臺灣博碩士論文加值系統

施工階段的結構物經常需要了解各個階段結構物的反應，利用傳統的數值方法模擬時經常會因各個階段分析模型的改變而需要增減元素或改變邊界條件，此時將造成分析模擬的困難，因此對於施工階段結構物的模擬，一般的作法是在每個階段都重新建立分析模型，但此種方式需要建立多個分析模型，將造成分析模擬的不便，爲改善此問題本研究嘗試利用向量式有限元素法模擬施工階段結構物的反應。
向量式有限元素法模擬問題時由於各質點的運動方程式及桿件內力計算獨立，並且不需建立整體勁度矩陣及迭代運算，使得模擬時可以方便的在不同階段進行分析模型元素的增減或邊界條件的改變，並且不需對原有的分析程式做太多的改變，因此可有效的模擬施工階段結構物受自重或其他外因影響的反應。本研究將簡單說明影響施工過程的變因，再將施工階段的概念導入向量式有限元素法，並以二維剛架元分析程式為基礎，進行元素增減及邊界條件改變的流程撰寫，同時做程式的基本驗證，再嘗試進行一些施工過程的模擬。

It is generally necessary to realize the behaviors at erection stages during construction. It is inconvenient to simulate the response of structures at erection stages while utilizing traditional numerical methods, which has to rebuild the analysis models at each erection stages involving increase and/or decrease elements and the change of boundary conditions. For improving this question, the vector form intrinsic finite element (VFIFE) method is used to simulate the behaviors of erection stages of structures at erection stages during construction.
In VFIFE, the calculation is to solve a set of decoupled vector form equations, and the internal forces in the elements can be computed form the mass displacement, thus it is not needed assemble global stiffness matrices and iterations are not available. Hence, it is convenient to increase and/or decrease elements and the change of boundary conditions at erection stages during construction and can effectively simulate the responses subjected dead load and other influences. In this study, the erection procedures based on plane frame element was coded and verified, and some simulations of erection were investigated.

目 錄

中文摘要………………………………………………………… Ⅰ
英文摘要………………………………………………………… Ⅱ
誌謝………………………………………………………………. Ⅲ
目錄………………………………………………………………. Ⅳ
圖目錄……………………………………………………………. ⅤI
表目錄……………………………………………………………. X

第一章 緒論……………………………………………… 1
1.1引言………………………………………………...1
1.2研究動機…………………………………………...2
1.3文獻回顧…………………………………………...2
1.4內容大綱…………………………………………...5

第二章 向量式有限元素法……………………………… 6
2.1結構體與運動軌跡的離散………………………… 6
2.2控制方程式及時間積分法………………………….8
2.3結構元變形量和內力的求取……………………… 11
2.4整體計算流程……………………………………… 17

第三章 向量式有限元於施工分析的應用……………… 20
3.1新增元素…………………………………………… 20
3.2移除元素…………………………………………… 27
3.3邊界條件改變……………………………………… 28
3.4位移控制…………………………………………… 29
3.5後處理……………………………………………….29

第四章 施工階段分析介紹……………………………… 32
4.1外在變因…………………………….………………32
4.2內部材料性質改變………………………………… 34
4.3施工法簡介………………………………………… 39

第五章 數值算例……………………………………….. 53
5.1新增元素驗證……………………………………… 53
5.2減元素驗證………………………………………… 57
5.3邊界條件改變驗證………………………………… 59
5.4載重組合與新增元素施工模擬的比較…………… 66
5.5樓房結構施工模擬………………………………… 70
5.6節塊推進模擬……………………………………… 73
5.7斜張橋施工階段模擬……………………………… 82

第六章 結論與建議……………………………………… 95
6.1結論………………………………………………… 95
6.2建議和未來發展…………………………………… 96

參考文獻…………………………………………………….......97

圖目錄

圖2.1 結構體離散化示意圖…………………………..……........ 7
圖2.2 質點B的運動軌跡與途徑單元.......................................... 8
圖2.3 質點運動及元素變形圖………………………………….. 11
圖2.4 剛體平移與剛體轉動…………………………………….. 12
圖2.5 正向運動後節點內力…………………………………….. 16
圖2.6 域座標節點內力………………………………………….. 16
圖2.7 計算流程示意圖………………………………………….. 18
圖2.8 向量式有限元素法分析流程圖………………………….. 19
圖3.1.1(a) 增加元素且新增兩個節點……………………………….. 21
圖3.1.1(b) 增加元素且新增一個節點……………………………….. 21
圖3.1.1(c) 增加元素並未增加節點………………………………….. 21
圖3.1.2 新增與地面水平之元素………………………………….. 22
圖3.1.3 不良構件的安裝示意圖………………………………….. 24
圖3.1.4 增加陣列大小流程圖…………………………………….. 24
圖3.1.5 新增元素流程圖………………………………………….. 26
圖3.2.1 元素移除示意圖………………………………………….. 27
圖3.5.1 梁元素轉化四邊形元素示意圖………………………….. 30
圖3.5.2 後處理內力向號轉換…………………………………….. 31
圖4.2.1 應變與時間關係圖……………………………………….. 34
圖4.3.1 節塊推進示意圖………………………………………….. 40
圖4.3.2(a) 推進式節塊推進………………………………………….. 42
圖4.3.2(b) 拉進式節塊推進………………………………………….. 42
圖4.3.2(c) 頂進式節塊推進………………………………………….. 42
圖4.3.2(d) 夾進式節塊推進………………………………………….. 43
圖4.3.3(a) 節塊推進倒退模型示意圖……………………………….. 44
圖4.3.3(b) 節塊推進前進模型示意圖……………………………….. 44
圖4.3.4 各類橋樑單位面積混凝土用量………………………….. 45
圖4.3.5 索面型式………………………………………………….. 46
圖4.3.6 斜張橋主塔型式………………………………………….. 46
圖4.3.7 吊索鋼腱種類…………………………………………….. 47
圖4.3.8(a) 就地支撐場鑄工法……………………………………….. 49
圖4.3.8(b) 懸臂工法………………………………………………….. 49
圖4.3.8(c) 頂推工法………………………………………………….. 50
圖4.3.8(d) 纜索懸吊工法…………………………………………….. 51
圖4.3.8(e) 平轉法…………………………………………………….. 51
圖4.3.8(f) 支撐先進工法…………………………………………….. 52
圖5.1.1(a) 懸臂梁新增元素示意圖………………………………….. 54
圖5.1.1(b) 外力歷時圖……………………………………………….. 54
圖5.1.2(a) 新增元素示意圖1…………………………………........... 55
圖5.1.2(b) 新增元素示意圖2……………………………………....... 55
圖5.1.3(a) 第一種新增方法的節點垂直位移量…………………….. 56
圖5.1.3(b) 第二種新增方法的節點垂直位移量…………………….. 56
圖5.2.1(a) 懸臂梁分析模型………………………………..………… 57
圖5.2.1(b) 外力歷時圖…………………………………………..…… 57
圖5.2.2 節點2時間與垂直向位置圖………………………..…… 58
圖5.2.3 移除元素後幾何變化圖………………………………….. 59
圖5.3.1(a) 分析流程圖…………………………………..…………… 60
圖5.3.1(b) 外力歷時圖……………………………………..………… 61
圖5.3.2(a) 節點2位移-時間圖………………………………………. 62
圖5.3.2(b) 節點1位移-時間圖………………………………………. 62
圖5.3.3(a) 梁幾何模型……………………………………………….. 63
圖5.3.3(b) 外力歷時圖……………………………………………….. 63
圖5.3.4 相接前的幾何變化圖…………………………………….. 64
圖5.3.5 剛接後的幾何變化圖…………………………………...... 64
圖5.3.6 鉸接後的幾何變化圖…………………………………...... 65
圖5.3.7 分析流程圖…………………………………...................... 66
圖5.4.1(a) 兩種分析方式示意圖…………………………………….. 67
圖5.4.1(b) 節點加速度歷時圖…………………………………….…. 67
圖5.4.2 左邊柱幾何變化圖……………………………………….. 68
圖5.4.3 兩種模擬方式的變形示意圖…………………………….. 69
圖5.5.1 樓房初始模型…………………………………………….. 70
圖5.5.2 各階段樓房結構幾何圖………………………………….. 71
圖5.5.3 結構穩定後右邊柱的軸力狀況………………………….. 72
圖5.5.4 結構穩定後彎矩力分佈………………………………….. 73
圖5.6.1(a) 節塊推進模型…………………………………………….. 74
圖5.6.1(b) 節塊推進模型全景……………………………………….. 74
圖5.6.2 節塊推進幾何變化圖…………………………………….. 77
圖5.6.3 節塊推進內力變化圖…………………………………….. 78
圖5.7.1 斜張橋幾何形狀………………………………………….. 82
圖5.7.2 斜張橋各施工階段圖…………………………………….. 83
圖5.7.3 位移控制轉換索力圖…………………………………….. 84
圖5.7.4 各階段變化圖(一) ……………………….………………. 86
圖5.7.5 各階段變化圖(二) ………………………………….……. 88
圖5.7.6(a) 第一種方法索力變化…………………………………….. 89
圖5.7.6(b) 第二種方法索力變化…………………………………….. 90
圖5.7.7(a) 各階段纜索1的索力比較………………………………... 90
圖5.7.7(b) 各階段纜索2的索力比較………………………………... 90
圖5.7.7(c) 各階段纜索3的索力比較………………………………... 91
圖5.7.8(a) 第一種方法橋墩軸壓力曲線…………………………….. 92
圖5.7.8(b) 第二種方法橋墩軸壓力曲線…………………………….. 92
圖5.7.9(a) 第一種方法橋塔右端梁的軸力………………………….. 93
圖5.7.9(b) 第二種方法橋塔右端梁的軸力………………………….. 93
圖5.7.10(a) 第一種方法橋塔右端梁的彎矩力……………………….. 94
圖5.7.10(b) 第二種方法橋塔右端梁的彎矩力……………………….. 94

表目錄

表3.1 節點與元素相關資料…………………………………….. 25
表5.3 各階段位移量…………………………………………….. 66
表5.6.1 材料性質及斷面尺寸…………………………………….. 74
表5.6.2 施工流程表……………………………………………….. 76
表5.7.1 斜張橋材料性質………………………………………….. 82
表5.7.3(a) 施工時程(位移控制) …………………………………….. 85
表5.7.3(b) 施工時程(減少索長) …………………………………….. 85

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