内容简介

桥梁是交通生命线的咽喉工程。然而，近些年来国内外桥梁倒塌事故屡见不鲜。桥梁倒塌不仅会造成交通阻断，产生巨大的经济损失，而且还会危及人民生命安全，带来严重的社会负面效应。

为科学、高效地分析桥梁倒塌事故的原因，本书提供了一套基于计算机辅助的技术方案。一方面，通过建立精细化的有限元模型，识别了桥梁倒塌的关键区域，并实现了桥梁倒塌过程的全过程模拟，揭示了事故的内在力学机理；另一方面，通过虚拟现实技术，建立具有真实感的桥梁倒塌现场的三维场景，并基于有限元分析结果再现了桥梁倒塌过程，为辅助事故调查提供了有力支持。此外，本书还提供了多个桥梁倒塌分析的算例，可供读者更好地掌握书中的技术内容。

本书可供广大桥梁专业人员及科研人员、研究生在桥梁事故分析、桥梁倒塌模拟中使用，也为桥梁的安全设计提供参考。

前言

国内外近年来发生大量桥梁垮塌事故，造成严重的人员伤亡和社会经济财产损失。科学、规范、准确的调查桥梁垮塌事故原因，认定事故责任，消除安全隐患，对国家建设、经济运行、社会安定，具有非常重要的意义，应当得到充分的重视和研究。

然而，实际桥梁结构倒塌的严重事故，势必是多种不确定因素共同作用的结果。一方面，一些影响因素存在着较大的离散性和不确定性，需要大量的、反复的、独立的对比分析，确定其敏感度；另一方面，一些重要数据和信息会因为结构的彻底破坏而灭失，需要重现事故发生过程，分析结构残骸来推断。因此，桥梁倒塌事故调查必须依赖计算机模拟。

为此，本书提出了一套基于计算机辅助的桥梁倒塌事故分析方法。基于有限元模拟技术，提出了桥梁结构易损性评价方法和倒塌全过程模拟方法，对石拱桥、钢筋混凝土拱桥、斜拉桥等倒塌算例进行了分析。并且，提出了基于物理引擎的桥梁倒塌中碎块模拟方法，以及基于GPU（图形处理器）的场景高性能渲染技术，具有真实感地还原了桥梁倒塌的全过程，为辅助事故调查提供了技术支持。

本书第1章由陆新征、许镇和黄盛楠共同完成，第2-5章由黄盛楠和陆新征共同完成，第6-9章由许镇和陆新征共同完成。全书最后由陆新征负责整理。

此外，特别感谢交通运输部交通运输建设重大科技专项（2011-318-223-170），国家自然科学基金(编号：51308321，51222804, 91315301)对本书所涉及的科研工作的支持。

由于作者水平所限，疏漏和错误之处在所难免，恳请读者批评指正。

                                              作者

                                              2014.12.11.

于清华园

基于计算机辅助的桥梁倒塌事故分析

第1章桥梁倒塌事故分析概述

1.1国内外的桥梁倒塌事故

1.1.1国内桥梁倒塌事故

1.1.2国外桥梁倒塌事故

1.2基于计算机辅助工程的事故分析思路

第2章结构易损性分析方法

2.1现有重要性评价指标综述

2.1.1与荷载作用无关的评价方法

2.1.2与荷载作用相关的评价方法

2.1.3结构构件重要性评价方法的要求

2.2结构重要性评价的概念与经验

2.2.1基本概念

2.2.2工程经验

2.3广义结构刚度

2.4基于结构广义刚度的重要性指标

2.4.1构件的重要性确定

2.4.2子结构的重要性指标

2.4.3节点的重要性确定

2.5结构冗余度指标及结构整体属性指标

2.5.1结构冗余度指标

2.5.2结构其他整体属性指标

2.6重要性评价算例

2.6.1重力荷载下的构件重要层次与整体结构属性

2.6.2水平荷载下的构件重要层次与整体结构属性

2.7拆除构件法与刚度折减法的关系

2.7.1算例参数

2.7.2重要性指标变换公式的建议

2.8小结

第3章石拱桥事故倒塌模拟和易损性分析

3.1拱桥结构的易损点分析

3.1.1石拱桥

3.1.2上承式混凝土拱桥

3.1.3中承式混凝土拱桥

3.1.4系杆(下承式)混凝土拱桥

3.2石拱桥倒塌数值模拟方法

3.2.1背景资料

3.2.2有限元模型的建立

3.2.3材料参数取值

3.2.4接触算法

3.2.5倒塌分析工况

3.2.6单元失效准则

3.2.7某倒塌桥梁的2D倒塌模拟

3.2.8某倒塌桥梁的3D倒塌过程模拟

3.2.9三跨石拱桥倒塌模拟

3.2.10倒塌仿真结果的讨论

3.3石拱桥的构件重要性分析

3.3.1重要性评价的主要步骤

3.3.2三跨石拱桥的重要性评价

3.3.3三跨石拱桥关键区域合理性验证

3.3.4某倒塌桥梁重要性评价

3.3.5某倒塌桥梁关键区域合理性验证

3.4施工阶段某倒塌桥梁的重要性评价和临时工程的安全性研究

3.4.1施工阶段某倒塌桥梁的重要性评价

3.4.2临时支撑体系的重要性评价及安全性研究

第4章钢筋混凝土拱桥超载倒塌模拟及易损性分析

4.1钢筋混凝土桥数值模拟方法

4.1.1分层壳单元模块

4.1.2单元生死模块

4.1.3数值模型的验证

4.2某工程情况模拟

4.2.1基本工程概况

4.2.2双重车过桥模拟

4.2.3超载倒塌过程模拟

4.2.4构件重要性评价

4.2.5关键区域合理性验证

4.3某钢筋混凝土拱桥因超载导致的倒塌模拟及重要性评价

4.3.1基本工程概况

4.3.2有限元模型

4.3.3倒塌过程模拟

4.3.4倒塌仿真模拟过程的讨论

4.3.5构件重要性评价

4.3.6关键区域合理性验证

第5章斜拉桥地震倒塌过程模拟和易损性分析

5.1某大跨单塔斜拉桥地震易损性分析

5.1.1工程概况

5.1.2桥梁结构有限元分析模型

5.1.3地震作用下桥梁结构倒塌模拟

5.1.4缆索结构构件重要性分析

5.1.5缆索结构关键区域合理性验证

5.1.6地震作用下桥梁结构的构件重要性评价

5.2某超大跨三塔斜拉桥地震易损性分析

5.2.1工程概况

5.2.2斜拉桥模型简化

5.2.3桥梁结构有限元分析模型

5.2.4模态分析

5.2.5地震作用下的倒塌过程模拟

5.2.6缆索结构构件重要性分析

5.2.7缆索结构关键区域合理性验证

5.2.8全桥的构件重要性分析

第6章真实感的桥梁倒塌场景模拟

6.1桥梁倒塌有限元模拟的数据特点

6.2基于有限元数据的桥梁场景建模

6.2.1图形平台的选择

6.2.2桥梁模型场景层次设计

6.2.3场景模型绘制方法

6.2.4桥梁相关的虚拟环境建模

6.3桥梁场景模型的纹理映射

6.3.1基于多重纹理的映射方法设计

6.3.2OSG环境下的纹理映射实现算法

6.4桥梁倒塌动画机制设计

6.4.1桥梁倒塌动画概述

6.4.2顶点数据渲染模式研究

6.4.3基于回调的倒塌动画机制

6.5桥梁倒塌动画实现算法设计

6.5.1基于位移数据的顶点动态更新

6.5.2“生死单元”的动态隐藏处理

6.5.3动画控制与实现

6.6应用算例

第7章桥梁倒塌过程中的碎块模拟

7.1桥梁倒塌特效概述

7.1.1倒塌特效问题

7.1.2倒塌特效的技术路线

7.2倒塌特效模拟机制设计

7.2.1OSG与PhysX的结合

7.2.2结合特效的桥梁倒塌模拟机制

7.3倒塌特效模拟的关键技术

7.3.1OSG与PhysX的协同工作

7.3.2倒塌碎块建模

7.3.3烟尘特效算法设计

7.4倒塌模拟算例

第8章桥梁倒塌场景模拟的渲染优化

8.1桥梁倒塌场景模拟的渲染瓶颈

8.2基于CUDA的渲染加速架构设计

8.2.1CUDA平台的特性分析

8.2.2渲染加速架构设计

8.3并行化的倒塌场景模拟渲染加速

8.3.1OSG与CUDA的结合

8.3.2CUDA线程结构与并行性能讨论

8.3.3顶点位移动画加速算法设计

8.3.4单元消隐动画加速算法设计

8.3.5基于GPU内存的数据访问优化

8.4渲染加速效果测试

8.4.1初步渲染加速结果

8.4.2二次渲染加速

8.4.3最终渲染加速结果

8.5GPU内存约束问题概述

8.5.1问题的提出

8.5.2整体解决思路

8.6基于聚类法的关键帧提取算法

8.6.1关键帧提取方法选择

8.6.2基于聚类的关键帧提取算法

8.7基于CUDA的实时帧插值算法

8.7.1动画帧插值方法比较

8.7.2B样条的大规模数据插值问题

8.7.3基于CUDA的大规模数据高效插值算法

8.7.4提取与插值的配合机制

8.8算例测试与分析

8.8.1桥梁倒塌典型运动分析

8.8.2关键帧提取算法测试

8.8.3帧插值算法测试

第9章桥梁倒塌虚拟现实系统及应用

9.1系统需求分析

9.1.1系统目标

9.1.2系统功能需求

9.1.3系统开发约束

9.2系统设计

9.2.1系统架构

9.2.2系统模块设计

9.2.3系统界面设计

9.3立体感的桥梁倒塌演示

9.3.1立体感显示技术综述

9.3.2系统立体显示实现

9.4石拱桥倒塌算例

9.4.1石拱桥倒塌场景模拟效果

9.4.2真实场景对照

9.4.3桥梁倒塌事故辅助功能展示

9.5钢筋混凝土桥倒塌算例

9.5.1钢筋混凝土桥倒塌场景模拟效果

9.5.2倒塌模拟性能评测