圬工拱桥垮塌过程模拟前后处理关键技术研究

摘要

近年来，由于设计、施工、超载和使用环境条件等各方面的原因，发生了多起桥梁垮塌事故。因此，研究桥梁垮塌机理，探究桥梁垮塌原因，显得尤为迫切。随着计算机三维仿真技术的高速发展，采用计算机仿真技术模拟研究桥梁倒塌过程是一种经济、实用并且可行的研究方法。鉴于此，本研究以圬工拱桥垮塌过程为研究对象，研究圬工拱桥垮塌所需的计算机辅助关键技术，主要研究内容包括：
　　 第一部分：针对圬工拱桥建模难度较大，耗时费力，并且具有不可重复性等特点，本研究建立如下圬工拱桥三维有限元建模方法。
　　 1)截面拉伸，以定义的基准面，沿指定的方向及长度，拉伸形成桥梁实体。
　　 2)三维实体交叉并算法，基于计算机图形学原理对三维实体进行交、叉、并等运算，形成特定的几何体
　　 3)设计模型输出的接口格式，形成可供OpenSEES计算的有限元模型
　　 第二部分：基于OpenGL图形库，采用面向对象程序开发语言C＃，系统地开发了桥梁垮塌有限元分析后处理系统，主要内容包括：
　　 1)有限元静力计算结果的可视化，通过建立的一系列类以及几何算法，显示计算结果的应力及位移云图。
　　 2)桥梁倒塌全过程动力计算结果的可视化，针对单元生死模拟技术，设计了单元显示的动态更新和删除算法，全过程动态模拟桥梁的倒塌过程。
　　 3)测点布置方案及测点应力提取算法，采用冒泡排序法，建立了通过节点快速查找相关节点的算法，进一步利用三角单元已知节点应力，通过形函数插值计算出单元中测点的应力值。
　　 4)实体单元剖分算法的实现，以六面体实体单元为例，基于面与线段计算交点的原理，完成面与实体单元的相交面的计算。
　　 5)关键截面内力积分算法的实现与验证，将关键截面进行三角网划分，利用截面内力等效积分原理计算。
　　 6)大文件读取算法，采用堆栈分步读取计算结果数据，读取与显示模型动力计算结果同时进行。
　　 最后，本文以堤溪沱江大桥为例，与课题组成员共同建立了包含前处理、有限元计算和后处理的圬工拱桥倒塌全过程分析系统。
　　 本文研究表明：首先，采用OpenGL图形库，结合C#语言，可形象地模拟桥梁倒塌全过程。其次，建立可靠的关键截面内力计算方法为桥梁垮塌全过程分析提供了工程师所熟悉的截面内力值，为分析桥梁垮塌机理提供了有效的技术。最后，通过建立和完善桥梁建模方法，为桥梁的快速三维建模提供了可靠的手段。