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桥梁核心软件的开发和应用文/吕建鸣0前言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，桥梁结构分析要依赖于核心软件的开发和应用。评价国家桥梁技术水平，桥梁核心软件的自主化程度是一个很主要的指标。我国桥梁设计工作者近30年来开发使用过多款桥梁分析软件，包括：交通运输部公路科学研究所的GQJS、中交公路规划设计院的GQJZ和QJX、中交二院武汉金思路科技发展有限公司的JSL－BrgCal、北京市政设计总院的BRGFEP、上海同豪公司的桥梁博士、中铁大桥设计院PRBP、上海慧加软件有限公司的WISEPLUS、西南交大的BSAS、广东刘桂生开发的3D-BSA、北京市市政专业设计院的AUST等，还有石洞、肖汝成、李国平、孙广华、沈锐利等编制的桥梁分析软件。国内桥梁人做了不少桥梁核心软件的开发工作，目前能查得到的，在工程上用过的近20个。但时至今日国内各大桥梁设计单位主要用的并不是我们自己开发的桥梁核心软件，而是国外软件公司开发桥梁分析软件，如：韩国Midas和美国TDV软件等。现在国内一些大牌桥梁设计公司在国外做项目，理直气壮地告诉当地业主和当地技术主管部门的技术人员：我们是用Midas、TDV做的设计计算。其实外国技术人员并不会因为你采用了Midas、TDV就认为你技术水平高。丹麦科威公司，日本长大公司等桥梁设计大牌公司，对外宣传都是说采用自己公司的桥梁核心软件。这些桥梁设计公司的软件可能界面不如Midas、TDV，但是他们一直引以为自豪，毕竟人家有自主知识产权的桥梁核心软件。中国要想成为桥梁强国，要想让国外桥梁人敬佩你仰慕你，中国的桥梁人就应该用自主知识产权的、技术上过得硬的桥梁核心软件。否则，世界各国桥梁人会认为中国有钱、有项目，就是没有核心技术和知识产权。本人从事桥梁软件应用开发多年，每次提起桥梁核心软件的开发应用都感到很心疼。其实我们自己开发的桥梁核心软件计算功能并不比国外软件差。中国是混凝土桥梁大国，在混凝土收缩徐变计算问题上，我们比国外桥梁软件更胜一筹。但是由于体制机制的约束，国内桥梁核心软件一直发展不起来，只能眼睁睁地看着外国人侵蚀我们的桥梁核心软件市场，而且把他们的一些不合适的理念和算法通过桥梁核心软件的推广被国人广泛接受，而我们通过工程实践总结、改进、开发出来的更更符合工程实际的算法反而被忽略。1预应力混凝土桥梁设计计算我国近30年来建设的桥梁大部分是混凝土桥梁。从70年开始，我国桥梁设计人员和高校桥梁专业教师就开始研发预应力混凝土桥梁设计计算核心软件。70年代末原交通部公路总局组织全国桥梁和电算专家开发的桥梁综合程序，在80～90年代中国预应力混凝土桥梁大建设时期发挥了重要作用。80年代我们的桥梁核心软件水平在世界上并不落后，当时中国承接的伊拉克摩苏尔4号桥和5号桥都是用我们自己开发的桥梁综合程序进行的设计计算，欧洲的设计监理也都认可桥梁综合程序的计算结果。桥梁综合程序最初是在国产TQ16计算机上用中国标准的BCY语言开发，后来随着计算机的发展，国内各大设计院研究所将桥梁综合程序移植到Apollo计算机、IBM计算机、VAX计算机以及现今流行的微机。开发语言也从BCY语言变为FORTRAN语言及C++语言。90年代末随着WINDOWS系统的出现，国内桥梁软件也开始开发桥梁核心软件的交互界面。目前还在用的GQJS、QJX、JSL－BrgCal、BRGFEP、PRBP等桥梁软件都是在桥梁综合程序的基础上发展起来的。我院开发的GQJS软件继承了桥梁综合程序的核心计算理念，并且随着规范的发展不断完善了混凝土收缩徐变计算、组合截面、新设计荷载等一系列桥梁专业计算功能，同时开发了友好的交互界面，开发了施工监控、结果分析、自动形成计算书、偏载系数计算等扩展应用模块。近几年正在致力于开发参数化建立实体单元模拟混凝土，非线性杆单元模拟钢筋和拉索，板壳单元模拟钢结构的精细化有限元模型解决方案。用一套界面参数自动形成平面梁单元、空间梁单元，实体板壳杆单元组合的精细化有限元模型。精细化有限元模型单元离散方案可以根据设备状态计算需求任意加密，以提高计算精度。目前各设计单位做预应力混凝土桥梁设计计算的往往都是刚毕业时间不长的年轻人，他们以为学会了近几年开始流行的桥梁软件操作就可以包打天下了，对于那些软件的计算原理、过程和细节不求甚解，容易出现计算错误，导致设计不合理。本文介绍一些计算细节问题，希望能够引起关注。1)计算模型问题目前混凝土桥梁设计规范是按平面梁单元的概念制定。常规混凝土桥梁的设计计算还是应该以平面梁单元为主。不要过分迷信空间梁格计算模型。实际上单梁空间梁模型计算精度并不比平面梁高。有人以为采用空间梁模型就不用考虑剪力滞和偏载空间效应了，实际上这是不对的。剪力滞是对截面整体而言的，单梁模型不可避免剪力滞问题和偏载空间效应问题。有人误以为空间梁组成的网格模型就是空间精细化模型，实际上空间梁网格划分含混不清，其中抗扭惯矩计算除了圆形和矩形等很少规则截面外，一般都没有准确的解析解。纵梁和横梁的划分随意性强，因人而异，截面参数含混不清，计算结果的可靠性怎么保证？2)箱梁有效分布宽度问题04版混凝土桥梁规范明文规定，采用梁单元模型计算混凝土箱梁应力时，要考虑剪力滞效应，并且规范中给出了箱梁截面有效宽度计算图表。GQJS根据规范提供了自动计算箱梁截面有效宽度的功能，但是由于目前常用桥梁软件没有提供箱梁截面有效宽度计算功能，致使很多设计人员在混凝土箱梁设计计算中没有考虑箱梁截面有效宽度，不符合规范的规定。对于宽桥考虑不考虑箱梁截面有效宽度，应力计算结果可能会差几个MPa。3)预应力锚固端计算节点问题GQJS在预应力信息中提供了判断预应力锚固端是否有计算节点和自动增加计算节点的功能。目前流行的桥梁软件为简化操作，方便设计人员使用，预应力锚固端是否有计算节点不加判别。用户常常在预应力锚固端不设计算节点，避开了预应力锚固端前后应力状态突变问题，没有得到主拉应力的最不利状态。从他们的计算结果看应力计算曲线平滑，结果都符合规范，但实际上可能会有比较大的主拉应力没有反映出来，桥梁按这样先天不足的计算方法进行设计，建成后不久就会出现开裂，成为病桥，其后果更不堪设想。4)钢筋对混凝土收缩徐变约束引起的截面应力重分布问题GQJS在混凝土收缩徐变计算中专门考虑了钢筋对混凝土收缩徐变约束引起的截面应力重分布问题。目前流行的桥梁软件只计算了混凝土收缩徐变引起的结构内力重分布，没有考虑钢筋对混凝土收缩徐变约束引起的截面应力重分布的影响。梁单元换算截面的刚度是包括钢筋刚度的，不考虑钢筋对混凝土收缩徐变约束引起的截面应力重分布的影响，实际上就是默认钢筋也和混凝土一样发生收缩徐变，从理论上讲是不合理的，这与实际情况不符。钢筋对混凝土收缩徐变的约束一般是引起截面上下缘混凝土压应力减小，腹板主拉应力增加，虽然数值不大，在敏感区段对判断计算结果是否符合规范要求还是有影响的。5)钢和混凝土组合截面梁计算问题目前流行的桥梁软件一般不考虑组合截面桥梁中钢结构和混凝土结构之间的相互影响，计算收缩徐变时钢和混凝土结构同时都收缩徐变，这样计算的结果失真严重。例如：在工字钢上现浇混凝土桥面板的简支梁，如果不考虑钢结构和混凝土结构之间的相互作用，混凝土在自重作用下肯定是受压的。但是如果考虑钢结构和混凝土结构之间的相互作用，先上钢梁，后浇筑混凝土时，混凝土自重由钢梁承受，混凝土结硬后收缩徐变受到钢梁的制约，混凝土从0应力状态开始，在自重作用下不但不会受压反而要受拉。因此在GQJS中，建议采用分层单元，按施工顺序安装各个部件，只有混凝土单元收缩徐变，钢结构不计算收缩徐变，这样可以比较合理地模拟钢和混凝土组合截面梁的实际应力状态。在运营阶段程序可以将上下层不同材料单元合成整体换算截面，进行成桥阶段设计荷载验算。6)斜拉桥拉索锚固点与主梁型心偏差问题目前流行的桥梁软件一般通过共同节点连接斜拉桥的拉索和主梁，默认拉索锚固在主梁截面形心。如果拉索不是锚固在主梁截面形心，又没有特意设置刚臂单元连接，拉索锚固在主梁截面形心，则计算结果会产生较大误差，因为拉索锚固偏心会在主梁中产生较大偏心弯矩。在GQJS中拉索锚固点与主梁分别给出位置坐标，程序默认提供刚臂连接拉索锚固点与主梁形心。7)计算过程不透明问题GQJS继承老桥梁综合程序的传统，可以输出计算过程所有单项位移、内力和各阶段累计位移、内力、应力。用户对计算结果有疑问或不解时可以追溯查找原因，分析结果的合理性，如果发现个别界面强度验算不符合规范，可以自动提取截面强度验算信息对该截面单独验算，并且可给出混凝土受压区高度和形状。目前流行的桥梁软件计算过程不透明，最终只给一个是否符合规范的结果，怎么计算出来的结果用户无法追溯。8)设计荷载偏心增大系数问题有人以为采用空间梁单元的桥梁软件，程序可以进行影响面加载，就可以不考虑设计荷载偏心增大系数问题了。实际上，对于长大空间桥梁，用户往往采用单梁模型计算，即使是空间梁，其影响面加载也是徒有虚名，还是应该考虑设计荷载偏心增大系数问题。GQJS提供了自动建立实体单元全桥模型计算桥梁设计偏载效应系数模块，并可以由空间计算结果修正平面梁单元模型的运营阶段设计荷载组合系数。2GQJS软件算例GQJS中可以进行平面梁单元、空间梁单元和空间实体单元的建模与计算。2.1平面梁单元平面梁单元计算软件的一个缺陷是对空间效应的考虑不够精细。在GQJS10中可采用空间实体单元全桥模型计算桥梁设计荷载的横向分布系数，再采用平面梁单元进行施工全过程结构计算，这样即考虑了桥梁结构的空间效应又可以快速进行施工全过程结构分析。图1横向分布系数计算页面图2横向分布系数列表图1与图2给出了横向分布系数的计算界面与最终得到的某连续刚构桥沿桥纵向的横向分布系数表。2.2空间梁单元GQJS10中的空间梁单元计算模型是用6自由度节点空间梁单元模拟混凝土，用非线性杆单元模拟预应力钢筋，钢束杆与混凝土梁单元之间通过刚臂连接。GQJS是根据平面计算相同的界面参数由程序自动形成的空间梁单元计算模型。如图3中（a）所示，红色的钢筋和黑色的主梁之间通过绿色的刚撑连接。在GQJS10的空间梁单元三维预览中还可以选择是否显示梁的实际轮廓线，有助于用户更好的理解计算模型，图3中（b）展示了同一模型增加主梁轮廓线之后的模型三维预览图。(a)(b)图3空间梁单元模型2.3空间实体单元GQJS10中空间实体单元模型使用12节点实体等参元单元模拟混凝土，用非线性杆单元模拟预应力钢筋，再用约束方程将钢筋单元和混凝土单元结合，还可以用壳单元模拟薄板和刚腹板等。不同类型单元的节点坐标相对独立，通过节点耦合（节点位移约束方程）形成复杂预应力混凝土桥梁的全桥计算模型。一个12节点实体单元和2个2节点杆单元（13-14，14-15）组成的单元如下图4所示。其中，杆单元的节点13，14，15不是独立位移节点，他们是分别与其共面的4个实体单元节1-4,5-7,9-12通过位移约束方程建立相互联系。图412节点实体单元与2节点杆单元连接示意图(a)离散图仰视(b)离散图断面(c)离散图实体单元轮廓和钢筋(d)应力云图图5主跨9m的带齿板预应力混凝土简支梁桥空间模型GQJS是根据平面计算相同的界面参数由程序自动形成的空间实体单元精细化计算模型，实体单元划分的密度用户可以随时通过单元网格数、实体单元最大尺寸和长短边比例进行调整，不需要用户计算空间节点坐标和定义单元节点编号等，大大简化了建模过程。用户可以先用粗网格建模查看和试算，模型确定后可以按实际计算需求加密网格进行精细化分析。现在GQJS10已经可以进行各种复杂异型桥梁的空间参数化建模，实体计算功能正在逐步完善，现在已经可以进行建立指定施工阶段的空间模型并进行空间计算。几个复杂桥梁的建模与计算结果如图5～11所示。(a)断面、立面、平面图(b)测点计算结果和位移云图(c)积分结果和边腹板区域应力云图(d)中腹板区域应力云图(e)全截面应力云图图6主跨25m的弯预应力混凝土连续梁桥空间模型（a）局部模型（b）全桥模型（c）自重工况下位移云图