构分析的解题规模、运算速度将不再作为结构分析软件的主要考虑因素,桥梁结构分析软件将更为仿真、精确的模拟桥梁结构,充分考虑施工过程、非线性等因素。国内软件正在向空间梁格、板壳、实体单元仿真建模、非线性分析动力特性计算的等方面发展,并且加强计算数据和CAD绘图软件的联系,形成分析、设计、绘图、文档一体化,进一步提高设计效率。当前的桥梁结构分析软件开发必须兼顾新桥设计和旧桥检测加固的分析,为桥梁设计、施工控制直至养护管理提供科学依据,正在努力加入国际桥梁软件的竞争行列。另外,桥梁结构分析软件也在与虚拟现实技术相结合,试图用于桥梁的方案比选、虚拟设计、项目管理、事故反演等领域。

    2000年以来公路所根据桥梁施工控制和检测加固工作的需要,一方面改进GQJS使之更加适合斜拉桥、钢混组合结构桥梁设计及施工控制计算,满足桥梁加固设计计算的需要。如:用多个相同节点单元组合模拟钢混结构、桥梁使用过程中有腐蚀、火灾、碰撞等因素引起的截面缺损,桥梁加固过程中箱梁底板开孔、桥梁底板腹板加厚,用钢筋模拟粘贴钢板及碳纤维,用拉索拆装模拟斜拉桥换索过程等等深层次桥梁结构分析问题。GQJS软件曾获得全国第七届优秀工程设计软件项目银质奖。

    针对旧桥检测和新建桥梁荷载试验的特殊需求,公路所开发了桥梁检测分析系统QLJC。QLJC继承传统的平面杆系分析软件GQJS数据简单易用的优点,在平面杆系建模基础上适当补充横桥向数据,即可方便地形成空间模型。是的桥梁三维分析数据输入量小,形象直观,循序渐进,便于用户掌握。用QLJC可以设定桥梁空间荷载试验方案,计算各工况试验荷载效率,并可根据试验荷载效率结果,方便地进行荷载试验方案调整,设计最佳荷载试验方案。QLJC可记录测点布置方案和内力积分输出方案,进行空间有限元计算后可自动提取各试验工况任意位置测点和截面内力积分计算结果。用QLJC可以很方便地将预应力混凝土桥梁用高精度三维实体等参元和索单元建立全桥空间计算模型,将预应力钢筋自动离散成曲线杆单元,通过位移协调关系与混凝土三维实体等参元形成一个整体共同受力。这种桥梁三维建模分析技术在国际上也还处于研究阶段,公路所在国际土木与建筑工程计算机应用学术会议(ICCCBE)和国际桥梁及结构工程协会(IABSE)年会上介绍QLJC计算原理时,引起国际著名桥梁结构分析软件公司如:奥地利TDV公司、英国LUSAS公司、德国Sofistik公司、西班牙INGECIBER软件公司等的技术专家的关注,并与公路所就这一专题进行过多次学术交流与探讨。QLJC曾获得中国公路学会科技奖三等奖。

    近几年公路所结合交通部西部交通科技项目“高墩大跨径弯桥的设计与施工技术研究”自主开发了桥梁三维预应力空间分析系统BridgeKF,可用空间实体单元和弹性支撑进行三维预应力、三维温度、收缩徐变、空间实体单元影响面(纵向弯矩、横向弯矩、扭矩、竖向剪力、横向剪力、轴力、反力)动态加载分阶段模拟施工状态等空间分析。BridgeKF已经在一些预应力弯箱梁桥施工控制计算和预应力局部分析中得到应用。

    近几年国内知名的桥梁结构分析软件除我院研发的GQJS、QLJC、SBCC、BridgeKF以外,还有同济大学的桥梁博士Dr.Bridge、武汉金思路桥梁综合设计计算程序JSL-BrgCal、北京市政院的二三维桥梁结构计算分析通用系统ASBEST’98等等。目前,我国自主开发的桥梁专业设计计算软件以平面杆系元为主,其功能基本上能满足一般桥梁工程设计的需要,因为:①杆元功能能抓住结构受力的主要矛盾;②对计算机计算速度和容量的要求不高;③实现专业功能相对容易,如模拟施工过程结构体系转换、预应力钢筋及混凝土收缩徐变等;④目前的桥梁设计规范都是以平面力系构件为基准。

    除平面杆系外,为适应实际工程需要,针对立交匝道弯桥、独柱支撑结构、现浇弯箱梁等,近几年国内也有人先后研制出曲线桥设计计算专用软件。曲线桥空间分析计算核心多采用空间梁格系方法。目前可见到的的曲线桥设计计算专用软件有:李方广华曲线桥梁计算程序、弯斜坡异性桥梁空间结构分析软件系统3DBSA、广东省院的桥梁三维空间结构分析软件3D-BSA和慧加结构分析与设计软件WISEPLUS等。这些软件大都是为设计服务,重点放在常规桥梁(梁桥、拱桥、斜拉桥等)施工全过程的结构计算、设计、配筋、出图,为桥梁设计、施工控制的数字化、科学化作出了很大贡献。

    4、我国桥梁结构分析软件发展中存在的问题

    几十年来我国在自主研发桥梁结构分析专业软件方面取得了一些成果,并实际开发出一些在行业内有影响的软件产品。但现有软件大多还停留在杆系有限元的基础上,单元类型单一,结构模拟简化,仿真程度低,非线性分析功能欠缺。基于空间梁格单元、板壳单元及实体单元,能够考虑结构非线性和动力特性计算的桥梁空间结构分析软件,总体上还不成熟,计算效率和解题规模受到限制,对于大型桥梁、新型结构的分析能力有限,局部结构的仿真处理有难度,与国外同类型软件有不小差距。

    国外结构数值分析的研究起步较早,桥梁结构仿真分析软件发展较为成熟,商业化做的也较好。目前知名的桥梁专用软件有TDV Rm 2006、Larsa、Sofistik 、Lusas、Strap、Midas等。除专业桥梁软件外,一些工程通用软件著名厂商如Msc、Ansys、Abaqus、Sap等的土木工程模块产品在桥梁结构分析中也有着广泛的应用。国外软件单元种类丰富,计算功能强大,分析类型多,局部应力分析和非线性分析功能明显优于国内软件。其中有些国外桥梁结构分析软件还积极推出了中文版,加入了中国规范,已经进入中国市场,并且在迅猛扩大市场份额。由于国外软件价格高、使用难度大、与中国桥梁设计规范结合程度有限等问题,现阶段国内常规桥梁的设计、计算、出图多还在使用国内自主开发的软件;大型、新型和复杂桥梁的设计、分析以及相关的科学研究则基本依赖国外软件。

    国外软件公司开发的桥梁结构分析专业软件在软件开发技术和市场营销手段方面优势较明显。但是在对桥梁工程的理解和针对工程特点的计算方法上以及对国内设计规范的把握和专业知识的积累方面不如国内自主研发的专业软件。目前,韩国、奥地利、英国、美国的软件公司都在抢占有限的中国桥梁结构分析专业软件市场。而国内设计单位生产任务重,没有精力自主开发专业软件,引进国外软件时也很难考证这些软件的正确性、合理性、与中国设计规范的适用性。盲目引进国外软件,设计人员不能完全理解其计算原理,无法对计算过程细节进行跟踪考证,盲目听信软件给出的最终验算结论,这样设计出来的桥梁很容易出质量问题。国内很多预应力混凝土桥梁出现开裂和下挠问题,与设计计算的精细化程度以及对所采用的软件的理解密切相关。不知有多少桥梁先天不足“带病”运行?其中存在大量潜在安全隐患。

    近年来,国内在深层次自主研发桥梁结构分析专业软件方面的发展不尽人意,近几年个大设计院和科研机构对桥梁结构分析软件开发的重视和投入程度越来越低,满足于盲目引进国外现成软件产品,甚至有些科研和设计人员写论文、出报告或编写设计文件,都是以引用国外软件为荣,无视国内自主开发的软件。

    从国家层面上,70年代交通部组织过桥梁分析软件联合攻关,形成的桥梁结构分析体系构架一直延续至今,80年代国家七五攻关曾组织开发大型桥梁CAD系统,其中也包括桥梁结构分析程序,但由于经济效益的驱动,当年开发软件的专业人员早已转向其它更有效益的领域,新的开发人员培养不出来,无法进行科研成果的后续开发、推广和维护,使得很多当年号称达到国际领先水平的科研成果被束置高阁,或销声匿迹。

    七五攻关之后国家和省部主管部门再也没有专门立项研究过桥梁结构分析技术。20多年来桥梁结构分析技术的研究逐步演变成为个人行为或私人小公司行为,即使象公路所这种国家科研事业单位也只能小打小闹地苦苦经营,形不成能与国外软件公司抗衡的拳头产品。中国桥梁自主创新不能没有自主知识产权的桥梁结构分析软件产品,但是由于桥梁结构分析软件产品的特殊性,现在国人很少有人问津。其主要原因是主管部门不重视,搞桥梁结构分析软件产品开发的人员得不到认可和相应回报,不如搞工程或其他项目成效明显,所以开发班子无法稳定。很多桥梁电算精英昙花一现后迅速改做其他事情,放弃后续推广和维护,致使国内桥梁结构分析软件始终没有发展起来。

    我国桥梁软件越来越赶不上桥梁发展的步伐,近些年国家各级领导都在说我国是桥梁大国,已经或正在跨入桥梁强国行列,可是桥梁强国设计桥梁都不是自主知识产权的桥梁结构分析软件设计的,我们谈何桥梁强国?这确实是值得国人深思的问题。

    5、结语

    笔者从事桥梁结构分析软件开发多年,虽然不顾个人利益得失一直在努力工作,但毕竟势单力薄,眼看着国外桥梁结构分析软件赶上和超过我们,虽然不甘心但也是心有余而力不足。希望行业主管部门能够重视国内桥梁结构分析软件开发,从政策上和经费上予以支持。调试希望国内桥梁设计企业重视自主知识产权的桥梁结构分析软件的开发和运用。

    参考文献

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    [2] 蔺锡九, 吕建鸣·样条有限条法分析弯箱梁桥空间内力·土木工程学报, 1989,(4)

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    [5] 吕建鸣·32 位 Windows 环境下桥梁结构分析软件开发· 公路交通科技,1998,(1)

    [6] 周宗泽,易建国,石雪飞,等·可视化桥梁结构设计软件——桥梁博士系统·同济大学学报,1999,(2)

    [7] 吕建鸣·弯箱梁桥三维仿真分析·工程设计CAD与智能建筑,2001,(6)

    [8] 吕建鸣·信息技术在道路与桥梁工程中的应用·城市道桥与防洪,2002,(1)

    [9] 陈可,吕建鸣·桥梁结构检测分析系统研究·公路交通科技,2005,(5)

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