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研究生： 陳世凱
Shih-kai Chen
論文名稱： 橋梁非線性行為之向量式有限元分析法
Analysis of the Nonlinear Behavior of Bridge by the Vector Form Intrinsic Finite Element Method
指導教授： 王仲宇
Chung-Yue Wang
口試委員:
學位類別： 博士
Doctor
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 197
中文關鍵詞： 橋梁 、地震 、非線性 、橡膠支承墊 、前處理 、後處理 、向量式有限元
外文關鍵詞： rubber bearing, nonlinear, seismic, bridge, pre-processer, post-processer, VFIFE
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    • 本論文以向量式有限元(Vector Form Intrinsic Finite Element，VFIFE，V-5)做為三維橋梁結構非線性行為分析之基本理論，發展橋梁相關功能模組。橋梁支承方面，透過LS-DYNA軟體的超彈性材料模型來分析橡膠材料與支承墊的力學試驗，並建構非線性彈簧元素來計算橡膠支承的遲滯行為。橋梁非線性静力分析方面，提出一個由動量運動方程式為基礎的快速静力收斂方法，經由適當的起始條件假設來處理質點的運動方程式。最後利用C#程式語言來撰寫前、後處理的使用者界面(GUI)，包裝以向量式有限元為主的橋梁非線性計算核心程式，並以OpenGL繪圖函式完成模型之繪製。利用本文所開發的橋梁性能分析軟體，可進行含支承系統橋梁受地震力作用下的非線性動力分析，觀察支承在地震力作用下的非線性遲滯迴圈行為，而透過快速静力收斂方法可有效提升向量式有限元在處理静力問題上效率，最後圖像使用者界面可以兼顧使用者在用使橋梁分析程式過程中的方便性與實用性。

    This thesis used the VFIFE (Vector Form Intrinsic Finite Element, V-5) method with some proposed functional modules as the basic theory to analyze the nonlinear behavior of three-dimensional bridge structure. In the part of the nonlinear module of bridge bearing, the LS-DYNA software''s hyper-elastic material model was used to study the rubber bearing’s mechanical testing and develop a nonlinear spring elements to calculate the hysteresis behavior of rubber bearing. In the part of nonlinear static analysis of the bridge, a new algorithm based on the momentum equation of motion to efficiently slove the static problem Finally, the pre-processers and post-processer’s graphic user interface (GUI) with the VFIFE program is developed for packaging the nonlinear bridge’s solving kernel, and using OpenGL library to perform the function of graphic and plot the model on the screen. By the computation program of bridge developed in this thesis, the nonlinear analysis of bridge including the rubber bearing system under seismic excitation can be conducted to understand the behavior of the bearing’s hysterious loop. And by the fast static analysis algorithm, the efficiency of sloving static problems can be greatly improved in the VFIFE method. Furthermore, the graphic user interface can help users to have the convenience and accuracy in the process of analysis.

    中文摘要 i Abstract ii 誌謝 iii 目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 xii 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究目的 3 第二章 橋梁支承有限元素之分析 7 2.1橡膠基本力學模型 7 2.2 Hyperelastic-plastic加卸載模型理論 11 2.3由加卸載實驗曲綫定義模型參數SIGF與G之值 14 2.4橡膠材料拉力試驗模擬 18 2.5橡膠材料拉力試驗加卸載模擬-考慮塑性參數 22 2.6橡膠材料拉力試驗加卸載模擬-考慮塑性參數與修正輸入橡膠曲線 28 2.7橡膠支承墊壓力試驗模擬 32 2.7.1壓縮勁度試驗程序 32 2.7.2壓縮勁度試驗數值模擬結果 32 2.8橡膠支承墊剪力試驗模擬 35 2.8.1剪力模數試驗程序 36 2.8.2剪力模數試驗數值模擬結果 36 2.9橡膠支承墊摩擦力試驗模擬 41 2.10 橡膠支承墊扭力試驗模擬 45 第三章 橋梁非線性滑動支承元素 52 3.1數值分析方法介紹 55 3.1.1梁元素內力計算模式[11] 56 3.1.2顯式時間積分法 58 3.2 橡膠支承數值模型之建立 59 3.2.1固定式橡膠支承墊數值模型建立 59 3.2.2摩擦式橡膠支承墊數值模型建立 60 3.3 分析與討論 64 3.3.1 摩擦型彈性支承遲滯模型參數研究 64 3.3.2 摩擦型彈性支承與實驗曲線之擬合 70 3.3.3 三維含支承剛架橋梁受地震力作用的分析 73 3.3.4 摩擦型彈性支承受地震力下的進階參數分析 79 3.4 小結 90 第四章 橋梁非線性静力分析 91 4.1動量運動方程式之處理 92 4.2算例 95 4.2.1 單自由度驗證與討論 95 4.2.2 多自由度驗證 104 4.2.3 二維幾何非線性静力問題 106 4.2.4 三維幾何非線性静力問題 111 4.2.5 橋梁的初始狀態分析 116 第五章 橋梁程式前後處理之開發 126 5.1視窗介面設計與電腦繪圖 128 5.1.1 .Net Framework的介紹 128 5.1.2 C#的介紹 130 5.1.3 CSGL的介紹 131 5.1.4 GUI的介紹 132 5.2視窗介面內容操作 133 5.2.1主要選單 134 5.2.2 主要工具按鈕區 136 5.2.3 輔助工具按鈕區 137 5.2.4 物件內容樹狀顯示區 138 5.2.5 模型文字檔內容區 138 5.2.6 操作記錄文字區 141 5.2.7 OpenGL 繪圖參數操作區 141 5.2.8 其他視窗功能介紹 148 5.3前後處理文檔的處理 152 5.3.1 基本參數設定介紹 152 5.3.2 後處理資料輸出設定介紹 157 5.3.3橋梁模型資料設定介紹 158 第六章 結論與建議 168 6-1結論 168 6-2建議 169 參考文獻 171 附錄 175 個人簡歷 179

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