关于桥梁结构计算

关于桥梁结构计算分析

摘要：结合当代桥梁计算技术的发展，从桥梁结构工程师的角度分析指出桥梁计算从属于和促进了精细化设计。分析计算工作的层次性和动态性特点，强调结构分析的人员对结构概念的掌握尤其重要。指出计算工作需要策划，不同的桥型有其侧重点，计算应有针对性的提出解决方案，并建议了计算工作的一般流程。就具体实施而言，工程计算应该立足于现有的软件硬件资源。探讨如何对待软件工具和判断调试计算结果，总结了一些分析判断经验。通过列举特定案例计算内容和解决思路，给桥梁计算工作同行起到抛砖引玉的作用。

关键词：桥梁结构分析解决方案思路

1前言

我国的桥梁建设发展迅猛，其规模和科技水平已紧随世界先进行列。基于有限元方法的软件技术也日新月异，计算已经和理论，实验一起，并列为三大科学方法之一。随着桥梁跨度记录不断刷新、新的结构体系和组合材料的应用以及施工工艺的发展，计算分析不断遇到新的需求和挑战。桥梁结构计算往精细化方向发展，桥梁结构计算面临复杂化。例如逐步抛弃偏载系数的概念，采用空间影响线（面）求解活载效应，梁、板和实体单元以及混合模型广泛应用，计算模型的自由度和机时都在不断增加。例如超长拉索结构的非线性问题及施工控制、钢筋混凝土结构开裂非线性分析、墩水耦合振动分析、钢桥细节构造的疲劳分析[1]、钢砼组合结构细部分析[2]、基于并行计算技术的车桥耦合分析[3]、数值风洞计算等，这些问题都相当复杂。

桥梁计算从属于和促进了精细化设计。桥梁设计工作涉及项目需求分析，功能定位，美学，经济性，安全性等要求，以及桥址地形、地质、气象、通航、行洪、地震、道路、管线等其它桥址环境约束和施工条件的应对。桥梁计算工作是为设计服务的，计算分析主要解决结构受力性能问题。有些结构设计也开始提出稳健性、敏感性、冗余度、宽容度和可维护性方面的分析内容，属于设计思路主导的具体方法。精细化计算与新材料应用一样，使桥梁设计水平得到长足的进步。以下从桥梁结构工程师的角度谈谈计算工作的一些特点和认识。

2计算分析的特点

计算工作具有层次性特点。桥梁设计的各个阶段如前期可行性研究（概念设计），初步设计方案策划，专项技术设计，施工图设计，后期服务涉及到的计算工作有其层次性特点，可以大致划分为概略计算、详细计算、施工控制计算以及专题研究包括的计算等方面。不同阶段应该抓住面临的不同问题，要把握好计算的规模程度，权衡耗费机时和计算精度。比如钢结构稳定问题应先区分结构层次的、构件层次的和板件层次的稳定性三个层次，再针对设计阶段采用合适的模型解决方案。斜拉桥概略计算可按照一次落架进行成桥状态优化目标求解，而在详细计算则必须进一步完善施工阶段索力求解。

计算工作具有动态性特点。设计过程往往是动态的。例如索结构对恒载的变化较为敏感，悬索桥主梁恒载影响吊索力、主缆线形、索夹和索鞍图纸几何尺寸等，与设计同步跟进的计算需要

进行及时调整和反馈。计算工作的纳总与具体分解需要注意信息沟通的及时性，流畅性，与设计同步做好衔接，提高效率，建议做好模型日志和增量备份。

不同参与方对计算的关注点不同。桥梁计算的各参与方，如结构设计，咨询优化，施工监控，检测评估等各方的计算工作都有不同的侧重点。设计阶段计算侧重于结构安全性，设计合理性和施工工艺可行性，计算应该与设计阶段紧密跟进和互动。咨询优化计算相对独立，来自外部的独立核查侧重复核控制性成果的一致性和提出优化建议等。监控阶段是辅助施工和具体体现桥梁设计思想和意图的一个过程。监控阶段的计算属于施工的范畴。一般重点关注的是偏差的调整和安全性控制，具体包括现场量测，参数识别与误差分析，预测和控制手段等内容。检测评估工作包括建立测试系统和选取测试方法，其计算涉及到关键部位的选取，影响线计算与加载方案，实测与理论计算的校验系数评判等方面。此外，来自施工期和运营期的结构实测结果的信息反馈可验证此前理论计算，或反思先前认识的不足进行，汲取教训。

3计算分析与结构概念

从事结构分析的人员对结构概念的掌握尤其重要，基本概念贯穿于计算分析全过程。整体把握结构体系，排除可能的错误，都依赖于概念的掌握和综合应用。使用软件可以加深对结构概念的认知，例如对结构几何刚度概念的理解，可用程序建立尽量简单的模型，如模拟单摆或一根张紧的弦的一阶频率，与理论公式核对一下结果，达到验证程序正确性的同时熟悉程序操作。

又例如索鞍顶推概念，其实质是通过主缆跨度的改变来改变索塔两侧主缆的内力以及主缆的水平倾角，从而消除或减小两侧主缆的不平衡水平力。顶推时鞍座的移动量很小，主要是塔顶向鞍座的移动，顶推量是两者距离的减小量。从基本概念出发，研究了索鞍结构力学模型的处理方式：通过设置水平刚性连杆，通过降温方式实现索鞍和主塔顶相对移动。通过多次激活和钝化索鞍和塔顶的连接部位实现三个方面的模拟，即索鞍偏心竖向荷载传递，索鞍顶推期间位移控制，索鞍锁定期间水平力传递等。

图1 索鞍顶推模型图2 罗文大桥图

桥梁结构内力状态与施工过程紧密联系，所以施工过程计算是必须的。很多情况下可以对结构内力进行主动调整，例如通过施工索力调整达到斜拉桥恒载状态目标，连续刚构桥通过跨中合龙前顶推调整墩柱内力，钢砼组合梁通过支座反力调整梁的弯矩，拱桥合拢前线形的调整等。罗文大桥（见图2）设计过程中，为了改善边跨混凝土三角刚架斜腿的内力，分析其最敏感因素在于减小梁端部交界墩上支座恒载反力和系杆力，通过在交界墩位置设置较小刚度的临时支架，调

整了三角刚架段的弯矩，得到受力比较均衡的成桥内力状态。

4计算分析的策划

结构设计需要做好计算工作的策划。结构分析解决方案首要的任务是问题的定义，即分析目的何在？选择什么软件？建立多大规模的模型？我们可以根据其层次性拟定计算规模，在完成一般要求计算内容的同时，结合结构特点有针对性的提出其它计算内容，抓住核心因素进一步深化解决所提出的问题。不同的桥型有其侧重点，例如PC梁桥总体计算主要是钢束同恒载、活载的平衡，拱桥最基本的计算工作是拱轴线优化和稳定分析，斜拉桥计算的核心是索力问题，悬索桥最基本的计算工作是缆索系统。

计算工作一般流程包括收集案例的基本资料，收集和阅读相关文献，类似结构受力行为的基本认识，问题的定义与解决方案，建模工作（工作日志，增量备份)，计算分析与评判，计算与设计的互动，整理和提交计算成果，外部独立复核，施工和运营期间的信息反馈，经验的总结。

工程计算应该立足于现有的软件硬件资源。精细化分析要求的自由度规模在不断加大，怎么办？除了可以采用边界条件的对称性缩减单元数量，采用自适应网格划分功能或者采用子结构方法增加计算效率之外，可利用圣维南原理建立局部模型，缩减计算规模。为了详细对比计算悬索桥钢箱梁顶板U肋过焊孔部位的不同细节形式的应力集中问题，文献[1]建立总体模型和其它3个层次的板壳局部模型，局部模型依次缩窄范围，依次传递边界力和细化网格，达到缩减计算规模的目的。

如何对待软件工具？通用有限元软件是科学技术从特殊到一般的归纳推理的体现，桥梁计算是使用软件工具从一般到特例的演绎应用。常见的软件工具包括MIDAS，ADINA，ANSYS，ABQUS，SAP，RM，LUSAS等大型通用软件，以及桥梁博士，GQJS，SBSAS，NBLAS，BAP，QXLJS等专用软件。各种软件有相应的长处和不方便之处，设计人员应该有所把握，通用程序和专用程序在一定程度上有所互补。对具体的问题，要具体分析，再选择较合适的软件。通过合适的计算模型揭示结构受力行为，如力流传递的规律，失效模式，评判结构设计的合理性。对不熟悉的软件，使用人员应该首先掌握软件功能及其理论基础，可通过建立简单模型，通过理论解或者不同软件数值解相互核对，从而熟悉使用该软件。

在熟悉软件计算原理，确保数据输入的准确性的同时，应该主动判断输出的数据。软件是积累的技术精华和物质工具，电脑输出的数据只有经过判断才能成为信息，信息加以提炼可以成为知识，知识的融会贯通就成了智慧。对计算输出结果的分析和判断能力是人的主观能动性的体现，需要积累一定的经验和技巧。失去人的主观能动性，单元和节点本身毫无意义，计算工作应该充分发挥人的主观能动性。

如何对待计算结果？验证分析的结果，在任何有限元分析中无疑是最为重要的步骤。明显的结果异常应视为无效的分析结果，应通过模型调试排除可疑的分析结果。下面通过举例谈谈排错的一些经验。（1）遇到结果奇异时可考虑将模型范围缩小进行调试，例如将模型减半法，从而逐