橋梁三維極限破壞分析

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陳鵬宇(Peng-Yu Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

橋梁三維極限破壞分析

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摘要(中)

摘要
現今世界先進國家耐震設計均朝向性能設計發展，相較於傳統耐震設計以結構所引致地震力為設計基礎，性能設計則以地震作用下結構性能表現為基礎，然而如何準確地預測橋梁各構件於實際地震下之耐震性能，以目前傳統結構動力分析技術，仍存在相當大的難度。
本研究採用了新近發展適用於處理大變形、大變位、材料非線性與剛體運動等問題之向量式有現元素法(Vector Form Intrinsic Finite Element , VFIFE)，向量式有限元素法可以同時考量橋梁於極限狀況下，各構件進入非線性之動力行為，如大梁間的碰撞、柱底塑鉸、橋面板掉落、防落拉桿斷裂以及最終崩塌情形。
過去VFIFE使用雙線性彈簧元素(Bilinear Spring)模擬所有非線性行為，即構件受力達一定強度，全斷面降伏並同時進入塑性行為，但此行為無法精準模擬真實斷面由外至內依序降伏之實際情況。故本研究引入纖維元素法(Fiber Element Method)於空間向量式有限元素法，以纖維元素之應力應變數值計算準確模擬塑鉸達極限破壞之高度非線性行為，配合Newmark-β法增量迭代計算程序，並經由算例分析，證實所發展之新元素與新分析方法之正確性。
本研究於空間向量式有限元素法中，建立橋梁三維非線性結構動力分析模型，以一座三跨隔震支承連續梁橋為目標橋梁，進行參數分析探討於三種不同測站之強震下，橋墩柱底塑鉸分別使用纖維元素與雙線性彈簧元素時，橋梁防止落橋裝置與支承、橋墩間之相互影響關係，並探討橋梁於地震發生時在極限狀態下之破壞模式。

摘要(英)

ABSTRACT
Lately, modern bridge seismic design has been developed toward the seismic performance design on whole bridges as well as their elements. Based on the traditional dynamic analysis, it is difficult to predict the performance of the components of bridges, such as bearing, unseating prevention devices, and columns.
The Vector Form Intrinsic Finite Element (VFIFE) is superior in managing the engineering problems with material nonlinearity, discontinuity, large deformation, large displacement and arbitrary rigid body motions of deformable bodies. The VFIFE is thus selected to be the 3-D analysis method in this study. It is easily to predict the nonlinear behavior of bridges subjected to extreme earthquakes, such as impact between girders, plastic hinge, unseating of decks, fracture of unseating prevention devices, and collapse situation.
In order to analyze the real condition of the section, this study is aimed to develop the new model of Fiber Element that using stress-strain relation in plastic hinge zone to simulate high-degree nonlinear behavior of bridges by strong motion. Implicit time integration method (Newmark-β) is adopted to renew the iteration type of Fiber Element Method to calculate the element internal force. Finally, this study analyzes a three-span-continuous isolated bridge to investigate the extreme functions of the columns and unseating prevention devices between Fiber Element and Bilinear Spring, and predict the collapse situation of the target bridge.

關鍵字(中)

★ 空間向量式有限元素法
★ Newmark-β直接積分法
★ 纖維元素法
★ 極限狀態
★ 橋梁

關鍵字(英)

★ 3D VFIFE
★ Newmark-β method
★ Fiber element
★ ultimate state
★ bridge

論文目次

目錄
摘要……………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………….II
致謝……………………………………………………………………III
目錄……………………………………………………………………IV
表目錄………………………………………………………………VIII
圖目錄…………………………………………………………………..IX
第一章緒論……………………………………………………………1
1.1 研究動機與目的……………………………………………….1
1.2 文獻回顧……………………………………………………….2
1.2.1 向量式有限元素法…………………………………………2
1.2.2 纖維元素……………………………………………………6
1.3 論文架構………………………………………………………7
第二章空間向量式有限元素法………………………………………9
2.1 結構離散模式…………………………………………………10
2.2 質點運動方程式………………………………………………10
2.3 運動軌跡離散化………………………………………………14
2.4 梁元素變形與內力計算………………………………………15
2.4.1 空間梁元素之移動基礎架構……………………………17
2.4.2 節點位移與梁元素變形…………………………………23
2.4.3 內力計算…………………………………………………27
2.5 隱式Newmark-β直接積分計算程序…………………………33
2.6 雷利阻尼分析…………………………………………………39
2.6.1 空間勁度比例阻尼力計算………………………………43
第三章特殊元素與極限狀態模擬……………………………………62
3.1 特殊元素………………………………………………………62
3.1.1 線性彈簧元素……………………………………………64
3.1.2 雙線性彈簧元素…………………………………………66
3.1.3 具可開孔塑性彈簧元素…………………………………67
3.2 橋梁極限狀態模擬……………………………………………69
3.2.1 支承破壞模擬……………………………………………69
3.2.2 平面滑動摩擦分析………………………………………70
3.2.3 構建斷裂模擬……………………………………………75
第四章纖維元素法……………………………………………………81
4.1 前言……………………………………………………………81
4.2 廣義力量與變形定義…………………………………………81
4.3 梁元素公式……………………………………………………82
4.4 狀態判定…………………………………………………........86
4.5 纖維元素參數與模型…………………………………………92
4.6 纖維元素基本公式……………………………………………93
4.7 纖維元素非線性計算流程……………………………………96
4.8 纖維元素法於向量式有限元素中之計算程序……………102
第五章數值算例驗證………………………………………………114
5.1 含纖維元素法之向量式有限元素分析……………………114
5.1.1 雷利阻尼分析(Rayleigh Damping Analysis)…………114
5.2 纖維元素模型斷面與纖維數分析…………………………..116
5.2.1 外力測推分析…………………………………………..117
5.2.2 地表加速度分析………………………………………..120
5.3 降伏前後纖維元素模型與雙線性彈簧模型分析…………122
5.4 小結…………………………………………………………124
第六章含纖維元素法之橋梁實例分析與參數研究………………..139
6.1 目標橋梁與分析模型………………………………………139
6.2 數值分析模型………………………………………………140
6.3 參數研究……………………………………………………..145
6.3.1 動力歷時分析結果……………………………………146
6.3.2 雙向地表加速度分析結果……………………………152
6.4 小結…………………………………………………………..158
第七章結論與未來展望……………………………………………213
7.1 結論…………………………………………………………213
7.2未來展望………………………………………………………215
參考文獻………………………………………………………………216
附圖……………………………………………………………………219

參考文獻

參考文獻

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指導教授

李姿瑩

審核日期

2014-10-13

推文