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研究生:陳益文
研究生(外文):Yi-Wen Chen
論文名稱:以光學影像法與有限元素法分析橋梁的振動特性
論文名稱(外文):Analysis of Bridge Vibrations Using Digital Image Correlations and Finite Element Methods
指導教授:江支弘江支弘引用關係
指導教授(外文):Chih-Hung Chiang
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:82
中文關鍵詞:有限元素橋梁光學影像
外文關鍵詞:Finite Element MethodsBridgeDigital Image Correlations
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目前台灣地區大部份的老舊橋梁,普遍面臨著不符現行耐震設計規範要求及相關法規變革之考驗,更由於台灣屬於高地震發生區、特有海島型氣候或因不當超載使用等外在環境之影響,造成未達使用年限時,即發生結構劣化、功能不足的情況。本研究群近年來從事光學影像相關係數法的研究,並已自行開發分析軟體 ( DIC-C ),此種檢測方法是具有高精度、低成本以及非接觸式量測的特點,避免了佈放大量感應裝置於大型結構物所需的大量人力物力。
本研究利用數位影像相關係數法分析橋梁多點翼版位移監測資料,嘗試將其資料分析出橋梁破壞影響線以及以頻率域分解法(FDD‚frequency domain decomposition ) 加以分析,求取振動頻率及振形,以辨識橋面板的振動頻率、阻尼比及模態來評估橋梁狀況。另外本研究也建立有限元素分析模型,模擬完整無損傷、有損傷之橋梁經由重車經過後,求出影響線以及橋翼板的振動頻率及振態等振動特性,並以此推測橋梁是否損傷。
分析結果顯示以有限元素模擬與實地檢測所得的橋梁位移有相近的趨勢,動態監測的結果則有待進一步的分析與確認。
Deteriorated bridges managed by the local authorities often lack sufficient resources for sophisticated long-term maintenance and monitoring programs.
There is a great demand of low-cost and efficient monitoring techniques suitable for bridge management. Previous study has indicated that images recorded using consumer digital cameras and processed by digital image correlation methods
(DICM) has the potential to fulfill such a need. Current research applies DICM to obtain the displacement data that can be further analyzed using frequency domain decomposition, or FDD. Two bridges with light traffic conditions have been investigated. The measured displacement data are in reasonable agreement with the simulated data using SAP2000. Modal analysis and FDD are also performed using the numerical model for the two bridges. The modal frequencies and damping ratio values are also obtained based on the field experiments but require further verifications with the numerical simulation.
摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究流程 3
1.3 論文架構 4
第二章 文獻回顧 5
第三章 理論背景 11
3.1 數位影像相關係數法 11
3.1.1 DIC分析模式 11
3.1.2 影像重建(內插) 13
3.2 桿件波傳理論 14
3.3 頻率域連續解動力分析程式 16
3.4 模態曲率法 17
3.4.1 模態曲率法於文獻之應用 18
第四章 實驗規劃與實驗配置 19
4.1 試驗儀器 19
4.2 實驗配置與實驗方法 26
4.2.1 模態震測法實驗 27
4.2.2 影像相關係數法實驗 33
第五章 數值模擬與分析 40
5.1 橋梁A模擬 40
5.1.1 2D模擬 41
5.1.2 3D模擬 44
5.2 橋梁B模擬 50
5.2.1 橋梁影響線之模擬 51
5.2.2 橋梁B模態分析 54
第六章 實驗結果與討論 57
6.1 橋梁A實驗結果 57
6.1.1 DIC檢測結果 57
6.1.2 模態震測法實驗結果 59
6.2 與橋梁A分析結果之比較 62
6.3 橋梁B以DIC檢測結果 65
6.4 與橋梁B分析結果之比較 76
第七章 結論與建議 79
7.1 結論 79
7.2 討論與建議 80
參考文獻 81
圖目錄
圖2-1 互易定理示意圖....................................................................................... 9
圖3.1 物體表面變形前與變形後次影像之相對位置示意圖,變形前次影像
中點為P,變型後次影像中點為P*【1】。 .......................................... 13
圖3-2 頻譜波速曲線【10】 ............................................................................ 16
圖4-1 安捷倫 VXI 多槽訊號擷取系統及筆記型電腦 ................................. 20
圖4-2 動態參數 ................................................................................................. 21
圖4-3 HP DAC Express V2.01 擷取界面 ........................................................ 21
圖4-4 PCB 加速度規(Acceleration Sensor) ..................................................... 23
圖4-5 蜂臘粘固法 ............................................................................................. 23
圖4-6 相機鏡頭及相機鏡頭 ............................................................................ 25
圖4-7 數位攝影機 ............................................................................................. 26
圖4-8 橋梁A ..................................................................................................... 27
圖4-9 加速度規放置位置 ................................................................................ 28
圖4-10 模態震測整理架設圖 .......................................................................... 28
圖4-11 加速度規放置位置 .............................................................................. 30
圖4-12 單點衝擊1 之頻譜圖 .......................................................................... 31
圖4-13 單點衝擊2 之頻譜圖 .......................................................................... 31
圖4-14 衝擊1 及衝擊2 擷取出第一模態形狀 .............................................. 32
圖4-15 動態參數 ............................................................................................... 33
圖4-16 比例尺規 ............................................................................................... 34
圖4-17 標記物 ................................................................................................... 35
圖4-18 DIC 標靶架設及相機拍攝位置 ........................................................... 35
圖4-19 標靶位置 ............................................................................................... 37
圖4-20 取像時車輛位置................................................................................... 38
圖4-21 橋梁B 平面圖 ...................................................................................... 39
圖4-22 重車(左:Truck-1 右:Truck-2) ................................................. 39
圖4-23 重車(左:Truck-3 右:Truck-4) ................................................. 39
圖5-1 橋梁A-2D 橋梁模擬圖 ......................................................................... 42
圖5-2 數值模擬2D 第一模態變形情況 ......................................................... 43
圖5-3 數值模擬2D 第二模態變形情況 ......................................................... 43
圖5-4 數值模擬2D 第三模態變形情況 ......................................................... 43
圖5-5 橋梁A-3D 整體模擬圖 ......................................................................... 45
圖5-6 更限元素模擬模態1 之相對位移曲線圖 ............................................. 46
圖5-7 更限元素模型之模態1 變形圖 ............................................................ 46
圖5-8 更限元素模擬模態2 之相對位移曲線圖 ............................................ 47
圖5-9 更限元素模型之模態2 變形圖 ............................................................ 47
圖5-10 更限元素模擬模態3 之相對位移曲線圖 .......................................... 48
圖5-11 更限元素模型之模態3 變形圖 .......................................................... 48
圖5-12 更限元素模擬模態4 之相對位移曲線圖 .......................................... 49
圖5-13 更限元素模型之模態4 變形圖 .......................................................... 49
圖5-14 橋梁B 更限元素模擬圖 ...................................................................... 50
圖5-15 模擬重車加載位置圖 .......................................................................... 52
圖5-16 模擬重車於橋梁上加載-標靶3 之影響包絡線之比較圖 ................. 52
圖5-17 模擬重車於橋梁上加載-標靶4 之影響包絡線之比較圖 ................. 53
圖5-18 模擬重車於橋梁上加載-標靶5 之影響包絡線之比較圖 ................. 53
圖5-19 更限元素模型於分析後模態1 的垂直相對位移及變形圖 .............. 54
圖5-20 更限元素模型於分析後模態2 的垂直相對位移及變形圖 .............. 55
圖5-21 更限元素模型於分析後模態3 的垂直相對位移及變形圖 .............. 55
圖5-22 更限元素模型於分析後模態4 的垂直相對位移及變形圖 .............. 55
圖5-23 更限元素模型於分析後模態5 的垂直相對位移及變形圖 .............. 56
圖5-24 更限元素模型於分析後模態6 的垂直相對位移及變形圖 .............. 56
圖6-1 推車由南向北DIC 監測橋梁A 之頻譜圖 .......................................... 58
圖6-2 推車由北向南DIC 監測橋梁A 之頻譜圖 .......................................... 59
圖6-3 模態震測監測以CFDD 法辨識之模態1 ............................................. 60
圖6-4 模態震測監測以CFDD 法辨識之模態2 ............................................. 60
圖6-5 模態震測監測以CFDD 法辨識之模態3 ............................................. 61
圖6-6 模態震測監測以CFDD 法辨識之模態4 ............................................. 61
圖6-7 模態震測監測以CFDD 法辨識與更限元素模擬之模態1 比較 ....... 63
圖6-8 模態震測監測以CFDD 法辨識與更限元素模擬之模態2 比較 ....... 64
圖6-9 模態震測監測以CFDD 法辨識與更限元素模擬之模態3 比較 ....... 64
圖6-10 模態震測監測以CFDD 法辨識與更限元素模擬之模態4 比較 ..... 65
圖6-11a Truck-1、Truck-3 通過橋面時重車位置與標靶3 位移量之關係圖
..................................................................................................................... 69
圖6-11b Truck-1、Truck-3 通過橋面時重車位置與標靶4 位移量之關係圖
..................................................................................................................... 70
圖6-11c Truck-1、Truck-3 通過橋面時重車位置與標靶5 位移量之關係圖
..................................................................................................................... 70
圖6-12a Truck-2、Truck-4 通過橋面時重車位置與標靶3 位移量之關係圖
..................................................................................................................... 71
圖6-12b Truck-2、Truck-4 通過橋面時重車位置與標靶4 位移量之關係圖
..................................................................................................................... 71
圖6-12c Truck-2、Truck-4 通過橋面時重車位置與標靶5 位移量之關係圖
..................................................................................................................... 72
圖6-13a Truck-3、Truck-3.1 通過橋面時重車位置與標靶3 位移量之關係
比較圖 ......................................................................................................... 73
圖6-13b Truck-3、Truck-3.1 通過橋面時重車位置與標靶4 位移量之關係
比較圖 ......................................................................................................... 74
圖6-13c Truck-3、Truck-3.1 通過橋面時重車位置與標靶5 位移量之關係
比較圖 ......................................................................................................... 74
圖6-14a Truck-4、Truck-4.1 通過橋面時重車位置與標靶3 位移量之關係
比較圖 ......................................................................................................... 75
圖6-14b Truck-4、Truck-4.1 通過橋面時重車位置與標靶4 位移量之關係
比較圖 ......................................................................................................... 75
圖6-14c Truck-4、Truck-4.1 通過橋面時重車位置與標靶5 位移量之關係
比較圖 ......................................................................................................... 76
圖6-15 Truck-3 對橋梁B 標靶3 之影響線 ..................................................... 77
圖6-16 Truck-3 對橋梁B 標靶4 之影響線 ..................................................... 78
圖6-17 Truck-3 對橋梁B 標靶5 之影響線 ..................................................... 78
表目錄
表4-1 加速度規之編號及適用頻率範圍 ........................................................ 22
表5-1 數值模擬2D 各模態之頻率................................................................... 42
表5-2 橋梁A 數值模擬結果 ............................................................................ 45
表5-3 橋梁B 數值模擬及檢測結果 ................................................................ 54
表6-1 橋梁A 模態震測實驗結果.................................................................... 59
表6-2 橋梁A 數值模擬及檢測結果 ............................................................... 63
表6-3 Truck-1、Truck-3 由北至南(A→I)通過橋面時各標靶之垂直位移量
..................................................................................................................... 68
表6-4 Truck-2、Truck-4 由南至北(I→A)通過橋面時各標靶之垂直位移量
..................................................................................................................... 69
表6-5 Truck-3、Truck-3.1 由北至南(A→I)通過橋面時各標靶之垂直位移量
..................................................................................................................... 72
表6-6 Truck-2、Truck-4 由南至北(I→A)通過橋面時各標靶之垂直位移量
..................................................................................................................... 73
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