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研究生: 吳冠民
Wu, Kuan-Ming
論文名稱: 橋梁結構於樁土互制之有限元素自振分析
Nonlinear finite element analysis of bridge structure under the soil-pile interaction
指導教授: 胡宣德
Hu, Hsuan-Teh
共同指導教授: 劉光晏
Liu, Kuang-Yen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 209
中文關鍵詞: 橋樑結構自振頻率土壤彈簧沙箱試驗
外文關鍵詞: Bridge structure, natural frequency, soil spring, Shaking table test
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  • 橋梁為國家交通之動脈,在受災害等緊急危難時扮演者重要角色。民國88年921的強烈地震,為台灣近五十年來災情最為慘重的地震災害,並造成中部地區眾多公路橋梁嚴重損壞,影響災區救援,由此可見橋梁耐震能力評估之重要。因此對於橋樑結構設計須將地質條件與受震反應等因素納入考量,做基本結構設計;惟結構物受地震力作用時須透過精確模擬,避免結構受外力時達共振反應,因此後續將分析橋梁結構之自然振動頻率。
    本研究採以ABAQUS有限元素軟體進行樁土互制高度非線性行為分析,橋梁結構之自然振動頻率。藉由美國石油協會(API)所建議之土壤反力及位移關係轉換為土壤彈簧進行簡易模擬,藉此求得之自然振動頻率。為驗證土壤彈簧之可行性,本研究將驗證已知沙箱試驗,進行有限元素模型、土壤彈簧模型與試驗之自然振動頻率進行比較,確保ABAQUS求解自然振動頻率可靠性。

    Bridges play an important role in multi-hazard situations. In 1989, the San Francisco earthquake significantly damaged the San Francisco–Oakland Bay Bridge and caused a serious disaster situation. The earthquake also damaged many other bridges and affected rescue operations. Hence, it is important to evaluate the performance of bridges during earthquakes. In addition, it is necessary to consider soil and structure interaction when designing a bridge that will be subjected to dynamic loading.
    The dynamic behavior of a bridge structure is one of the important factors in seismic design. The most important of the dynamic characteristics of a bridge is its fundamental frequency and fundamental vibration mode. In this study, we use the ABAQUS finite element program to analyze the performance of a bridge pier under soil and structure interaction. First, finite element soil models including a soil spring model built upon empirical equations from the API (American Petroleum Institute) are used to calculate the natural frequencies of the bridge pier. Then, the numerical results are compared with the natural frequencies obtained using the experimental data from a shaking table test. In addition, a dynamic load is applied to the finite element bridge pier model to observe whether the displacement response exhibited the resonance phenomenon and to make sure that the natural frequency obtained using the ABAQUS solver was accurate and logical. Finally, parameter analyses are performed to study the influence of piles exposed to the fundamental frequency of the bridge pier.

    摘要 i 致謝 vi 目錄 vii 表目錄 x 圖目錄 xii 第一章緒論 1 1.1研究動機與目的 1 1.2研究方法 2 第二章文獻回顧 3 2.1樁基礎受側向載重分析 3 2.1.1彈性分析法 3 2.1.2極限破壞法 3 2.1.3土壤反力法 4 2.1.4有限元素法 15 2.2樁基礎軸向載重分析 15 2.3 API規範 22 2.4群樁效應 30 第三章數值模型 36 3.1分析模型介紹 36 3.2分析方法 40 3.3材料塑性模型 43 3.4介面行為 48 3.5有限元素法介紹 49 3.6無限元素法介紹 51 3.7邊界條件 53 3.8初始大地應力 53 3.9土壤彈簧法 55 第四章樁土互制之自振分析 57 4.1研究目的 57 4.2分析模型cae1 58 4.2.1參考實驗模型配置 58 4.2.2單柱式橋梁模型試體介紹 59 4.2.3有限元素模型 61 4.2.4 case1分析結果 64 4.2.5 case1結論 75 4.3 分析模型cae2 76 4.3.1參考實驗模型配置 76 4.3.2橋梁模型試體介紹 79 4.3.3有限元素模型 79 4.3.4 case2分析結果 82 4.3.5 case2結論 88 4.4分析模型cae3 89 4.4.1參考實驗模型配置 89 4.4.2 橋梁模型試體介紹 92 4.4.3有限元素模型 93 4.4.4 case3分析結果 94 4.4.5 case3結論 100 4.5討論 101 第五章結論與建議 104 5.1結論 104 5.2建議 104 參考文獻 106 附錄A 170

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