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出版者:人民交通出版社

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出版时间:2002-12-01

价格:15.0

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isbn号码:9787114046322

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• 桥梁工程
• 结构分析
• 样条子域法
• 有限元
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• 桥梁设计
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• 结构力学
• 桥梁结构

《桥梁结构力学新视野：有限元方法与现代分析技术》 引言 桥梁作为连接交通动脉、承载巨大荷载的关键基础设施，其安全性与可靠性至关重要。随着现代工程技术的发展，桥梁结构日益复杂化、大型化，对结构分析的精度和效率提出了更高的要求。传统分析方法在处理复杂几何形状、非均匀材料以及多场耦合效应时，常常面临精度不足、计算量庞大等挑战。与此同时，数值计算技术的飞速进步，尤其是有限元方法（FEM）的成熟和发展，为桥梁结构分析带来了革命性的变革。 本书旨在深入探讨有限元方法在桥梁结构分析中的应用，并介绍一系列现代分析技术，以期为桥梁工程师、研究人员及相关专业学生提供一个全面而深入的理论框架与实践指导。本书不局限于单一的分析方法，而是强调不同技术之间的协同与互补，力求勾勒出桥梁结构力学分析的新视野。 第一部分：桥梁结构力学基础与有限元方法原理 在深入探讨高级分析技术之前，本部分将首先回顾桥梁结构力学所依赖的基础理论，并详细阐述有限元方法的核心概念。 第一章：桥梁结构力学基本概念回顾 1.1 桥梁结构体系与荷载类型 简要介绍不同类型的桥梁（如梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等）及其结构特点。 梳理作用于桥梁结构的各种荷载，包括恒载（自重）、活载（交通荷载、人群荷载）、风荷载、地震荷载、温度变化荷载、收缩徐变等，并讨论其特性和组合原则。 1.2 材料力学与结构力学基本原理 回顾应力、应变、弹性模量、泊松比等基本材料力学概念。 梳理杆件、梁、板、壳等基本结构单元的受力分析方法，包括内力（轴力、剪力、弯矩、扭矩）的概念和计算。 介绍截面法、荷载法等传统分析手段，为理解数值方法的引入奠定基础。 1.3 结构动力学基础 引入自由振动、强迫振动、阻尼振动等概念。 讨论结构的质量、刚度和阻尼矩阵的概念。 简要介绍模态分析的基本思想，为后续的动力学分析打下基础。 第二章：有限元方法（FEM）核心原理 2.1 离散化思想与单元概念 解释如何将连续的桥梁结构离散化为有限个互连的单元。 介绍单元的类型，如杆单元、梁单元、三角形单元、四边形单元、实体单元等，并讨论其适用性。 探讨单元的节点、自由度等基本概念。 2.2 单元位移函数（形函数） 阐述单元位移函数的作用，即如何通过节点位移来描述单元内的位移场。 介绍不同阶次的形函数（如线性、二次形函数）及其构造方法（如拉格朗日插值）。 讨论形函数应满足的条件（如逼近性、相容性）。 2.3 单元刚度矩阵的推导 基于虚功原理或能量原理，推导单元刚度矩阵。 介绍应变-位移关系矩阵（B矩阵）和材料本构矩阵（D矩阵）。 推导单元刚度矩阵 k^e = ∫_V B^T D B dV。 2.4 整体刚度矩阵的组装 介绍如何将所有单元的局部刚度矩阵组装成整体结构的刚度矩阵 K。 讨论节点编号、单元连接方式以及相容性装配。 2.5 边界条件与荷载向量 详细说明如何施加约束（固定支座、活动支座、弹簧支座等）以及荷载（节点荷载、体力、面力）到整体方程中。 介绍等效节点荷载的计算方法。 2.6 求解方程组 介绍求解线性方程组 K u = F 的常用方法，如直接法（高斯消元法、LU分解法）和迭代法（雅可比法、高斯-赛德尔法、共轭梯度法）。 2.7 后处理与结果解释 介绍如何通过节点位移计算单元内的应力和应变。 讨论结果的可视化方法，如变形图、应力云图等。 第二部分：桥梁结构的高级有限元分析技术 在掌握了FEM的基本原理之后，本部分将聚焦于如何运用更高级的分析技术来解决桥梁结构工程中的复杂问题。 第三章：梁与板壳单元在桥梁结构中的应用 3.1 梁单元理论与发展 介绍经典梁单元（如欧拉-伯努利梁单元、铁木辛柯梁单元）及其在桥梁横梁、纵梁分析中的应用。 讨论剪切变形、转动惯量对梁单元精度的影响。 介绍高精度梁单元，如含有高次形函数的梁单元。 3.2 板单元理论与桥面板分析 介绍板单元（如Kirchhoff板单元、Mindlin板单元）及其在桥面板、桥台面板分析中的应用。 讨论薄板理论和厚板理论的差异，以及它们对板单元选择的影响。 介绍剪切变形效应在厚板分析中的重要性。 3.3 壳单元理论与三维曲面结构分析 介绍壳单元（如圆柱壳、球壳）及其在拱桥、箱梁、斜拉桥主梁等曲面结构分析中的应用。 讨论壳单元的复杂性和建模挑战。 介绍发展成熟的商用软件中提供的各类高阶壳单元。 第四章：桥梁结构动力学分析 4.1 自由振动分析（模态分析） 详细介绍如何通过求解特征值问题 (K - ω^2 M) φ = 0 获得结构的固有频率和振型。 讨论模态分析在桥梁抗震设计、风致振动评估中的作用。 介绍不同模态分析方法，如子空间迭代法、Lanczos方法。 4.2 响应谱分析 介绍响应谱的概念及其在地震作用下的桥梁结构抗震设计中的应用。 讨论如何根据反应谱计算结构的地震作用效应。 4.3 动力时程分析 详细介绍如何通过数值积分方法（如Newmark法、Wilson-θ法）求解动力方程 M ü + C ù + K u = F(t)。 讨论时程分析在模拟复杂动力荷载（如人工地震波、冲击荷载）下的结构响应。 介绍阻尼模型（如Rayleigh阻尼）的建立。 4.4 风振分析 讨论风荷载的特性及其对桥梁结构的影响。 介绍基于流固耦合的风洞试验数据或CFD模拟结果进行动力分析的方法。 分析桥梁结构的颤振、涡激振动等风致失稳现象。 第五章：桥梁结构中的非线性分析 5.1 材料非线性分析 介绍混凝土的开裂、压溃，钢材的屈服、强化等材料非线性行为。 讨论弹塑性本构模型的建立与应用。 介绍修正的Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等在混凝土分析中的应用。 5.2 几何非线性分析 分析大位移、大转动对结构刚度和荷载效应的影响。 介绍P-Δ效应（二阶效应）在轴压构件（如桥墩）分析中的重要性。 讨论在大型桥梁（如悬索桥、斜拉桥）中几何非线性的普遍性。 5.3 接触非线性分析 分析桥梁构件之间的接触（如支座、预应力锚固区）的非线性行为。 介绍节点连接的非线性效应，如摩擦、咬合等。 5.4 非线性求解方法 介绍增量法、牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson）及其修正方法在求解非线性方程组中的应用。 讨论收敛准则和步长选择。 第六章：桥梁结构的特殊分析问题 6.1 预应力结构分析 介绍预应力张拉对结构内力和变形的影响。 讨论预应力损失（如松弛、蠕变、弹性变形）的模拟。 介绍预应力混凝土梁桥、斜拉桥索梁系统等分析。 6.2 疲劳分析 分析交通荷载引起的重复应力对桥梁钢结构、混凝土结构的疲劳损伤。 介绍Miner法则等疲劳损伤累积理论。 讨论疲劳裂纹的萌生与扩展。 6.3 桥梁整体稳定性分析 分析桥梁构件（如桥墩、主梁）在轴力、弯矩作用下的屈曲失稳。 介绍欧拉临界力理论及其在数值分析中的应用。 进行桥梁整体稳定性评估。 6.4 动力相互作用（SSI）分析 分析桥梁结构与地基之间的动力相互作用。 介绍不同类型的地基模型（如弹簧-阻尼模型、连续介质模型）。 讨论SSI对地震响应的影响。 第三部分：现代计算技术与工程实践 本部分将探讨一些新兴的计算技术，以及它们如何提升桥梁结构分析的效率和精度，并结合工程实践进行讨论。 第七章：高级建模技术与网格生成 7.1 三维实体建模与参数化建模 介绍如何利用CAD软件进行精确的桥梁结构三维建模。 讨论参数化建模在优化设计中的优势。 7.2 高质量网格生成技术 强调网格质量对分析精度的重要性。 介绍自适应网格细化技术，根据应力梯度自动优化网格密度。 讨论不同网格类型（结构化网格、非结构化网格）的选择。 7.3 几何简化与等效建模 讨论在保证精度的前提下，如何对复杂几何进行简化。 介绍等效单元（如用梁单元模拟复杂截面的构件）的建模方法。 第八章：并行计算与高性能计算在桥梁分析中的应用 8.1 并行计算基本概念 介绍并行计算的原理，如数据并行、任务并行。 讨论分布式内存和共享内存体系结构。 8.2 有限元方程组的并行求解 介绍如何将大型有限元矩阵分解，并在多个处理器上并行求解。 讨论MPI（Message Passing Interface）和OpenMP等并行编程模型。 8.3 高性能计算（HPC）在复杂桥梁分析中的优势 分析大型三维模型、大规模非线性动力分析、多场耦合分析在HPC环境下的优势。 展望HPC技术为桥梁工程带来的机遇。 第九章：数值模拟的验证、评估与不确定性分析 9.1 模型验证与标定 讨论如何通过与理论解、试验数据（如现场监测数据、模型试验数据）对比来验证数值模型。 介绍模型标定技术，调整模型参数以提高拟合度。 9.2 灵敏度分析 研究输入参数（如材料属性、荷载参数）变化对输出结果（如应力、位移、频率）的影响。 识别关键设计参数。 9.3 可靠性与不确定性分析 讨论工程参数（如材料强度、荷载幅值）的随机性。 介绍蒙特卡洛模拟、一次二阶矩（FORM）、二次二阶矩（SORM）等方法进行可靠性分析。 评估桥梁结构的失效概率。 第十章：现代桥梁工程中的案例研究与展望 10.1 大型桥梁结构分析实例 选取具有代表性的斜拉桥、悬索桥、大跨度混凝土桥等进行案例分析。 展示如何运用本书介绍的多种分析技术解决实际工程问题。 讨论设计过程中遇到的挑战及解决方案。 10.2 桥梁监测与反馈分析 探讨如何结合结构健康监测（SHM）数据，利用有限元模型进行实时评估和预测。 介绍模型更新与修正方法。 10.3 未来发展趋势 展望多场耦合（如流固耦合、热固耦合、电磁耦合）分析在桥梁设计中的应用。 讨论人工智能（AI）和机器学习在结构分析和损伤诊断中的潜力。 强调数值模拟与试验验证相结合的重要性。 结语 本书通过对有限元方法原理的深入阐释，以及对桥梁结构各类高级分析技术的详细介绍，旨在帮助读者构建一个坚实的桥梁结构力学分析理论基础，并掌握运用现代数值方法解决复杂工程问题的能力。我们相信，通过持续的学习和实践，工程师们能够更有效地设计和建造安全、可靠、经济的桥梁，为社会发展做出贡献。 （本书内容至此结束）

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这本书的专业深度令人印象深刻，它显然是建立在多年的研究积累和大量的数值模拟工作之上的。我发现它在方法论的选择上非常具有前瞻性，它似乎在积极地拥抱那些在传统有限元分析中处理起来比较棘手的几何非线性和材料非线性问题。章节之间逻辑衔接得非常自然，从基础的离散化策略到高级的并行计算优化，层层递进，构建了一个完整的知识体系框架。特别是关于大型结构建模中的误差控制策略，书中给出的建议非常具体且具有可操作性，而不是空泛地提倡“高精度”。我个人对其中关于新型插值函数的讨论特别感兴趣，这部分内容显示了作者在基础数学理论上的深厚功底，并成功地将其转化为了提高结构分析稳定性和效率的实用工具。对于那些已经在结构分析领域工作多年，但希望突破现有分析瓶颈的资深专业人士而言，这本书无疑能提供全新的思维工具和技术视角，帮助他们实现技术上的跃迁。

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翻阅此书，我感受到的与其说是一本技术专著，不如说是一篇关于现代结构分析哲学的大讨论。作者的叙事视角非常开阔，他们没有将分析局限于单一的计算方法，而是将不同的分析范式置于一个更广阔的工程决策背景下去审视。书中对“模型简化”与“精度保持”之间内在矛盾的剖析，可谓一针见血，直指当前结构工程实践中的痛点。我尤其欣赏作者在引入创新算法时所使用的对比分析方法，他们会详细阐述新方法相较于经典方法的优势（比如计算收敛性、对特定几何形状的适应性等），这种坦诚的比较极大地增强了读者对新技术的信任感。此外，本书的附录部分也处理得非常出色，其中对常用软件接口和数据格式的说明，体现了作者对将理论付诸实践的细致考量。这本书的价值在于，它不仅教你“如何做”，更重要的是教你“为何要如此做”，充满了对工程科学本质的深刻洞察。

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这本书的阅读体验可以称得上是一种智力上的享受。它成功地将原本被认为晦涩难懂的专业领域，用一种充满组织性和艺术感的方式呈现出来。从排版的留白到图表的清晰度，无不体现出对读者阅读体验的极致关注。内容上，它似乎在努力弥合理论研究前沿与工程实际应用之间的鸿沟。书中对复杂结构响应的描述，常常引用到一些非线性的动态特性分析，这些在传统教材中往往是一笔带过的内容，却被作者深入挖掘并提供了详细的数学背景和工程意义。我注意到，书中的理论推导非常严密，每一步骤都有清晰的数学依据，但同时，作者又总能及时跳出公式，用通俗的语言解释这些公式在物理世界中代表的意义，这种“落地”的能力非常难得。对于结构工程领域的初学者来说，它可能略显挑战，但对于那些希望在专业领域深耕，追求卓越分析能力的学者和工程师来说，这本书绝对是一笔值得投入的宝贵财富，它会是你书架上那本常翻常新的参考书。

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初读这本书时，我立刻被其独特的论述节奏所吸引。它不像传统的教科书那样板着面孔，而是仿佛一位经验丰富的导师，带着你进行一场思维的探险。作者在行文中偶尔穿插的工程实例分析，简直是教科书式的范例，那些鲜活的案例极大地增强了理论的可操作性和说服力。比如，在讨论某一特定边界条件下的应力集中问题时，书中并未满足于简单的公式推导，而是结合了实际桥梁在极端荷载下的反馈数据进行交叉验证，这种“理论指导实践，实践反哺理论”的论证逻辑，让人深信不疑。文笔上，作者的遣词造句精准且富有张力，即便是面对高维度的张量分析，也能用相对简洁的语言进行概括，避免了不必要的晦涩感。我注意到书中对计算效率的讨论也占据了相当大的篇幅，这表明作者对工程实际的关怀，毕竟，再精确的模型，如果计算时间过长，在实时工程决策中也难以落地。总而言之，这是一本兼具深度与广度，理论与应用完美融合的佳作，读起来痛快淋漓，收获颇丰。

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这部作品无疑是工程技术领域的一部重量级著作，它以一种令人耳目一新的视角切入了结构力学的核心难题。首先，从装帧设计和排版风格来看，这本书就散发出一种严谨而专业的学术气息。厚实的封面和清晰的字体选择，预示着里面蕴含着扎实的内容。我特别欣赏作者在引入复杂理论时所展现出的耐心与清晰度，他们并没有直接将读者抛入高深的数学模型之中，而是先从宏观的概念入手，逐步搭建起知识的阶梯。这种循序渐进的叙述方式，对于那些希望深入理解现代结构分析工具的工程师和研究生来说，无疑是一剂良药。书中对现有分析方法的批判性回顾也做得非常到位，它不仅仅是知识的堆砌，更是一种思想的碰撞，鼓励读者去思考现有方法的局限性，并积极探索更优的解决方案。尤其是一些配图，虽然是纯粹的示意图，但其精确度和信息密度，都极大地辅助了抽象概念的理解。我个人认为，这本书的价值不仅仅在于提供了一套现成的分析工具，更在于它培养了读者独立思考和创新解决问题的能力，这在快速迭代的工程实践中显得尤为珍贵。

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