《桥梁结构计算分析和设计》(Computational Analysis and Design of Bridge Structures)是由美国马里兰大学土木和环境工程系桥梁工程软件和技术中心的主任/研究教授/桥梁顾问 Chung C. Fu 先生，和他的同事 Shuqing Wang 博士共同撰写，出版于2015年。该书以具有桥梁工程基础知识的学生为对象，介绍了不同桥型结构分析的建模和计算方法。
这本书不仅提供了全面的桥梁结构分析方法论，还向我们展现了桥梁结构分析的未来。如果作者的展望都能成真，那么20年后再看今天的结构分析，就象我们今天看上个世纪用纸带机编程的工程师一样久远。
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19世纪末、20世纪初，结构分析和材料科学都经历了巨大的变化。在此之前，桥梁这种人工结构实际上是艺术作品，而非科学和工程产物。结构理论并不存在，结构知识极为有限。因此，那个时代设计的桥梁，几乎全部是基于过去的经验。若控制结构行为的原理能被更好的理解，基于这些原理的计算就能成为结构设计决策中的指南。同时，随着主要桥梁材料，混凝土和钢材的出现，桥梁设计逐渐成为了科学，而非只是艺术创作。
尽管纤维增强复合材料(FRP)逐渐开始在基础设施中起作用，混凝土和钢材依然是桥梁的主要材料。混凝土和钢材可以构建不同形状和不同结构类型的桥梁。美国国家桥梁档案库(NBI)显示，在2012年，美国拥有607379座高速公路桥梁，其中包括：403072座(72.12 )为板式、梁式、框架式桥梁，10649座(1.75 )为桁式桥梁，7125座(1.17 )为拱式桥梁。只有45座(0.01 )为斜拉桥和96座(0.02 )悬索桥。另外一种独特的类型流行于沿海地区，为可活动桥梁。可活动桥梁包括提升式、双翼式（开启式）、和翼展式（旋转式）类型。在美国共有840座(0.14 )这种类型的桥梁。美国高速公路桥梁的平均寿命为43年。相比之下，76000多座铁路桥梁的寿命则要长一些。
对于新建桥梁，设计过程由4个基本阶段构成：概念设计、初步设计、构造设计、和施工设计。概念设计给出可行桥梁方案，并决定其中的一个或多个可进一步考虑。初步设计选择其中最佳的方案，并估算费用。构造设计确定桥梁结构中的所有构造。最后，桥梁建造中的每个步骤都在施工设计中给出。每个设计步骤都需考虑后续步骤的需要。例如，桥梁施工的可行性需在构造设计中考虑；另外，费用和施工进度，以及美观也必须在初步设计中加以考虑。美国的既有桥梁每2年进行一次检测和荷载评级。
桥梁结构分析，即本书的主题，在上述4个阶段中都很重要。不同阶段可采用不同的建模技术，从手算到近似方法，再到精细方法。施工可行性，特别是超大跨径桥梁的施工可行性在本书中被讨论和论证。施工中的关键阶段的各个方面，如变形、混凝土和钢的强度、稳定性分布于第4章到第12章，14章，15和17章中。
桥梁的结构分析和计算机辅助设计(CAD)伴随着计算计技术同步发展起来。许多基本分析方法或算法是基于1970年代的大型机或微型机形成的。当有限元方法引入到桥梁工程中，特别当基于微机的FEA软件在1980年代应用以来，桥梁的结构分析方法和工具极大进步。许多过去不采用近似或简化假设就不能解决的复杂问题，不再是桥梁工程师的难题。在计算机图形和数据库计技术广泛应用的1990年代后，桥梁工程中的计算机应用进一步发展到了计算机辅助制图的程度，在结构分析和规范审核的文字报告之外，还可以提供一套构造图纸。
在21世纪的最初10年，包括计算机软硬件、广域网通信、平行计算在内的技术极大进步。这使得桥梁分析和设计工具从2维简化模型发展到了3维细节方法，从原始终端类型的操作变为图形用户界面。许多非线性问题在日常桥梁结构分析中得以研究。细致的施工过程得以逐步模拟。许多大型商用FEA供应商已经具有了多功能FEA系统，可覆盖桥梁分析和设计中的特殊问题。更复杂的3D图形建模工具在设计公司和院所中应用起来。
近年来，计算机和图形硬件飞速发展，包括：多核处理、3D渲染和可视化、快速浮点计算速度，和大内存等，已极大提升桥梁工程中计算机技术的应用潜力。于此同时，基础软件技术，如系统开发和集成、并行编程、3D图形建模和虚拟现实，数据库和地理信息系统、互联网通信、云计算，已经准备好给工程应用带来革命性的变化。尽管桥梁分析和设计的计算机应用已有很大的发展，但其进步仍远远落后于基础技术，与其它领域的应用相比还不同步。当前桥梁软件为工程师提供了分析和设计的典型过程：(1) 建立和分析桥梁力学模型；(2) 基于分析结果对各部件做设计规范复核；(3) 在必要时调整部件尺寸或调整结构形状。桥梁工程师和交通管理者期待着一个新的计算机技术应用的时代到来。
基于前述技术条件和未来潜力，高性能计算机硬件和高级软件技术为新一代设计和设计系统提供了一个前所未有的机遇，不仅新桥桥设计，既有桥梁的常规荷载评价和维护，都将受益于此。桥梁分析和设计在多个方面具有极大的提长需求。
首先，繁重的桥梁力学日常建模工作将完全自动化。桥梁工程师得以从事更具创造性的工作。利用现代数据库和可视化技术，建立真实工程的工程模型将成为桥梁软件系统的核心。显然，工程模型要比抽象的力学模型更复杂，然而当面向常用桥型时，这个目标却是可实现的。一旦工程师模型成为核心，工程师界面将只是在3D视角中编辑参数，使虚拟桥梁工程实时反映参数改变。
如图18.26所示，工程师可从路线到梁立面，完整描述一个桥梁工程。现代可视化技术可在虚拟项目中为工程师提供瞬时的尺寸变化效果。比如，工程师可点击图18.26中的钢板，一个数据表单马上弹出来，可据此确认或改变其尺寸定义。当需要进行一种特定类型的分析，会有一堆问题需要回答，如“什么类型的分析模型合适？”、“如何建立所需要的FEA模型”，此类问题将不再是工程师主要关注的。工程模型中所需要的FEA模型将自动、瞬时建立起来。分析结果将直接、瞬间在工程意义上表达在工程模型中，如以彩色表面渲染的方式反映荷载评价，而不再是普通的力学数值。
其次，作为关键基础设施的一部分，桥梁全寿命管理和对每个构件的追踪是非常重要的。基于上述工程模型，恒载历史、部件几何形式和位置变化、外形和劣化改变、以及自修建以来任何部件的修复都应记录下来。运营活载应按实际交通量和速度实时模拟。在设计活载分析获得的极值之外，每个关注点均应具有基于模拟运营交通得到的统计峰值。在一定时间段时聚集了桥梁历史后，桥梁工程师、检测工程师、项目管理者可对即将发生的行为给出预测，以避免灾难性的破坏或高额的维护修复。
最后，桥梁作为国家交通网络中的关键节点，工程师或管理者应能够概览一个广大地理区域中桥梁的健康状况。现代GIS技术，包括：地图、卫星和空间成像、空间数据处理、以及大面积区域交通网络等，应集成到健康监测系统中。由于每座桥梁都具有实时历史关联的工程模型，管理层提出的特殊查询就能够得以处理。比如，从结构安全角度调查从A点到B点进行特殊运输的最佳路线，或者了解特定区域内卡车炸量袭击下最易受损的桥梁。管理信息，包括：桥梁安全条件、维护桥梁的资金分布，以及未来修复的预测等，均应在地图上得以展示。云计算技术的进步也会极大影响不久将来桥梁工程中的计算机应用。
在翻译本章时，一位一线工程师朋友发来链接——美国到底有多少钢桥？，是他和同事们对2015年NBI的调查研究成果。附于此供参考。提示：注意文中的数据可视化、结论分析。
