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【呂建鳴】我國橋梁結構分析軟件的發展
2011-12-25 來源:作者:呂建鳴 來源:中國橋梁網
[page]1、前言

    橋梁結構分析學科是一個即古老又現代的學科,它以結構力學為基礎,橋梁設計離不開結構力學分析。在計算機發展之前,橋梁結構分析以解析法為主,演算只能依靠手工,因為手算結構受力要較長的時間,而且容易出錯,所以設計周期相對較長,稍微復雜一些的橋梁很難用手算方法分析清楚,只能依靠試驗和時間經驗進行設計。雖然算盤、計算尺和手搖計算器等輔助計算工具解脫了部分手算的勞作,但由于精度有限、速度不快依然制約著橋梁結構分析和設計的發展。60年代計算機的出現,為橋梁結構分析提供了騰飛的翅膀。用計算機進行橋梁結構有限元分析,是計算機最早應用的領域之一。至今50歲以上的結構分析工程師依然記得早期計算機穿孔錄入數據的時代,那時雖然辛苦但一想到可以進行大型計算就興奮不已。

    現在半個多世紀過去了。伴隨著計算機技術和有限元技術的發展,橋梁結構分析技術也不斷完善,并逐步走向成熟。現代工程師依靠高性能計算機和高度智能化的橋梁結構分析軟件,可以設計出更多結構復雜、造型優美的橋梁。近年來我國建造的千米級斜拉橋、懸索橋,以及各種大跨徑拱橋、預應力混凝土連續梁橋和連續剛構橋的建設都離不開現代化的橋梁結構分析技術。可以說橋梁工程的靈魂是設計,而設計的關鍵技術是橋梁結構分析。現如今開始流行的舊橋加固設計依賴于更深層次的橋梁結構分析技術。可見橋梁結構分析學科雖然古老,但對其研究的任務還很繁重,還要不斷邁上新的臺階。

    2 、我國橋梁結構分析技術的歷史回顧

    我國橋梁結構分析技術的發展與橋梁建設的發展密切相關。建國至70年代末這個時期,國內橋梁多以小跨徑鋼筋混凝土梁橋或圬工拱橋為主,大跨徑預應力混凝土結構和索結構橋梁較少。簡支梁和拱橋結構計算量較小,多以手算加查表、拉計算尺為主。這個時期由于計算機尚未普及,有限元發展受到限制,也談不上研制專業計算程序。

    我國70年代末開始,國內橋梁建設迅猛發展,成就卓越。這個時期由于橋梁結構設計的需要帶動了結構分析技術的發展。初期發展主要表現在專業程序的研制,那時雖然國際上通用力學程序已進入國內,如SAP和ADINA。用它們單純分析特定結構常規受力狀態可以,但作為橋梁專業分析還遠遠不夠。這主要因為純力學程序:①不能分階段模擬橋梁施工過程;②不能較好地模擬預應力,包括損失計算;③不能動態模擬活載加載及荷載組合。因此,研制橋梁專業程序由于橋梁設計的需求而成為必然。

    我國70年代末80年代初為了大力發展預應力混凝土橋梁結構,當時的交通部公路總局組織全國橋梁電算專家聯合攻關,開發出國內最早的橋梁專業軟件GQJZ(公路橋梁綜合程序)。GQJZ為橋梁結構設計提供了極為有效的工具。尤其是對大跨徑連續結構的預應力及混凝土收縮徐變分析,如果采用純力學程序分析幾乎是不可能的。80年初代我國開始興建的預應力混凝土連續梁和連續剛構橋,如:洛溪大橋、沙洋大橋、包頭黃河大橋等,都是用GQJZ進行設計計算的。限于當時的計算機軟硬件條件,GQJZ是用我國自己的BCY語言開發,在國產TQ16計算機上運行。當時源程序不能長期寄存在計算機內,要從穿孔紙袋將程序導入計算機并從穿孔紙袋讀取輸入數據,計算結果的大量數據只能整箱地打印到紙上,人工分組查看數值,手工繪制草圖形象分析其合理性。盡管如此,還是大大推動了預應力混凝土連續梁、連續剛構橋和斜拉橋在我國的建設發展。

    橋梁專業軟件的發展與計算機系統發展密切相關,80年代后期,公路、城市交通建設事業的迅速發展對橋梁工程的設計質量和設計周期提出了更高的要求。許多設計院將GQZJ移植到不同類型的計算機上運行,如:交通部公路規劃設計院、交通部第一設計院、交通部第二設計院、北京市政設計院、上海市政設計院、鐵道部大橋局設計院等,其中一些大院至今還在沿用GQZJ升級版。交通運輸部公路科學研究所(以下簡稱“公路所”)當時引進了美國WAX8350小型計算機,曾將GQZJ用當時流行的FORTRAN語言移植到WAX8350小型計算機上運行,并在WAX8350上完成了福建丘敦大橋預應力混凝土剛架頂推連續梁施工全過程的設計計算。為了解決彎箱梁橋設計中遇到的空間內力分析問題,公路所80年代后期在WAX8350小型計算機上根據有限條和樣條有限條原理開發了彎箱梁橋空間內力分析程序,這在當時在國際橋梁學術界也是很先進的學術成果。

    90年代個人計算機(PC機)的性能飛速提高,在微機上開發可視化的橋梁結構分析軟件成為橋梁結構分析技術發展的必然趨勢。過去結構分析中多人共用一臺小型計算機、有限元單元劃分中繁瑣的節點編號和節點坐標計算、預應力鋼筋編號和幾何坐標計算、計算結果海量數據的整理等成為制約設計質量和設計效率進一步提高的瓶頸。PC 機出現后,橋梁界許多橋梁結構分析和計算機方面的專家將原來只能在小型計算機上運行的橋梁結構分析軟件GQZJ向PC機移植或在PC 機上開發新的橋梁結構分析軟件。這一時期橋梁結構分析軟件開始有前后處理數據界面、圖形數據導入和圖形顯示輸入數據及計算結果的功能,相對于紙袋穿孔和編輯純數據文件工作方式,這是極大的進步。這個時期是我國橋梁專業軟件發展的高峰時期,國內很多大的設計院、研究機構都有橋梁專業人員從事橋梁專業軟件開發。這一時期公路所將GQZJ從WAX8350上移植到PC機上,在PC 機上進一步開發了前后處理模塊數據界面、圖形顯示和繪制設計圖模塊,并定名為公路橋梁結構設計系統(漢語拼音縮寫為GQJS)。隨著Windows界面開發技術的發展,GQJS不斷完善其計算功能、圖形界面功能以及數據智能處理功能等,形成了商品化程度較高的軟件產品,被推廣到公路、鐵路、市政、冶金、水利等多個橋梁相關行業百余家設計單位。

    公路所90年代中期根據我國懸索橋建設的實際需要,結合虎門大橋懸索橋施工監控工作,在PC 機上開發了懸索橋施工過程結構分析系統SBCC。SBCC智能化程度較高,懸索橋主纜、加勁梁、塔墩、吊桿等部件的有限單元離散,包括節點坐標和單元編號都由系統自動生成,懸索橋空纜初始位置可自動倒推計算。SBCC的開發不僅解決了虎門大橋懸索橋施工監控所需的大位移幾何非線性結構分析技術難題,也為我國后來的懸索橋設計和施工控制奠定了技術基礎。一些大學和研究院也分別用SBCC軟件進行過長江上其他懸索橋的設計和施工控制。SBCC曾獲北京市第七屆優秀工程設計軟件一等獎。

    [page]3、我國橋梁結構分析軟件的發展近況

    橋梁結構分析軟件的發展隨著計算機水平的發展不斷進步,處理問題的規模越來越大、圖形顯示的效果越來越好,計算的速度也越來越快,極大了提高了設計質量和計算精度。現在,橋梁結構分析的解題規模、運算速度將不再作為結構分析軟件的主要考慮因素,橋梁結構分析軟件將更為仿真、精確的模擬橋梁結構,充分考慮施工過程、非線性等因素。國內軟件正在向空間梁格、板殼、實體單元仿真建模、非線性分析動力特性計算的等方面發展,并且加強計算數據和CAD繪圖軟件的聯系,形成分析、設計、繪圖、文檔一體化,進一步提高設計效率。當前的橋梁結構分析軟件開發必須兼顧新橋設計和舊橋檢測加固的分析,為橋梁設計、施工控制直至養護管理提供科學依據,正在努力加入國際橋梁軟件的競爭行列。另外,橋梁結構分析軟件也在與虛擬現實技術相結合,試圖用于橋梁的方案比選、虛擬設計、項目管理、事故反演等領域。

    2000年以來公路所根據橋梁施工控制和檢測加固工作的需要,一方面改進GQJS使之更加適合斜拉橋、鋼混組合結構橋梁設計及施工控制計算,滿足橋梁加固設計計算的需要。如:用多個相同節點單元組合模擬鋼混結構、橋梁使用過程中有腐蝕、火災、碰撞等因素引起的截面缺損,橋梁加固過程中箱梁底板開孔、橋梁底板腹板加厚,用鋼筋模擬粘貼鋼板及碳纖維,用拉索拆裝模擬斜拉橋換索過程等等深層次橋梁結構分析問題。GQJS軟件曾獲得全國第七屆優秀工程設計軟件項目銀質獎。

    針對舊橋檢測和新建橋梁荷載試驗的特殊需求,公路所開發了橋梁檢測分析系統QLJC。QLJC繼承傳統的平面桿系分析軟件GQJS數據簡單易用的優點,在平面桿系建模基礎上適當補充橫橋向數據,即可方便地形成空間模型。是的橋梁三維分析數據輸入量小,形象直觀,循序漸進,便于用戶掌握。用QLJC可以設定橋梁空間荷載試驗方案,計算各工況試驗荷載效率,并可根據試驗荷載效率結果,方便地進行荷載試驗方案調整,設計最佳荷載試驗方案。QLJC可記錄測點布置方案和內力積分輸出方案,進行空間有限元計算后可自動提取各試驗工況任意位置測點和截面內力積分計算結果。用QLJC可以很方便地將預應力混凝土橋梁用高精度三維實體等參元和索單元建立全橋空間計算模型,將預應力鋼筋自動離散成曲線桿單元,通過位移協調關系與混凝土三維實體等參元形成一個整體共同受力。這種橋梁三維建模分析技術在國際上也還處于研究階段,公路所在國際土木與建筑工程計算機應用學術會議(ICCCBE)和國際橋梁及結構工程協會(IABSE)年會上介紹QLJC計算原理時,引起國際著名橋梁結構分析軟件公司如:奧地利TDV公司、英國LUSAS公司、德國Sofistik公司、西班牙INGECIBER軟件公司等的技術專家的關注,并與公路所就這一專題進行過多次學術交流與探討。QLJC曾獲得中國公路學會科技獎三等獎。

    近幾年公路所結合交通部西部交通科技項目“高墩大跨徑彎橋的設計與施工技術研究”自主開發了橋梁三維預應力空間分析系統BridgeKF,可用空間實體單元和彈性支撐進行三維預應力、三維溫度、收縮徐變、空間實體單元影響面(縱向彎矩、橫向彎矩、扭矩、豎向剪力、橫向剪力、軸力、反力)動態加載分階段模擬施工狀態等空間分析。BridgeKF已經在一些預應力彎箱梁橋施工控制計算和預應力局部分析中得到應用。

    近幾年國內知名的橋梁結構分析軟件除我院研發的GQJS、QLJC、SBCC、BridgeKF以外,還有同濟大學的橋梁博士Dr.Bridge、武漢金思路橋梁綜合設計計算程序JSL-BrgCal、北京市政院的二三維橋梁結構計算分析通用系統ASBEST’98等等。目前,我國自主開發的橋梁專業設計計算軟件以平面桿系元為主,其功能基本上能滿足一般橋梁工程設計的需要,因為:①桿元功能能抓住結構受力的主要矛盾;②對計算機計算速度和容量的要求不高;③實現專業功能相對容易,如模擬施工過程結構體系轉換、預應力鋼筋及混凝土收縮徐變等;④目前的橋梁設計規范都是以平面力系構件為基準。

    除平面桿系外,為適應實際工程需要,針對立交匝道彎橋、獨柱支撐結構、現澆彎箱梁等,近幾年國內也有人先后研制出曲線橋設計計算專用軟件。曲線橋空間分析計算核心多采用空間梁格系方法。目前可見到的的曲線橋設計計算專用軟件有:李方廣華曲線橋梁計算程序、彎斜坡異性橋梁空間結構分析軟件系統3DBSA、廣東省院的橋梁三維空間結構分析軟件3D-BSA和慧加結構分析與設計軟件WISEPLUS等。這些軟件大都是為設計服務,重點放在常規橋梁(梁橋、拱橋、斜拉橋等)施工全過程的結構計算、設計、配筋、出圖,為橋梁設計、施工控制的數字化、科學化作出了很大貢獻。

    4、我國橋梁結構分析軟件發展中存在的問題

    幾十年來我國在自主研發橋梁結構分析專業軟件方面取得了一些成果,并實際開發出一些在行業內有影響的軟件產品。但現有軟件大多還停留在桿系有限元的基礎上,單元類型單一,結構模擬簡化,仿真程度低,非線性分析功能欠缺。基于空間梁格單元、板殼單元及實體單元,能夠考慮結構非線性和動力特性計算的橋梁空間結構分析軟件,總體上還不成熟,計算效率和解題規模受到限制,對于大型橋梁、新型結構的分析能力有限,局部結構的仿真處理有難度,與國外同類型軟件有不小差距。

    國外結構數值分析的研究起步較早,橋梁結構仿真分析軟件發展較為成熟,商業化做的也較好。目前知名的橋梁專用軟件有TDV Rm 2006、Larsa、Sofistik 、Lusas、Strap、Midas等。除專業橋梁軟件外,一些工程通用軟件著名廠商如Msc、Ansys、Abaqus、Sap等的土木工程模塊產品在橋梁結構分析中也有著廣泛的應用。國外軟件單元種類豐富,計算功能強大,分析類型多,局部應力分析和非線性分析功能明顯優于國內軟件。其中有些國外橋梁結構分析軟件還積極推出了中文版,加入了中國規范,已經進入中國市場,并且在迅猛擴大市場份額。由于國外軟件價格高、使用難度大、與中國橋梁設計規范結合程度有限等問題,現階段國內常規橋梁的設計、計算、出圖多還在使用國內自主開發的軟件;大型、新型和復雜橋梁的設計、分析以及相關的科學研究則基本依賴國外軟件。

    國外軟件公司開發的橋梁結構分析專業軟件在軟件開發技術和市場營銷手段方面優勢較明顯。但是在對橋梁工程的理解和針對工程特點的計算方法上以及對國內設計規范的把握和專業知識的積累方面不如國內自主研發的專業軟件。目前,韓國、奧地利、英國、美國的軟件公司都在搶占有限的中國橋梁結構分析專業軟件市場。而國內設計單位生產任務重,沒有精力自主開發專業軟件,引進國外軟件時也很難考證這些軟件的正確性、合理性、與中國設計規范的適用性。盲目引進國外軟件,設計人員不能完全理解其計算原理,無法對計算過程細節進行跟蹤考證,盲目聽信軟件給出的最終驗算結論,這樣設計出來的橋梁很容易出質量問題。國內很多預應力混凝土橋梁出現開裂和下撓問題,與設計計算的精細化程度以及對所采用的軟件的理解密切相關。不知有多少橋梁先天不足“帶病”運行?其中存在大量潛在安全隱患。

    近年來,國內在深層次自主研發橋梁結構分析專業軟件方面的發展不盡人意,近幾年個大設計院和科研機構對橋梁結構分析軟件開發的重視和投入程度越來越低,滿足于盲目引進國外現成軟件產品,甚至有些科研和設計人員寫論文、出報告或編寫設計文件,都是以引用國外軟件為榮,無視國內自主開發的軟件。

    從國家層面上,70年代交通部組織過橋梁分析軟件聯合攻關,形成的橋梁結構分析體系構架一直延續至今,80年代國家七五攻關曾組織開發大型橋梁CAD系統,其中也包括橋梁結構分析程序,但由于經濟效益的驅動,當年開發軟件的專業人員早已轉向其它更有效益的領域,新的開發人員培養不出來,無法進行科研成果的后續開發、推廣和維護,使得很多當年號稱達到國際領先水平的科研成果被束置高閣,或銷聲匿跡。

    七五攻關之后國家和省部主管部門再也沒有專門立項研究過橋梁結構分析技術。20多年來橋梁結構分析技術的研究逐步演變成為個人行為或私人小公司行為,即使象公路所這種國家科研事業單位也只能小打小鬧地苦苦經營,形不成能與國外軟件公司抗衡的拳頭產品。中國橋梁自主創新不能沒有自主知識產權的橋梁結構分析軟件產品,但是由于橋梁結構分析軟件產品的特殊性,現在國人很少有人問津。其主要原因是主管部門不重視,搞橋梁結構分析軟件產品開發的人員得不到認可和相應回報,不如搞工程或其他項目成效明顯,所以開發班子無法穩定。很多橋梁電算精英曇花一現后迅速改做其他事情,放棄后續推廣和維護,致使國內橋梁結構分析軟件始終沒有發展起來。

    我國橋梁軟件越來越趕不上橋梁發展的步伐,近些年國家各級領導都在說我國是橋梁大國,已經或正在跨入橋梁強國行列,可是橋梁強國設計橋梁都不是自主知識產權的橋梁結構分析軟件設計的,我們談何橋梁強國?這確實是值得國人深思的問題。

    5、結語

    筆者從事橋梁結構分析軟件開發多年,雖然不顧個人利益得失一直在努力工作,但畢竟勢單力薄,眼看著國外橋梁結構分析軟件趕上和超過我們,雖然不甘心但也是心有余而力不足。希望行業主管部門能夠重視國內橋梁結構分析軟件開發,從政策上和經費上予以支持。調試希望國內橋梁設計企業重視自主知識產權的橋梁結構分析軟件的開發和運用。

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