基於計算機輔助的橋樑倒塌事故分析

《基於計算機輔助的橋樑倒塌事故分析》是2015年1月27日清華大學出版社出版的圖書，作者是陸新征、許鎮、黃盛楠。

為科學、高效地分析橋樑倒塌事故的原因，本書提供了一套基於計算機輔助的技術方案。一方面，通過建立精細化的有限元模型，識別了橋樑倒塌的關鍵區域，並實現了橋樑倒塌過程的全過程模擬，揭示了事故的內在力學機理；另一方面，通過虛擬現實技術，建立具有真實感的橋樑倒塌現場的三維場景，並基於有限元分析結果再現了橋樑倒塌過程，為輔助事故調查提供了有力支持。此外，本書還提供了多個橋樑倒塌分析的算例，可供讀者更好地掌握書中的技術內容。 本書可供廣大橋樑專業人員及科研人員、研究生在橋樑事故分析、橋樑倒塌模擬中使用，也為橋樑的安全設計提供參考。

基本介紹

• 書名：基於計算機輔助的橋樑倒塌事故分析
• 作者：陸新征、許鎮、黃盛楠
• ISBN：9787302387251
• 定價：58元
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2015-1-27

內容簡介

橋樑是交通生命線的咽喉工程。然而，近些年來國內外橋樑倒塌事故屢見不鮮。橋樑倒塌不僅會造成交通阻斷，產生巨大的經濟損失，而且還會危及人民生命安全，帶來嚴重的社會負面效應。
為科學、高效地分析橋樑倒塌事故的原因，本書提供了一套基於計算機輔助的技術方案。一方面，通過建立精細化的有限元模型，識別了橋樑倒塌的關鍵區域，並實現了橋樑倒塌過程的全過程模擬，揭示了事故的內在力學機理；另一方面，通過虛擬現實技術，建立具有真實感的橋樑倒塌現場的三維場景，並基於有限元分析結果再現了橋樑倒塌過程，為輔助事故調查提供了有力支持。此外，本書還提供了多個橋樑倒塌分析的算例，可供讀者更好地掌握書中的技術內容。
本書可供廣大橋樑專業人員及科研人員、研究生在橋樑事故分析、橋樑倒塌模擬中使用，也為橋樑的安全設計提供參考。

書籍前言

國內外近年來發生大量橋樑倒塌事故，造成嚴重的人員傷亡和社會經濟財產損失。科學、規範、準確地調查橋樑倒塌事故原因，認定事故責任，消除安全隱患，對國家建設、經濟運行、社會安定具有非常重要的意義，應當得到充分的重視和研究。

然而，實際橋樑結構倒塌的嚴重事故，勢必是多種不確定因素共同作用的結果。一方面，一些影響因素存在著較大的離散性和不確定性，需要大量的、反覆的、獨立的對比分析，確定其敏感度；另一方面，一些重要數據和信息會因為結構的徹底破壞而滅失，需要重現事故發生過程，分析結構殘骸來推斷。因此，橋樑倒塌事故調查必須依賴計算機模擬。

為此，本書提出了一套基於計算機輔助的橋樑倒塌事故分析方法。基於有限元模擬技術，提出了橋樑結構易損性評價方法和倒塌全過程模擬方法，對石拱橋、鋼筋混凝土拱橋、斜拉橋等倒塌算例進行了分析。並且，提出了基於物理引擎的橋樑倒塌中碎塊模擬方法，以及基於GPU（圖形處理器）的場景高性能渲染技術，具有真實感地還原了橋樑倒塌的全過程，為輔助事故調查提供了技術支持。

本書第1章由陸新征、許鎮和黃盛楠共同完成，第2～5章由黃盛楠和陸新征共同完成，第6～9章由許鎮和陸新征共同完成。全書最後由陸新征負責整理。

此外，特別感謝交通運輸部交通運輸建設重大科技專項，國家自然科學基金對本書所涉及的科研工作的支持。

由於作者水平所限，疏漏和錯誤之處在所難免，懇請讀者批評指正。

作者

2014年12月

章節目錄

第1章橋樑倒塌事故分析概述1

1.1國內外的橋樑倒塌事故1

1.1.1國內橋樑倒塌事故1

1.1.2國外橋樑倒塌事故7

1.2基於計算機輔助工程的事故分析思路9

參考文獻11

第2章結構易損性分析方法13

2.1現有重要性評價指標綜述13

2.1.1與荷載作用無關的評價方法14

2.1.2與荷載作用相關的評價方法15

2.1.3結構構件重要性評價方法的要求16

2.2結構重要性評價的概念與經驗16

2.2.1基本概念16

2.2.2工程經驗17

2.3廣義結構剛度17

2.4基於結構廣義剛度的重要性指標18

2.4.1構件的重要性確定18

2.4.2子結構的重要性指標19

2.4.3節點的重要性確定19

2.5結構冗餘度指標及結構整體屬性指標19

2.5.1結構冗餘度指標19

2.5.2結構其他整體屬性指標20

2.6重要性評價算例21

2.6.1重力荷載下的構件重要層次與整體結構屬性22

2.6.2水平荷載下的構件重要層次與整體結構屬性25

2.7拆除構件法與剛度折減法的關係27

2.7.1算例參數27

2.7.2重要性指標變換公式的建議28

2.8小結30

參考文獻31

第3章石拱橋事故倒塌模擬和易損性分析32

3.1拱橋結構的易損點分析32

3.1.1石拱橋32

3.1.2上承式混凝土拱橋32

3.1.3中承式混凝土拱橋33

3.1.4系桿(下承式)混凝土拱橋33

3.2石拱橋倒塌數值模擬方法33

3.2.1背景資料33

3.2.2有限元模型的建立34

3.2.3材料參數取值35

3.2.4接觸算法35

3.2.5倒塌分析工況36

3.2.6單元失效準則36

3.2.7某倒塌橋樑的2D倒塌模擬37

3.2.8某倒塌橋樑的3D倒塌過程模擬38

3.2.9三跨石拱橋倒塌模擬40

3.2.10倒塌仿真結果的討論41

3.3石拱橋的構件重要性分析41

3.3.1重要性評價的主要步驟42

3.3.2三跨石拱橋的重要性評價42

3.3.3三跨石拱橋關鍵區域合理性驗證43

3.3.4某倒塌橋樑重要性評價44

3.3.5某倒塌橋樑關鍵區域合理性驗證44

3.4施工階段某倒塌橋樑的重要性評價和臨時工程的安全性研究46

3.4.1施工階段某倒塌橋樑的重要性評價46

3.4.2臨時支撐體系的重要性評價及安全性研究48

參考文獻51

第4章鋼筋混凝土拱橋超載倒塌模擬及易損性分析52

4.1鋼筋混凝土橋數值模擬方法52

4.1.1分層殼單元模組52

4.1.2單元生死模組53

4.1.3數值模型的驗證53

4.2某工程情況模擬64

4.2.1基本工程概況64

4.2.2雙重車過橋模擬64

4.2.3超載倒塌過程模擬67

4.2.4構件重要性評價69

4.2.5關鍵區域合理性驗證70

4.3某鋼筋混凝土拱橋因超載導致的倒塌模擬及重要性評價71

4.3.1基本工程概況71

4.3.2有限元模型72

4.3.3倒塌過程模擬73

4.3.4倒塌仿真模擬過程的討論75

4.3.5構件重要性評價76

4.3.6關鍵區域合理性驗證77

第5章斜拉橋地震倒塌過程模擬和易損性分析80

5.1某大跨單塔斜拉橋地震易損性分析80

5.1.1工程概況80

5.1.2橋樑結構有限元分析模型80

5.1.3地震作用下橋樑結構倒塌模擬81

5.1.4纜索結構構件重要性分析81

5.1.5纜索結構關鍵區域合理性驗證82

5.1.6地震作用下橋樑結構的構件重要性評價83

5.2某超大跨三塔斜拉橋地震易損性分析85

5.2.1工程概況85

5.2.2斜拉橋模型簡化87

5.2.3橋樑結構有限元分析模型88

5.2.4模態分析88

5.2.5地震作用下的倒塌過程模擬100

5.2.6纜索結構構件重要性分析102

5.2.7纜索結構關鍵區域合理性驗證104

5.2.8全橋的構件重要性分析109

參考文獻111

第6章真實感的橋樑倒塌場景模擬112

6.1橋樑倒塌有限元模擬的數據特點112

6.2基於有限元數據的橋樑場景建模114

6.2.1圖形平台的選擇114

6.2.2橋樑模型場景層次設計114

6.2.3場景模型繪製方法117

6.2.4橋樑相關的虛擬環境建模119

6.3橋樑場景模型的紋理映射121

6.3.1基於多重紋理的映射方法設計121

6.3.2OSG環境下的紋理映射實現算法123

6.4橋樑倒塌動畫機制設計125

6.4.1橋樑倒塌動畫概述125

6.4.2頂點數據渲染模式研究126

6.4.3基於回調的倒塌動畫機制127

6.5橋樑倒塌動畫實現算法設計129

6.5.1基於位移數據的頂點動態更新129

6.5.2“生死單元”的動態隱藏處理131

6.5.3動畫控制與實現134

6.6套用算例136

參考文獻139

第7章橋樑倒塌過程中的碎塊模擬140

7.1橋樑倒塌特效概述140

7.1.1倒塌特效問題140

7.1.2倒塌特效的技術路線141

7.2倒塌特效模擬機制設計143

7.2.1OSG與PhysX的結合143

7.2.2結合特效的橋樑倒塌模擬機制145

7.3倒塌特效模擬的關鍵技術148

7.3.1OSG與PhysX的協同工作148

7.3.2倒塌碎塊建模148

7.3.3煙塵特效算法設計154

7.4倒塌模擬算例157

參考文獻159

第8章橋樑倒塌場景模擬的渲染最佳化160

8.1橋樑倒塌場景模擬的渲染瓶頸160

8.2基於CUDA的渲染加速架構設計163

8.2.1CUDA平台的特性分析163

8.2.2渲染加速架構設計164

8.3並行化的倒塌場景模擬渲染加速166

8.3.1OSG與CUDA的結合166

8.3.2CUDA執行緒結構與並行性能討論166

8.3.3頂點位移動畫加速算法設計169

8.3.4單元消隱動畫加速算法設計172

8.3.5基於GPU記憶體的數據訪問最佳化175

8.4渲染加速效果測試179

8.4.1初步渲染加速結果179

8.4.2二次渲染加速181

8.4.3最終渲染加速結果183

8.5GPU記憶體約束問題概述184

8.5.1問題的提出184

8.5.2整體解決思路185

8.6基於聚類法的關鍵幀提取算法186

8.6.1關鍵幀提取方法選擇186

8.6.2基於聚類的關鍵幀提取算法187

8.7基於CUDA的實時幀插值算法190

8.7.1動畫幀插值方法比較190

8.7.2B樣條的大規模數據插值問題191

8.7.3基於CUDA的大規模數據高效插值算法192

8.7.4提取與插值的配合機制196

8.8算例測試與分析197

8.8.1橋樑倒塌典型運動分析197

8.8.2關鍵幀提取算法測試197

8.8.3幀插值算法測試199

參考文獻201

第9章橋樑倒塌虛擬現實系統及套用203

9.1系統需求分析203

9.1.1系統目標203

9.1.2系統功能需求203

9.1.3系統開發約束205

9.2系統設計206

9.2.1系統架構206

9.2.2系統模組設計207

9.2.3系統界面設計208

9.3立體感的橋樑倒塌演示209

9.3.1立體感顯示技術綜述209

9.3.2系統立體顯示實現210

9.4石拱橋倒塌算例211

9.4.1石拱橋倒塌場景模擬效果211

9.4.2真實場景對照213

9.4.3橋樑倒塌事故輔助功能展示215

9.5鋼筋混凝土橋倒塌算例217

9.5.1鋼筋混凝土橋倒塌場景模擬效果217

9.5.2倒塌模擬性能評測220

參考文獻220