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出版者:

作者:环境保护部环境工程评估中心 编

出品人:

页数:364

译者:

出版时间:2010-6

价格:60.00元

装帧:

isbn号码:9787511102928

丛书系列:

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《现代土木工程结构分析与设计实践》 第一章 绪论：土木工程结构分析与设计的发展脉络与前沿趋势 本章旨在为读者构建一个全面而深入的理解框架，阐述现代土木工程结构分析与设计领域的历史演变、核心理论基础及其在当代工程实践中的前沿发展方向。我们将首先回顾结构工程学从经典力学理论向数字化、智能化转型的关键节点，特别是有限元方法（FEM）的引入如何彻底改变了复杂结构受力分析的范式。 结构设计的目标不仅仅是满足强度和刚度要求，更重要的是确保结构的安全性、耐久性、经济性与可持续性。本章将详细探讨这四大核心要素之间的内在联系与权衡取舍。例如，在追求轻量化和经济性的同时，如何通过先进材料（如高性能混凝土、钢-复合材料）和创新构造形式来保证长期服役的可靠性。 特别地，本章将聚焦于结构工程面临的现代挑战：极端荷载（如抗震、抗风、撞击）、老化与疲劳、以及应对气候变化带来的长期环境影响。我们将介绍性能化设计（Performance-Based Design, PBD）的基本理念，强调从“基于规范的最低要求”向“基于目标性能的优化设计”的思维转变。性能化设计要求工程师明确结构在不同地震烈度或风速下的预期响应（如：正常使用、损伤控制、生命安全），这需要更精细的非线性分析技术作为支撑。 第二章 结构材料的本构关系与先进应用 结构工程的基石在于材料。本章将深入剖析结构工程中最常用的几类材料的微观结构、宏观力学行为及其本构模型。 2.1 混凝土与钢筋的本构关系： 重点介绍钢筋的弹塑性模型（如弹塑性应变硬化模型）和混凝土的应力-应变关系。我们将讨论先进的混凝土模型，如Modified Compression Field Theory (MCFT)及其在剪切和扭转分析中的应用，以及三轴受力状态下混凝土强度的确定。此外，还将介绍超高性能混凝土（UHPC）的特性，其极高的抗压强度和良好的韧性如何拓展了结构设计的可能性。 2.2 钢结构与连接设计： 详细阐述碳素钢和高强度钢材的屈服与断裂准则。在钢结构部分，本章将着重于焊接节点和栓接节点的抗剪、抗拉承载力设计。讨论局部屈曲（Local Buckling）和整体失稳（Global Instability）的判别标准，以及如何运用有效截面法进行冷/热成型薄壁截面的设计。 2.3 新型与功能性材料： 介绍纤维增强聚合物（FRP）在结构加固和新建工程中的应用，包括FRP的拉伸行为、粘结性能以及其耐腐蚀优势。同时，探讨形状记忆合金（SMA）在“自复位结构”中的潜在应用，以期实现地震后结构的快速恢复。 第三章 高级结构分析技术：从静力到动力 本章是技术核心，涵盖了现代结构分析中不可或缺的计算工具和理论。 3.1 结构分析的理论基础与数值实现： 深入探讨有限元方法（FEM）的数学原理，包括单元选择（梁单元、板壳单元、实体单元）、网格划分的策略及其对计算结果准确性的影响。讨论网格无关性验证的重要性。 3.2 线性与非线性分析： 区分线性静力分析（适用于小变形和材料处于弹性阶段）与非线性分析。非线性分析是现代结构设计的关键，本章细致阐述几何非线性（大变形）、材料非线性（塑性、损伤）和接触非线性的处理方法。重点解析弧长法、残差控制法等在非线性静力平衡路径跟踪中的应用。 3.3 结构动力学与抗震分析： 这是高烈度区设计的核心。本章系统梳理自由振动、强迫振动及响应谱分析。重点讲解模态叠加法和时间历史分析法（Time History Analysis, THA）的适用条件与区别。在THA部分，我们将讨论如何选择和尺度化合适的地震波记录，以准确反映场地效应和结构非线性响应。介绍增量动力分析（IDA）作为性能化抗震设计评估的工具。 第四章 复杂结构体系的分析与设计 现代工程项目往往涉及高度集成和非传统结构形式。本章着眼于这些复杂体系的设计挑战。 4.1 空间桁架与网壳结构： 讨论此类结构在三维空间中的受力特点，如轴向力传递与侧向支撑的平衡。介绍稳定性分析，特别是欧拉屈曲和名义屈曲荷载的确定，以及如何通过预应力或初始刚度调整来提高整体稳定性。 4.2 桥梁工程中的箱梁与斜拉桥分析： 重点分析预应力混凝土箱梁的预应力效应、时变效应（徐变、收缩、松弛）的长期影响分析。在斜拉桥设计中，详细讨论索力平衡、梁体与索塔的耦合动力响应，以及施工阶段的分阶段建模与施工顺序模拟。 4.3 结构-风场相互作用（Aeroelasticity）： 针对高耸结构和大跨度结构，介绍风洞试验的原理和CFD（计算流体力学）在模拟风荷载下的应用。阐述颤振（Flutter）和涡激振动（Vortex-Induced Vibration, VIV）的评估方法，以及如何通过结构阻尼和导流装置来控制这些不利的空气动力效应。 第五章 结构耐久性、可靠性与寿命管理 结构工程的最终目标是确保基础设施在设计使用年限内保持功能完好。 5.1 结构可靠性理论： 介绍基于概率论的可靠度指标（Reliability Index, $eta$）概念，以及一次二阶矩法（FORM）和蒙特卡洛模拟在评估结构失效概率中的应用。讨论如何根据不同结构的重要性，确定目标可靠度水平。 5.2 腐蚀与疲劳损伤机理： 深入分析钢筋锈蚀导致混凝土开裂的机理，并介绍结构健康监测（SHM）系统如何集成传感器（如应变计、声发射）来实时评估结构状态。对于交通和工业结构，详细阐述S-N曲线法和Miner累积损伤法则在预测疲劳寿命中的应用。 5.3 结构加固与既有结构评估： 探讨在不改变结构主体的情况下，通过外部粘结、外部预应力或增设支撑来提升结构承载力与抗震能力的具体技术路线。强调评估既有结构时的承载力复核流程，特别是对规范更新后的“新标准”的适应性处理。 第六章 数字化设计流程与BIM集成 本章展望结构工程的未来，强调信息技术在优化设计和建造流程中的作用。 6.1 参数化与优化设计： 介绍如何使用参数化建模工具（如Grasshopper、Dynamo）将设计变量与性能指标关联起来，实现结构的拓扑优化、尺寸优化和布局优化。 6.2 结构工程中的BIM应用： 阐述建筑信息模型（BIM）如何贯穿从概念设计、详细分析到施工详图的全过程。重点介绍模型信息传递的准确性，以及如何利用BIM模型进行碰撞检测、工程量统计和施工进度的模拟（4D/5D BIM）。 6.3 智能制造与装配式结构： 探讨工厂预制和现场装配式结构（PC结构）的设计要求，包括连接节点的标准化设计、工厂质量控制与现场施工偏差的补偿，确保最终结构的整体性能与设计预期一致。 本书汇集了结构工程从理论到实践的深度内容，旨在为土木、结构工程专业人士提供一套系统、严谨且面向前沿的分析与设计方法论。

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