香山科学会议发言稿

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