用于既有钢筋混凝土桥梁抗震评估的基于图层的CAD-to-FEM工作流

《Applied Sciences》：A Layer-Based CAD-to-FEM Workflow for Seismic Assessment of Existing Reinforced Concrete Bridges

　　

摘要：既有钢筋混凝土（RC）桥梁的数值建模是抗震易损性评估中最耗时且最依赖操作者经验的阶段之一。尽管先进非线性分析程序已广泛应用，有限元（FE）模型的生成仍通常通过手动操作完成，限制了建模效率、可重复性以及设计与分析环境之间的互操作性。本文提出了一种基于图层的CAD-to-FEM工作流，用于结构化生成既有RC桥梁的简化有限元模型。该研究方法采用标准化的基于图层的CAD组织以及与MIDAS Civil的直接DXF互操作，将桥梁的质心线表示转换为简化的基于梁单元的有限元模型。桥梁构件的质心轴从原始工程图纸中提取，并分类归入专属结构图层，为后续有限元模型生成提供了结构化基础。所提出的工作流旨在通过标准化CAD图层组织结构几何信息，减少手动预处理操作并提高建模一致性，从而促进用于抗震评估的分析就绪模型的生成。该工作流与多模态推覆分析（MPA）程序集成，以评估具有多个显著振动模态的桥梁的抗震易损性。一项涉及意大利既有RC桥梁的案例研究证明了在涉及延性和脆性倒塌机制并通过地震风险指数进行评估的多模态非线性抗震评估中采用所提出的简化建模策略的可行性。该工作流为将传统工程图纸与非线性抗震评估程序集成提供了一个结构化框架。

**基于图层CAD-to-FEM工作流的既有钢筋混凝土桥梁抗震评估——论文解读**

**1. 研究背景与问题**

既有钢筋混凝土（RC）桥梁的抗震性能评估已成为全球基础设施管理的重要议题，特别是对于在现代抗震规范颁布之前设计的结构。大量既有桥梁建于20世纪60至70年代，普遍存在抗震构造措施不足、材料退化以及维护需求日益增长等问题。因此，可靠且高效的数值分析程序对于支持维护规划和风险缓解策略至关重要。尽管先进的非线性分析程序已广泛应用，但有限元（FE）模型的生成仍主要依赖手动操作，这一过程耗时且高度依赖操作者经验，严重限制了建模效率、可重复性以及设计环境与分析环境之间的互操作性。当前，诸如BIM-to-FEM、Scan-to-BIM和数字孪生等先进数字化方法虽代表了重要进展，但通常依赖于详细的信息模型、点云数据或专用识别算法。然而，大量既有桥梁仍主要以传统工程图纸作为主要文档形式。对于基于简化FE模型的整体抗震评估而言，重建高保真信息模型并非总是必要。因此，需要一种轻量级、标准化的程序，能够将传统工程图纸高效地转换为结构清晰、可直接用于分析的数值模型，以弥合工程图纸与非线性抗震评估之间的鸿沟。

**2. 研究内容与结论**

针对上述问题，研究人员提出了一种基于图层的CAD-to-FEM工作流，专门用于既有RC桥梁。该方法的核心理念是将桥梁结构简化为质心线表示，并利用标准化的图层组织在CAD环境（AutoCAD）与分析环境（MIDAS Civil）之间建立直接的DXF互操作，从而结构化地生成基于梁单元的简化有限元模型。该工作流旨在减少手动预处理操作，提高建模一致性，并为系统化桥梁评估提供框架。为验证其可行性，研究人员将该工作流应用于意大利北部一座既有RC公路桥梁，并将其生成的FE模型集成到多模态推覆分析（MPA）框架中，同时考虑延性和脆性两种倒塌机制，通过基于规范的地震风险指数评估其抗震性能。研究结果表明，该工作流能够有效地从传统工程图纸生成分析就绪的简化模型，并可直接用于先进非线性抗震评估。案例桥梁在延性机制下满足安全要求，但脆性剪切机制在横桥向控制其抗震易损性，凸显了在多模态评估中明确考虑多种失效机制的重要性。该研究的意义在于提供了一种标准化、轻量级的图纸到分析流程集成框架，而非提出新的CAD-to-FEM互操作技术。

**3. 关键技术方法**

为开展此项研究，研究人员采用了以下关键技术方法：(1) **基于图层的CAD预处理**：将原始AutoCAD工程图纸中的桥梁构件（主梁、桥墩、盖梁、支座等）以质心轴形式提取，并按结构功能分类至专属CAD图层。(2) **DXF数据交换**：通过DXF文件格式实现CAD环境与MIDAS Civil之间的直接几何信息传输，使各图层自动关联至相应的有限元单元类型。(3) **MPA非线性评估框架**：采用多模态推覆分析（MPA）考虑多个显著振动模态的贡献，并结合能力谱法（CSM）确定性能点。

**4. 研究结果**

**4.1. 案例桥梁模型生成与模态分析**

研究人员将所提出的工作流应用于意大利北部一座由两幅独立十五跨简支梁组成的高速公路RC桥梁。通过CAD预处理和DXF导入，成功生成了基于梁单元的FE模型。特征值分析表明，该桥梁的动力响应由多个振动模态共同控制，而非单一主导模态（第一阶模态周期为2.63秒，以横桥向为主；第二阶模态周期为1.84秒，以纵桥向为主），证实了采用MPA而非传统推覆分析的必要性。

**4.2. 非线性模型定义与MPA分析**

通过弯矩-曲率分析确定塑性铰参数，依据FEMA 356定义弯矩-转动本构关系，并基于规范公式计算各桥墩的剪切抗力。MPA分析中考虑了参与质量大于1%的所有振动模态，对各模态独立进行推覆分析，并在ADRS域确定性能点，最后通过完全二次组合（CQC）规则组合模态响应。迭代增加谱强度直至首个构件达到极限状态，确定相应的倒塌加速度（PGAC）。

**4.3. 地震风险指数评估**

根据意大利建筑规范（NTC 2018），分别计算延性机制和脆性机制下的地震风险指数。结果表明，该桥梁在两个主要方向上均满足延性机制的安全水平；然而，由于横向构造钢筋不足，脆性剪切机制在横桥向控制桥梁的抗震易损性。

**5. 讨论与结论**

讨论部分指出，所提出的工作流有效地区分了几何建模与结构分析阶段，通过标准化CAD图层组织显著减少了模型转移阶段的手动操作。研究也承认其局限性，包括案例研究的单一性、缺乏与独立参考模型的定量基准对比、未量化的建模假设影响（如横梁的等效节点荷载处理、基础固结假设及支座线弹性模拟），以及质心线生成步骤仍依赖人工判断。未来工作将聚焦于方法的通用性验证、与BIM和点云技术的集成、以及建模效率的量化评估。

研究结论翻译如下：本文提出了一种基于图层的CAD-to-FEM工作流，用于结构化生成既有RC桥梁的简化有限元模型。该方法结合了质心线几何建模、结构构件的图层化组织以及与MIDAS Civil的直接DXF互操作，为数值模型生成提供了标准化程序。通过概念验证应用证明，生成的FE模型可直接用于已建立的多模态推覆分析框架中，能够通过基于规范的风险指数评估延性和脆性两种地震倒塌机制。图层化组织旨在减少模型生成过程中依赖操作者的步骤，并提供CAD与FE环境之间更标准化的结构信息传递。所提出的工作流代表了一个将传统工程图纸与先进非线性抗震分析集成的有效框架，为未来迈向更自动化数字评估程序奠定了坚实基础。然而，该方法对大型或异构桥梁库的可扩展性仍有待量化验证。