桥梁结构分析技术应用研究

桥梁结构分析技术应用研究

许洪珠

临沂市公路工程总监代表处山东临沂276000

摘要：文章介绍了桥梁结构分析的相关知识和研究状况，进行结构设计和力学分析所需要具备的基础理论知识、专业知识和国家有关标准规范的规定，进行桥梁结构设计的主要设计和分析软件。

关键词：桥梁；结构分析；应用研究；设计

1结构分析技术的发展

结构分析是对结构在承受预计荷载及发生外部变化如支座移动及温度变化时所进行的预计分析，它是结构设计过程中必不可少的一个环节。

1.1相关概念

结构是建筑物中承担荷载作用的骨架部分。如果一个结构可以传递任意形式的荷载，则称为稳定结构，否则称为机构。结构分析是结构设计的理论基础和重要前提条件，它为结构设计提供必要的数据，如位移和内力。其研究对象除经典结构力学的杆系结构，还涉及板壳结构等，但杆系结构是最基本且工程应用最广泛的结构[2]。

桥梁结构分析是通过桥梁设计资料的汇集，提炼出结构分析条件，然后运用结构分析理论和方法，进行结构计算，最后对计算结构进行判断、审核，将取舍后的数据转换成有用的设计数据，用以评估桥梁性能和结构优化的全过程。结构分析条件包括自然条件、技术条件和假设条件。自然条件指桥位处的水文、地质、地形和气象等；技术条件是桥梁上通过的车辆等各种荷载的技术要求，它由建设主管部门通过设计任务书下达；假设条件是对分析对象的结构模式、边界约束条件、工作状态等进行的假定[3]。

1.2发展状况

第二次世界大战后，电子计算机和有限元法的应用逐渐传入土木工程界，使桥梁结构分析进入了基于计算机的时代。20世纪60年代，现代有限位移理论的建立，使计算机前时期中十分困难的非线性分析变得简捷，为大跨柔性缆索承重桥梁的设计提供了有力的分析手段。1970年，美国加州大学伯克利分校率先推出结构分析通用程序SAP，随后ANSYS公司也推出了自己的结构分析通用程序。20世纪80年代，微型计算机的出现使计算机开始真正成为现代土木工程设计必不可缺的工具。

进入90年代，在我国公路交通大发展的大好形势下，国内的桥梁结构分析也已经取得了迅猛发展。我国从20世纪70年代末开始开发完成了第一代桥梁专用综合程序。随后，交通部重庆公路科学研究所也做了大量的工作，完成了桥梁结构分析程序。但由于受当时计算机技术的制约，程序的计算规模和计算功能都有一定限制。目前国内使用较多的知名桥梁结构分析软件有：同济大学开发的桥梁结构线性非线性分析综合程序系统BAP，中交公路规划设计院桥梁开发的QJX，西南交通大学开发的BSAS，交通部公路科学研究院开发的GQJS等[4]。这些桥梁结构分析程序推动了我国桥梁建设事业的发展，但是由于受到开发方法的局限，这些传统的桥梁计算专用程序在可维护、可重用和可扩充方面，以及在方便用户数据输入方面，都不同程度地存在弊端。

2进行结构分析应具备的知识

桥梁工程是土木工程的分支，交通运输需求的持续快速增长对桥梁工程的发展提出了要求。桥梁工程的灵魂是设计，设计的关键是桥梁结构分析，作为桥梁设计师必须具备扎实的基础知识和专业知识。

2.1必备的基础知识

进行桥梁结构设计和力学分析需要掌握以下学科的理论知识：高等数学；普通物理；普通化学；理论力学，包括静力学、运动学、动力学；材料力学；流体力学；结构设计，包括钢筋混凝土结构、钢结构、砌体结构；结构力学；结构试验；土木工程材料；工程测量；土力学与地基基础。这些是结构设计和分析的基础理论知识。新时期的结构分析师和桥梁设计师要掌握全面的知识，特别是在计算机和相关软件高速发展的信息时代，必须掌握计算机应用知识以及电气和信息方面的知识。

桥梁结构设计师还应懂经济和管理，掌握以下学科的知识：工程经济，土木工程施工与管理。此外还要熟悉相关法律法规，如中华人民共和国建筑法、中华人民共和国安全生产法、中华人民共和国节约能源法、中华人民共和国环境保护法、建设工程勘察设计管理条例、建设工程质量管理条例、建设工程安全生产管理条例，依法从事相关业务。

2.2专业知识和标准规范

进行桥梁结构分析应具备的专业知识有：以概率理论为基础的结构极限状态设计方法的基本概念，建筑结构、桥梁结构和高耸结构的技术经济，建筑结构、桥梁结构和高耸结构的荷载分类和组合及常用结构的静力计算方法，钢、木、混凝土及砌体等结构所用材料的基本性能，主要材料的质量要求和基本检查、实验方法，材料的选用和设计指标取值，建筑结构、桥梁结构及高耸结构的施工技术，防火、防腐蚀和防虫的基本要求，防水工程的材料质量要求、施工要求及施工质量标准等。

进行公路桥梁结构分析应熟悉相关的标准规范，如《公路工程技术标准》（JTGB01-2003），《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004），《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004），《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000），《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007），《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）等标准规范。

2.3桥梁设计和结构分析软件

桥梁设计工程师从事桥梁设计和结构分析必须掌握相关的软件，目前桥梁结构分析的要求越来越高，依靠手工计算分析和设计，需要完成的工作量过于庞大。在计算机技术突飞猛进的今天，桥梁设计工程师急迫需要具备桥梁结构分析与设计软件的应用能力。结构设计分析软件主要有SAP、Midas、ADINA、ANSYS等。

国内最初的桥梁专业程序代表是交通部组织专家在1978年联合开发的《公路桥梁综合程序》（GQZJ），著名的桥梁结构分析软件主要有交通运输部公路科学研究院推出的《公路桥梁结构设计系统》（GQJS），以及交通运输部公路科学研究院和山东省交通厅公路局、山东省公路桥梁检测中心联合开发的《桥梁结构检测分析系统》（QLJC）[5]，国内市场占有率最高的是同豪土木工程咨询有限公司开发的《桥梁博士》（Dr.Bridge）。国内主要桥梁结构设计软件见表1[6]。

3结论与展望

中国是桥梁强国，桥梁建设在我国正方兴未艾，桥梁技术也必将会不断发展。展望未来，桥梁结构分析技术发展重点：桥梁结构分析是桥梁技术的关键，这一核心技术离不开桥梁结构分析软件，发展设计绘图一体化和功能更强大的结构分析软件将是今后桥梁结构分析的一个重点。

参考文献：

[1]建设工程勘察设计市场管理规定[S]．北京：中华人民共和国建设部，1999.1.

[2]王新堂．计算结构力学与程序设计[M]．北京：科学出版社，2000.7.

[3]肖汝诚．桥梁结构分析及程序系统[M]．北京：人民交通出版社，2002.11.

[4]郭良久.桥梁结构分析系统的研究与实践[D]．重庆：重庆大学，2006．

[5]崔亚楠、陈可、陈云海、吕建鸣.桥梁结构分析软件应用介绍[J]．公路交通科技，5.

作者简介：

许洪珠（1968-）男，汉族，山东省兰山区人，高级工程师，大学学历，毕业于山东工业大学水利水电工程建筑专业，研究方向为公路与桥梁工程。