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桥梁“中国芯”——国产桥梁结构分析软件的前世今生

发布时间:2020-09-17 21:14:11

 

1. 引言

中国桥梁已经成为一张靓丽的“国家名片”,我国桥梁总量已超过百万座,且不断突破世界“建桥禁区”。而软件是信息技术之魂、网络安全之盾、经济转型之擎、数字社会之基。桥梁专家郑皆连院士近期在一次采访中表述,中国是桥梁大国却非桥梁强国,输在了软件上”,“为什么我们还没有成为强国呢,一个计算软件不是我们的,我们现在用的软件都是国外的”,“在软件上我们还要努力,搞一些比较好的软件出来。”因此,打造民族自主品牌的桥梁“中国芯”——国产桥梁结构分析软件,是我国从桥梁大国迈向桥梁强国的重要一环。

2. 20世纪我国桥梁结构分析软件发展沿革

桥梁结构分析软件是以桥梁工程、结构力学、有限元分析等多个学科为理论基础的仿真CAE软件。20世纪60年代以前,桥梁结构分析以依靠手工运算的解析法为主。对于复杂的桥梁设计,需要消耗大量的时间,且存在较高的误差。随后,算盘、计算尺、手摇计算器和初期的电子计算器等工具的运用,一定程度上帮助工程师提高了效率。但对于桥梁工程师而言,结构分析业务的解放还要从计算机推广开始说起。

20世纪70年代末期,由交通部组织行业专家联合开发的“公路桥梁综合程序GQZJ”投入使用,实现了预应力混凝土连续梁的计算。但限于当时的硬件条件,源程序并不能长期寄存在计算机内。程序导入和数据读取均需要通过人工制作和读取穿孔纸带来完成。根据计算结果,手工绘制结构内力草图,并加以分析。

80年代后期,许多设计院将GQZJ移植到不同类型的计算机上运行并加以改进,譬如交通部公路规划设计院、北京市政院和上海市政院等。其中,覆盖率最高的GQZJ程序是由交通部公路科学研究所研发的,它是根据有限和样条有限条法解决了弯箱梁桥内力分析的难题,是当时国际学术领域是一个巨大的突破。尽管各个单位使用的GQZJ程序版本存在一定程度的差异,但为我国预应力混凝土连续梁桥和斜拉桥的发展做出了重要贡献。

20世纪90年代PC计算机迅猛发展,伴随硬件水平和操作系统的快速进步,计算机开始全面普及。我国桥梁设计单位以此为土壤,孕育了许多优秀的桥梁软件。例如广东省公路勘察规划设计院开发的“3D-BSAA”、孙广华博士开发的“曲线梁桥CAD”以及北京市政院研发的“ASBEST”等,这些软件为曲线或异形梁桥设计做出了巨大贡献。与此同时,国内高校也投入到软件研发工作中,如同济大学研发的“桥梁博士”、西南交大研发的“桥梁结构分析系统BSAS”。“桥梁博士”以其可视化性、兼容性和通用性等优点在行业内得到了广泛应用;“BSAS”以服务铁路桥梁为主,为当时铁路桥梁的建设提供了有力的技术支撑。在此后20年里,伴随勘察设计行业的高速发展,尽管国内桥梁结构分析软件也进行着不同程度的更新,但总体上由于产品多为内部使用,投入经费较少,导致更新较慢,难以满足复杂桥梁计算需求。与此同时,国外软件开始进军国内市场,韩国MIDAS/Civil”和奥地利TDV以其丰富的单元类型非线性动力力学分析优势逐渐在国内复杂桥梁的总体计算中占据主导地位。而桥梁局部复杂节点的分析,则基本采用美国的SAP2000AnsysAdina和法国Abaqus软件。

3. 21世纪我国桥梁结构分析软件发展近况

进入到21世纪,在项海帆、郑皆连等老一辈桥梁专家建设桥梁强国,国产软件决不能拱手让人国产桥梁软件急待自主品牌国产软件当自强”的爱国情怀感召下,中国桥梁人继往开来,揭开了国产桥梁结构分析软件升级优化与创新研发的新篇章。

交通运输部公路科学研究院开发的新版GQJS软件,继承了桥梁综合程序GQZJ的核心计算理念,并紧跟规范的发展陆续完善了混凝土收缩徐变计算、组合截面和新设计荷载等桥梁专业计算功能。该软件交互界面友好,具有施工监控、结果分析、计算书自动生成以及偏载系数计算等扩展应用模块。近几年,团队致力于开发基于参数化建模的精细化有限元模型解决方案,以期使用实体单元模拟混凝土、使用非线性杆单元模拟钢筋和拉索以及使用板壳单元模拟钢结构的精细化有限元模型解决方案。此外,改进后的GQJS更加适合斜拉桥与钢混组合结构桥梁的设计及施工监控计算,可满足桥梁加固设计计算需要。

西南交通大学编制的“桥梁结构空间非线性分析系统BNLAS”,该系统采用非线性有元理论,以改进的增量迭代法为非线性迭代格式,以不平衡力和相对位移误差的无限范数作为迭代收敛检查准则,考虑空间单元的大位移、大转动影响,采用高精度的方法计算单元的内力及变形。软件按施工步骤自动形成各阶段的计算图示,适用于任何桥梁结构的计算,尤其缆索承重桥梁——悬索桥、斜拉桥、悬吊斜拉混合协作体系的计算具有明显的优势。

上海慧加软件有限公司研发慧加结构分析与设计软件WISEPLUS”采用了先进的桥梁分析理论,其特色包括:七自由度梁单元分析、折面梁格分析、空间网格分析、索力优化与调整、体外预应力分析、活载影响面动态规划加载法、空间配筋等。全面解决异型桥梁(宽桥、弯桥、斜桥、变宽桥、分叉桥组合梁桥等)的空间问题(剪力滞效应、薄壁效应与各腹板的受力分配)。

中交公路规划设计院有限公司自主研发的桥梁三维非线性分析软件OSIS适用于梁桥、斜拉桥悬索桥等多种桥型,能够精确进行特大跨度斜拉桥及其他各类桥型的成桥分析及施工全过程分析。其强大的几何非线性功能实现了施工全过程非线性分析。

4. 基于BIM的全新一代桥梁结构分析软件——桥梁博士V4

上海同豪土木工程咨询有限公司经过十余载艰辛的自主研发,成功研发出基于BIM思想、面向构件建模的全新一代桥梁空间结构分析软件——“桥梁博士V4”。该软件于201810月正式发布。

“桥梁博士V4”软件创新使用“构件建模法”,实现了桥梁结构建模与有限元模型的自动生成,更贴近工程实践;还实现了桥梁计算模型的参数化表达;实现了桥梁构造、钢筋、钢束的3D可视化,桥梁建造过程的3D模拟,以及上下部结构联合计算。该软件是国内第一款真正的基于BIM思想的桥梁空间结构分析软件。

“桥梁博士V4”软件的研制充分利用现代计算机技术,完全按照桥梁设计与施工过程进行建模,密切结合桥梁设计规范,符合设计人员的习惯。软件对桥梁结构分析充分考虑了各种桥梁结构的复杂组成与施工情况,使得计算更精确;同时,在数据输入的容错性方面投入了大量的工作,提高了用户的易用性和工作效率。

研发团队从桥梁建模、计算分析和规范验算三个方面对桥梁结构分析进行了持续的创新研发和迭代优化。

1)在桥梁建模方面,充分体现了桥梁工程设计思想及施工流程特点,基于三维图形平台开发了高效的交互建模工具,图形化交互输入方式更加方便用户准确地控制和编辑模型。

软件基于“构件建模法”进行桥梁结构建模、自动生成有限元模型和后处理查询,无需在单元级别上进行操作,具有数据处理量小和建模效率高的特点。产品具备多项独创性桥梁建模新技术,包括:坐标变量式截面、板件式截面法、腹板线、支座点、索锚点、应力点等技术,以及斜拉索、腹杆输入方法;支持参数化的建模,可方便地修改模型;支持有效宽度的自动计算以及梁格自动划分建模;全面解决了任意活载类型各种组合的智能任意布载问题;提供了智能化调束、调索、主缆找形等复杂桥梁设计辅助工具。在数据处理上,数据输入全部支持图形化交互方式,直观、便捷、高效。一个分析模型可计算所有内容,包括:施工阶段、运营阶段和稳定、抗倾覆、自振模态、抗震等。

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1 “桥梁博士V4”实现了基于BIM的构件建模

2)在计算分析方面,计算内核全面支持空间三维分析。

单元类型上,涵盖了空间变截面梁单元(支持翘曲自由度的计算)、杆单元、Ernst修正索单元(适用于斜拉桥拉索)、悬链线索单元(适用于悬索桥主缆)、线弹性连接单元(适用于板式橡胶支座等)、任意非线性弹性连接单元(适用于单向支承)、双线性塑性连接单元(适用于减隔震支座和塑性铰等)、线性阻尼器单元(适用于阻尼器等)。

力学分析类型上,涵盖了线性静力分析、影响线及影响面分析、屈曲分析(适用于第一类稳定)、模态分析(适用于冲击系数、人行桥自振、地震等)、 反应谱分析(适用于抗震)、 线性时程分析(适用于抗震、人致震动)、几何及材料非线性静力分析(适用于抗震、大跨桥梁)、几何非线性及材料非线性时程分析(适用于抗震、人致震动)和自动计算连续梁中间支撑处弯矩削峰等。

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2 “桥梁博士V4”计算内核全面支持空间三维分析

3)在规范验算方面,通过数字化的规范库,最大程度上实现了规范的参数化表达、自定义配置、智能化应用,已全面支持国内现行公路、铁路、市政、城市轨道行业相关的桥梁规范,涵盖混凝土、钢桥、钢-混凝土组合梁、钢管混凝土拱桥、波形钢腹板、基础以及抗震、抗风、斜拉桥、悬索桥等规范;部分力学效应的计算分析引入了英国BS5400规范、美国规范、新西兰NZBM2003规范等多个国外规范的先进理念。

支持抗倾覆验算、支座脱空验算、撞击分析、超载分析、整体稳定分析等专项分析,可实现桥梁上下部结构联合计算并自动进行基础验算。此外,软件具有全面、系统展示计算结果的输出图表,更符合桥梁专业习惯;支持软件界面成果输出图表和计算书报告的内容自定义和排版格式自由定制,可根据设计院习惯或项目需求制作个性化的计算书。

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3 “桥梁博士V4”可实现上下部结构一体化计算

5. 展望

面向未来,民族自主品牌的桥梁结构分析核心引擎的持续创新及广泛应用是桥梁强国建设进程中关键核心技术的重点之一。随着计算机技术的不断发展,国产桥梁结构分析软件正逐渐突破计算速度和计算规模的限制,在计算精度上,朝更精确的板壳理论应用方向发展;在工程实践应用上朝系统性结构性能分析方向发展;在结构风险控制上,破坏分析方向发展。由于工程运算大,基于“桥梁博士V4”核心引擎和计算技术数字化桥梁结构分析实验室正在进行建设,目前已初步建成“大件运输桥梁安全评估系统”并陆续部署应用。桥梁强国建设进程中肯定会遇到种种困难,但我们坚信在不久的将来,桥梁“中国芯”——以“桥梁博士V4”为代表的国产桥梁结构分析软件势必会为我国迈向桥梁强国提供强力支撑、贡献巨大力量。

 

参考文献

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[10] 周宗泽,易建国,石雪飞.可视化桥梁结构设计软件-桥梁博士系统[J].上海:同济大学学报.1999.

 

作者:韩厚正郭政瑞

韩厚正上海同豪土木工程咨询有限公司CEO。毕业于同济大学,十余年来一直从事土木工程信息化和软件研发创新工作,尤其致力于桥梁工程的智能化设计与信息化建造,公路工程的BIM技术研究、软件系统研发及推广应用。担任交通运输部建筑信息模型(BIM)技术应用交通运输行业研发中心(云南省交通规划设计研究院)研发中心副主任、上海市建设工程评标专家、上海建筑信息模型技术应用推广中心专家、上海市软件行业协会理事、上海市计算机行业协会理事等社会兼职。

 

审核:潘春华张子龙

 

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