鋼結構高等分析的二階非彈性理論與套用:圖書介紹,目錄,前言,

《鋼結構高等分析的二階非彈性理論與套用》是2012年科學出版社出版的圖書，作者是劉堅。本書可供從事土木工程研究、設計與施工的人員參考,也可作為高等院校土木工程專業及相關專業博士、碩士研究生和高年級本科生的參考書。

基本介紹

書名：鋼結構高等分析的二階非彈性理論與套用
作者：劉堅
ISBN：978-7-03-032271-5
定價：￥95 元
出版社：科學出版社
出版時間：2012-7-2

圖書介紹,目錄,前言,

圖書介紹

高等分析是基於結構極限承載力的設計方法的理論基礎，本書系統地論述了。全書共13章，內容包括緒論、影響鋼結構高等分析的主要因素、鋼結構高等分析的關鍵技術、彎剪與翹扭穩定函式、三維樑柱單元與三維支撐桿元二階彈性非線性剛度方程、基於彎剪與翹扭穩定插值函式的三維樑柱單元與三維支撐桿元二階非彈性剛度方程、基於彎剪穩定函式的鋼結構二維高等分析、基於彎剪與翹扭穩定函式的鋼結構三維高等分析、基於纖維模型的鋼結構高等分析、鋼結構樑柱節點半剛性連線智慧型計算模型、半剛性連線鋼結構的二階非彈性分析、鋼結構二階非彈性分析算例分析和高等分析的設計方法套用、基於遺傳算法與高等分析的鋼結構最佳化等。

前言

鋼結構具有技術含量高、抗震性能好、高強輕質、材質均勻、塑性韌性好、工業化程度高、施工速度快和綜合經濟指標好等優點，且符合環保和可持續發展要求，是一種技術比較成熟的體系。因此，鋼結構與其他材料（混凝土、砌體）的結構相比是一種比較理想的結構形式。另一方面，我國30多年來的改革開放和經濟發展，為鋼結構體系的套用創造了極有利的發展環境。1996年我國成為世界上鋼產量最多的國家，鋼產量已超過1億t。近幾年隨著鋼產量逐年上新台階，2010年已突破6億t，同時隨著國家技術政策的扶持，我國已建成和在建的多高層建築鋼結構和鋼混凝土混合結構在逐年增加，主要套用在住宅、辦公和旅館等建築結構中，此外在橋樑建築、電力塔桅結構、海洋平台、港口建築、水工結構和礦山建築等工程中也得到了廣泛套用。然而，與鋼結構的發展不相適應的是目前鋼結構分析和設計方法還不完善，有時反而限制了鋼結構的發展。?

鋼結構高等分析方法是指對（二維或三維）鋼結構計算模型直接進行整體結構二階非彈性分析的一種全過程非線性數值計算方法。鋼結構高等分析方法應能比較準確地反映影響結構極限承載能力的初始缺陷因素，包括構件的幾何初始缺陷（如初彎曲）和截面上的殘餘應力。這種方法涉及的知識比較廣泛，如連續介質力學、變分原理、非線性有限元分析技術和非線性方程組求解收斂策略技術等。對鋼結構進行高等分析，需要考慮高等分析中用到的二階非彈性分析方法是否合理、計算效率如何提高、影響結構極限承載力的主要因素有哪些。更為合理、精確的鋼結構高等分析方法應該能考慮在結構達到結構極限狀態時結構計算模型的一些主要特徵如構件的初始缺陷、構件極限承載力和正常使用兩個極限狀態，以及結構的極限承載力和正常使用兩個極限狀態等。鋼結構高等分析方法能充分考慮影響結構幾何非線性（穩定性）和材料非線性（非彈性）等影響結構極限承載力的主要因素。鋼結構高等分析能夠比較真實地反映鋼結構從開始載入一直到鋼結構達到結構極限承載力的全過程分析中的結構和構件內力與變形狀態，能較準確地評估結構極限承載力；鋼結構高等分析和設計方法的最大優點是可以拋棄傳統兩階段設計方法中需對組成結構的每個構件進行繁瑣的包括構件穩定性和截面強度驗算在內的構件承載力計算。通過選用恰當和合理的二階非彈性分析方法和非線性方程組求解技術策略，從而使鋼結構設計通過一次高等分析，就可以完成鋼結構設計所需的各種信息。?

目前，越來越多的國家開始重視鋼結構高等分析與設計研究，並開始在實際工程中實施和套用。澳大利亞極限狀態設計標準AS4100（SAA,1990）中已經包含了高等分析或二階非彈性整體分析的條款，被認為是目前國際上最為先進的鋼結構設計規範，而且該規範是目前國際上唯一允許對整個結構系統進行二階非彈性分析且不需要對組成結構的各個構件再進行構件承載力驗算的規範。加拿大規範CSA-S16?1（CSA,1989）和美國規範AISC-LRFD（AISC,1993）推薦使用二階非彈性分析，不過仍然要對組成結構的各個構件進行構件承載力驗算。另外，歐洲EC3規範也要求採用彈塑性整體分析後仍然需要對組成結構的各個構件進行構件承載力驗算。英國鋼結構設計規範BS5950(1990,2000)己經允許結構工程師在鋼結構設計中採用二階非彈性分析方法進行結構設計。我國《鋼結構設計規範》（GB 50017-2003）目前還沒有關於高等分析的相應條款。?

本書以作者近10年來在鋼結構高等分析的二階非彈性理論和套用的研究成果為主線，系統地闡述了鋼結構二階非彈性分析、高等分析和基於結構承載力設計方法。全書共13章。第1章首先回顧了主要鋼結構體系在實際工程中的套用，評述了鋼結構設計方法的發展過程，分析了現行鋼結構設計方法存在的問題及解決辦法；述評了國內外鋼結構二階非彈性非線性分析理論的發展現狀和研究進展，提出了開展鋼結構高等分析的進一步研究方向，闡述了基於結構極限承載力的高等分析計算方法、基於高等分析和結構可靠度的鋼結構設計方法。第2章對影響鋼結構高等分析的主要非線性因素進行了分析，探討了考慮這些因素的方法，評述了各種因素(幾何、材料非線性、殘餘應力、幾何初始缺陷、構件截面剪下變形、節點域剪下變形、節點半剛性連線、局部屈曲、側扭屈曲變形和翹曲變形等)對鋼結構的受力變形和結構極限承載力的影響。第3章介紹了鋼結構高等分析方法對初彎曲和殘餘應力的考慮、二階彈性分析的描述方法、二階彈性分析方法、材料非線性問題、屈服面選用、二階非彈性分析方法和非線性方程組的求解技術等鋼結構高等分析的關鍵技術問題，提出在鋼結構高等分析中使用超級單元法並行計算等提高非線性求解效率新技術。第4章首先分析了考慮軸力和剪下變形影響的開、閉口截面彎剪穩定函式，歸納了彎剪穩定插值函式的一般表達式；首次提出了考慮軸力影響的開、閉口截面樑柱單元翹扭穩定函式概念和計算公式，推導了基於翹扭穩定函式的開、閉口截面三維樑柱單元翹曲扭轉二階彈性非線性剛度矩陣，並給出了相應的變換關係。第5章利用考慮剪下變形的彎剪位移場和考慮軸力的翹扭位移場，分別推導了考慮剪下變形的彎剪穩定插值函式和考慮軸力影響的翹扭穩定插值函式，之後，根據連續介質力學的理論方法，利用修正的拉格朗日列式法，基於增量虛功方程的嚴格形式，推導了基於樑柱理論的空間樑柱單元二階彈性分析的剛度矩陣；利用修正的拉格朗日列式法，基於虛功方程的嚴格形式，首次推導了基於翹扭穩定插值函式的有限元形式的三維樑柱單元的翹扭線彈性剛度矩陣與翹扭幾何非線性剛度矩陣；同時推導了基於翹扭穩定函式和樑柱理論的三維樑柱單元翹扭二階彈性剛度矩陣，提出了三維樑柱單元側扭幾何非線性剛度矩陣，把有限元法與樑柱法相結合，建立了一種新的考慮剪下變形、側扭屈曲變形影響的二階彈性非線性分析方法。第6章在第5章介紹的採用有限變形理論推導的考慮剪下變形和軸力影響的剪彎及翹扭穩定插值函式的二階彈性樑柱單元基礎上，主要探討基於集中塑性鉸的三維空間二階非彈性樑柱單元及三維二階非彈性非線性支撐桿元，可採用這兩種單元分別對純鋼框架結構、鋼框架支撐結構進行比較精確的高等分析。第7章介紹基於彎剪穩定函式的鋼結構二維高等分析方法，主要包括二維二階非彈性非線性樑柱單元、二維二階非彈性非線性支撐桿元，可採用這兩種單元分別對規則的純鋼框架結構、鋼框架支撐結構或者是可以化為二維計算模型的鋼結構進行比較精確的高等分析。第8章在現有二維二階精化塑性鉸模型的基礎上，對基於考慮剪下變形的穩定函式的二階精化塑性鉸法及其套用進行了分析，其中著重分析了殘餘應力和彎曲引起的漸進屈服的影響，增加了彎扭耦合項，以有效地考慮空間構件彎扭作用的影響；對基於剛性樓板假設的鋼結構的三維二階非彈性分析方法、基於超級單元法的鋼結構的三維二階非彈性分析方法進行了探討，主要是為了提高鋼結構二階非彈性非線性分析的計算效率；另外，還對二階非彈性三維支撐桿元進行了分析，主要是為了結合二階非彈性三維樑柱單元對鋼框架支撐結構進行高等分析。第9章對基於桿元纖維模型的二階非彈性分析、基於樑柱纖維模型的三維二階非彈性分析、基於樑柱纖維模型和柔度法的鋼結構三維二階非彈性分析等三種基於纖維模型二階非彈性分析方法進行了探討和發展。第10章對人工智慧分析模型選用、BP算法人工神經網路模型進行了述評，還對樑柱節點連線的分類、受力性能和現有節點連線資料庫進行了分析，比較了現有半剛性連線計算模型，分析了國外半剛性連線試驗資料庫中帶雙腹板頂底角鋼半剛性連線、端板半剛性連線的影響因素，提出和建立了樑柱節點半剛性連線的人工智慧分析模型；利用現有國外半剛性連線試驗資料庫，建立了腹板角鋼半剛性連線、頂底角鋼半剛性連線、雙腹板頂底角鋼半剛性連線和端板半剛性連線的人工智慧分析模型，可用於半剛性連線鋼結構的高等分析中；開發和研製了BP人工神經網路智慧型分析模型的預測軟體。第11章對半剛性鋼結構計算模型選用進行了詳細的分析，述評了半剛性連線節點的滯回模型，探討了半剛性連線鋼結構計算方法選用，在前述關於剛性連線鋼結構的三維二階非彈性分析方法基礎上推導了梁端帶有半剛性連線的三維樑柱單元二階非彈性剛度矩陣，探討了半剛性連線鋼結構的三維二階非彈性分析方法，提出了半剛性連線鋼結構的基本自振周期簡化計算方法，可供初步設計時參考，之後分析了半剛性連線鋼結構二階非彈性時程分析方法。第12章通過一些算例分析，對剛性和半剛性連線鋼結構的二維、三維高等分析進行了研究，說明實際鋼結構工程中套用高等分析是可行的；然後通過鋼結構工程算例分析比較了鋼結構高等分析與現行鋼結構兩階段設計方法的不同，闡述高等分析特點和工程套用優勢，最後對兩個典型鋼結構工程實例進行了分析，為這種方法的工程套用提供了參考。第13章建立了鋼結構遺傳算法最佳化的數學模型，將遺傳算法和鋼結構高等分析理論方法相結合，提出了基於遺傳算法和結構極限承載力的鋼結構最佳化分析方法，研製了基於遺傳算法的鋼結構最佳化分析程式，在鋼結構設計中實現了遺傳算法最佳化，並用算例對程式和方法進行了驗證。?

本書得到了廣州大學周福霖院士，西安建築科技大學郝際平教授，重慶大學李開禧教授、白紹良教授，廣州大學禹奇才教授、周雲教授、張俊平教授、崔傑教授的鼓勵、支持和幫助，以及浙江東南網架有限公司周觀根教授級高工、章啟新高工，廣州市設計院韓建強教授級高工，廣東省建築設計研究院周敏輝教授級高工的幫助和支持，作者在此表示由衷的感謝！感謝美籍華人科學家陳惠發（W. F. Chen）院士提供了有關半剛性連線資料庫資料。感謝西安建築科技大學博士後流動站及浙江東南網架有限公司博士後流動站在作者博士後研究期間所提供的良好的科研條件，本書部分研究內容就是在那一期間完成的。?

本書研究工作得到建設部科技攻關項目、住房和城鄉建設部科技計畫項目，國家自然科學基金項目和廣州市教育局科技計畫項目的資助，在此表示誠摯的謝意。書中部分內容和圖表參考了相關文獻，在此對原作者表示衷心的感謝。?

作者指導的研究生易凌、陳德磊、汪齊備、皮海平、吳昭慧、何林和張鴻雁等參加了書中部分算例的分析計算工作，陳娟、彭登峰、邢增林、李慧和高玥等協助完成了部分圖文的編輯處理工作，特在此一併表示感謝。?

本書的出版得到了廣州大學學術著作出版基金和結構工程市級重點學科建設經費的資助，在此表示衷心感謝。?

由於鋼結構二階非彈性分析、高等分析和基於結構承載力設計方法內容十分豐富，且處在不斷發展中，書中不足之處在所難免，衷心希望有關專家和同行批評指正。??

劉堅2011年6月於廣州大學城

鋼結構高等分析的二階非彈性理論與套用

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