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，国家自然科学基金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年12月

第1章桥梁倒塌事故分析概述1

1.1国内外的桥梁倒塌事故1

1.1.1国内桥梁倒塌事故1

1.1.2国外桥梁倒塌事故7

1.2基于计算机辅助工程的事故分析思路9

参考文献11

第2章结构易损性分析方法13

2.1现有重要性评价指标综述13

2.1.1与荷载作用无关的评价方法14

2.1.2与荷载作用相关的评价方法15

2.1.3结构构件重要性评价方法的要求16

2.2结构重要性评价的概念与经验16

2.2.1基本概念16

2.2.2工程经验17

2.3广义结构刚度17

2.4基于结构广义刚度的重要性指标18

2.4.1构件的重要性确定18

2.4.2子结构的重要性指标19

2.4.3节点的重要性确定19

2.5结构冗余度指标及结构整体属性指标19

2.5.1结构冗余度指标19

2.5.2结构其他整体属性指标20

2.6重要性评价算例21

2.6.1重力荷载下的构件重要层次与整体结构属性22

2.6.2水平荷载下的构件重要层次与整体结构属性25

2.7拆除构件法与刚度折减法的关系27

2.7.1算例参数27

2.7.2重要性指标变换公式的建议28

2.8小结30

参考文献31

第3章石拱桥事故倒塌模拟和易损性分析32

3.1拱桥结构的易损点分析32

3.1.1石拱桥32

3.1.2上承式混凝土拱桥32

3.1.3中承式混凝土拱桥33

3.1.4系杆(下承式)混凝土拱桥33

3.2石拱桥倒塌数值模拟方法33

3.2.1背景资料33

3.2.2有限元模型的建立34

3.2.3材料参数取值35

3.2.4接触算法35

3.2.5倒塌分析工况36

3.2.6单元失效准则36

3.2.7某倒塌桥梁的2D倒塌模拟37

3.2.8某倒塌桥梁的3D倒塌过程模拟38

3.2.9三跨石拱桥倒塌模拟40

3.2.10倒塌仿真结果的讨论41

3.3石拱桥的构件重要性分析41

3.3.1重要性评价的主要步骤42

3.3.2三跨石拱桥的重要性评价42

3.3.3三跨石拱桥关键区域合理性验证43

3.3.4某倒塌桥梁重要性评价44

3.3.5某倒塌桥梁关键区域合理性验证44

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46

3.4.1施工阶段某倒塌桥梁的重要性评价46

3.4.2临时支撑体系的重要性评价及安全性研究48

参考文献51

第4章钢筋混凝土拱桥超载倒塌模拟及易损性分析52

4.1钢筋混凝土桥数值模拟方法52

4.1.1分层壳单元模块52

4.1.2单元生死模块53

4.1.3数值模型的验证53

4.2某工程情况模拟64

4.2.1基本工程概况64

4.2.2双重车过桥模拟64

4.2.3超载倒塌过程模拟67

4.2.4构件重要性评价69

4.2.5关键区域合理性验证70

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71

4.3.1基本工程概况71

4.3.2有限元模型72

4.3.3倒塌过程模拟73

4.3.4倒塌仿真模拟过程的讨论75

4.3.5构件重要性评价76

4.3.6关键区域合理性验证77

第5章斜拉桥地震倒塌过程模拟和易损性分析80

5.1某大跨单塔斜拉桥地震易损性分析80

5.1.1工程概况80

5.1.2桥梁结构有限元分析模型80

5.1.3地震作用下桥梁结构倒塌模拟81

5.1.4缆索结构构件重要性分析81

5.1.5缆索结构关键区域合理性验证82

5.1.6地震作用下桥梁结构的构件重要性评价83

5.2某超大跨三塔斜拉桥地震易损性分析85

5.2.1工程概况85

5.2.2斜拉桥模型简化87

5.2.3桥梁结构有限元分析模型88

5.2.4模态分析88

5.2.5地震作用下的倒塌过程模拟100

5.2.6缆索结构构件重要性分析102

5.2.7缆索结构关键区域合理性验证104

5.2.8全桥的构件重要性分析109

参考文献111

第6章真实感的桥梁倒塌场景模拟112

6.1桥梁倒塌有限元模拟的数据特点112

6.2基于有限元数据的桥梁场景建模114

6.2.1图形平台的选择114

6.2.2桥梁模型场景层次设计114

6.2.3场景模型绘制方法117

6.2.4桥梁相关的虚拟环境建模119

6.3桥梁场景模型的纹理映射121

6.3.1基于多重纹理的映射方法设计121

6.3.2OSG环境下的纹理映射实现算法123

6.4桥梁倒塌动画机制设计125

6.4.1桥梁倒塌动画概述125

6.4.2顶点数据渲染模式研究126

6.4.3基于回调的倒塌动画机制127

6.5桥梁倒塌动画实现算法设计129

6.5.1基于位移数据的顶点动态更新129

6.5.2“生死单元”的动态隐藏处理131

6.5.3动画控制与实现134

6.6应用算例136

参考文献139

第7章桥梁倒塌过程中的碎块模拟140

7.1桥梁倒塌特效概述140

7.1.1倒塌特效问题140

7.1.2倒塌特效的技术路线141

7.2倒塌特效模拟机制设计143

7.2.1OSG与PhysX的结合143

7.2.2结合特效的桥梁倒塌模拟机制145

7.3倒塌特效模拟的关键技术148

7.3.1OSG与PhysX的协同工作148

7.3.2倒塌碎块建模148

7.3.3烟尘特效算法设计154

7.4倒塌模拟算例157

参考文献159

第8章桥梁倒塌场景模拟的渲染优化160

8.1桥梁倒塌场景模拟的渲染瓶颈160

8.2基于CUDA的渲染加速架构设计163

8.2.1CUDA平台的特性分析163

8.2.2渲染加速架构设计164

8.3并行化的倒塌场景模拟渲染加速166

8.3.1OSG与CUDA的结合166

8.3.2CUDA线程结构与并行性能讨论166

8.3.3顶点位移动画加速算法设计169

8.3.4单元消隐动画加速算法设计172

8.3.5基于GPU内存的数据访问优化175

8.4渲染加速效果测试179

8.4.1初步渲染加速结果179

8.4.2二次渲染加速181

8.4.3最终渲染加速结果183

8.5GPU内存约束问题概述184

8.5.1问题的提出184

8.5.2整体解决思路185

8.6基于聚类法的关键帧提取算法186

8.6.1关键帧提取方法选择186

8.6.2基于聚类的关键帧提取算法187

8.7基于CUDA的实时帧插值算法190

8.7.1动画帧插值方法比较190

8.7.2B样条的大规模数据插值问题191

8.7.3基于CUDA的大规模数据高效插值算法192

8.7.4提取与插值的配合机制196

8.8算例测试与分析197

8.8.1桥梁倒塌典型运动分析197

8.8.2关键帧提取算法测试197

8.8.3帧插值算法测试199

参考文献201

第9章桥梁倒塌虚拟现实系统及应用203

9.1系统需求分析203

9.1.1系统目标203

9.1.2系统功能需求203

9.1.3系统开发约束205

9.2系统设计206

9.2.1系统架构206

9.2.2系统模块设计207

9.2.3系统界面设计208

9.3立体感的桥梁倒塌演示209

9.3.1立体感显示技术综述209

9.3.2系统立体显示实现210

9.4石拱桥倒塌算例211

9.4.1石拱桥倒塌场景模拟效果211

9.4.2真实场景对照213

9.4.3桥梁倒塌事故辅助功能展示215

9.5钢筋混凝土桥倒塌算例217

9.5.1钢筋混凝土桥倒塌场景模拟效果217

9.5.2倒塌模拟性能评测220

参考文献220