鋼結(jié)構(gòu)高等分析的二階非彈性理論與應(yīng)用

內(nèi)容概要

高等分析是基于結(jié)構(gòu)極限承載力的設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)，劉堅(jiān)編著的《鋼結(jié)構(gòu)高等分析的二階非彈性理論與應(yīng)用》系統(tǒng)地論述了鋼結(jié)構(gòu)高等分析的二階非彈性計(jì)算理論及其設(shè)計(jì)應(yīng)用。全書共13
章，內(nèi)容包括緒論、影響鋼結(jié)構(gòu)高等分析的主要因素、鋼結(jié)構(gòu)高等分析的關(guān)鍵技術(shù)、彎剪與翹扭穩(wěn)定函數(shù)、三維梁柱單元與三維支撐桿元二階彈性非線性剛度方程、基于彎剪與翹扭穩(wěn)定插值函數(shù)的三維梁柱單元與三維支撐桿元二階非彈性剛度方程、基于彎剪穩(wěn)定函數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)二維高等分析、基于彎剪與翹扭穩(wěn)定函數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)三維高等分析、基于纖維模型的鋼結(jié)構(gòu)高等分析、鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性連接智能計(jì)算模型、半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)的二階非彈性分析、鋼結(jié)構(gòu)二階非彈性分析算例分析和高等分析的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用、基于遺傳算法與高等分析的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。
《鋼結(jié)構(gòu)高等分析的二階非彈性理論與應(yīng)用》可供從事土木工程研究、設(shè)計(jì)與施工的人員參考，也可作為高等院校土木工程專業(yè)及相關(guān)專業(yè)博士、碩士研究生和高年級本科生的參考書。

作者簡介

劉堅(jiān)   廣州大學(xué)教授   男 　　出生年月：1964年04月 　　學(xué)位：博士（后） 　　職稱、職務(wù)：廣州大學(xué)土木工程學(xué)院教授、建筑工程系主任 碩士研究生生導(dǎo)師 個(gè)人經(jīng)歷：1987.06本科畢業(yè)于華中理工大學(xué)工民建專業(yè)。 　　2003.11博士畢業(yè)于重慶大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。 　　2005.3~2007.3在西安建筑科技大學(xué)土木工程一級學(xué)科（國家重點(diǎn)學(xué)科）博士后流動(dòng)站及浙江省東南網(wǎng)架股份集團(tuán)有限公司博士后工作站（國家級）做博士后研究。 　　2004年6月入圍廣東省高等學(xué)?！扒О偈こ獭迸囵B(yǎng)對象。 　　2000年12月獲得副教授任職資格。 　　2003年9月被廣州大學(xué)聘為特聘教授。 　　現(xiàn)任廣州大學(xué)建工系主任、書記，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程專業(yè)碩士點(diǎn)負(fù)責(zé)人。 　　結(jié)構(gòu)工程專業(yè)碩士點(diǎn)導(dǎo)師、防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程碩士點(diǎn)導(dǎo)師。 　　主要從事鋼結(jié)構(gòu)的高等分析理論及其在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用、新型大跨度空間結(jié)構(gòu)抗震性能及計(jì)算理論等方面的研究工作。從事鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)、科研和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作二十多年。 　　●主要研究方向：鋼結(jié)構(gòu)高等分析理論及應(yīng)用；半剛性鋼結(jié)構(gòu)的智能分析模型研究；鋼與混凝土混合（及組合）結(jié)構(gòu)計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法及抗震性能研究；復(fù)雜大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)理論及工程應(yīng)用研究等。 　　●主要承擔(dān)課程：《鋼結(jié)構(gòu)》、《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》、《大跨度建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》、《建筑結(jié)構(gòu)與選型》；畢業(yè)設(shè)計(jì)；研究生課程：《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)》、《大跨度空間結(jié)構(gòu)》、《現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)》等課程主講工作。 　　●主要研究成果：1．論文（著作）： 　　在省級以上刊物、核心刊物和國外、國內(nèi)國際會(huì)議等公開發(fā)表學(xué)術(shù)和教研論文40余篇，其中部分論文被EI、ISTP收錄。在科學(xué)出版社出版著作《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》一部，在科學(xué)出版社出版專著《鋼結(jié)構(gòu)二階非彈性分析理論與計(jì)算應(yīng)用》一部。 　　2．科研項(xiàng)目： 　　先后主持和參加： 　　廣東省教育廳“十五”規(guī)劃項(xiàng)目（GYA02051）、 　　國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50378078） 、 　　建設(shè)部科技攻關(guān)項(xiàng)目（2004－165、2006－k3-02、2008－k2－36）、 　　廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（0711651900001）、 　　東南網(wǎng)架股份集團(tuán)博士后工作站（國家級）科研項(xiàng)目、 　　甘肅省科委科技攻關(guān)項(xiàng)目（CK-953-2-135A)、 　　08年市教育局項(xiàng)目（08C056）、 　　中國科學(xué)院教材建設(shè)專家委員會(huì)立項(xiàng)等10余項(xiàng)。 　　3．獲獎(jiǎng)情況： 　　09年全國普通高校土木工程類實(shí)用創(chuàng)新型系列規(guī)劃教材優(yōu)秀獎(jiǎng)； 　　09年廣州市多媒體教育軟件三等獎(jiǎng)； 　　2008-2009學(xué)年教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)； 　　2008年廣州大學(xué)優(yōu)秀黨員； 　　2009年廣州大學(xué)優(yōu)秀教師； 　　2003.9~2005.9廣州大學(xué)院級特崗特聘教授； 　　廣州大學(xué)2007、2009年多媒體教育軟件二等獎(jiǎng)； 　　《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》多媒體教學(xué)軟件分別獲得2011年廣州市多媒體教育軟件評獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、2011年廣州大學(xué)多媒體教育軟件評獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)； 　　《大跨度建筑空間鋼結(jié)構(gòu)》獲得2011年全國第四屆建筑類多媒體課件大賽二等獎(jiǎng)； 　　曾獲甘肅省建設(shè)委員會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；蘭州鐵道學(xué)院科技成果一等獎(jiǎng)。編輯本段二、近幾年主要科研情況介紹　　近年來，在鋼結(jié)構(gòu)高等分析理論、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及非線性計(jì)算理論及抗震研究、新型大跨度空間結(jié)構(gòu)計(jì)算理論、抗震性能及工程應(yīng)用研究、鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與抗震性能研究工作。先后主持和參加建設(shè)部項(xiàng)目-大跨度非規(guī)則空間鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目三維鋼結(jié)構(gòu)高級分析理論、建設(shè)部項(xiàng)目- 基于遺傳算法與結(jié)構(gòu)極限承載力的鋼框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究、甘肅省科委科技攻關(guān)項(xiàng)目、建設(shè)部科技項(xiàng)目-半剛性連接智能模型研究及其在鋼結(jié)構(gòu)二階分析中的應(yīng)用等10余項(xiàng)。曾獲甘肅省建設(shè)委員會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，蘭州鐵道學(xué)院科技成果一等獎(jiǎng)，在核心期刊、省級以上刊物和國際會(huì)議公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，其中，部分文章被EI和ISTP收錄，目前正主持多個(gè)科研項(xiàng)目。主講土木工程、建筑學(xué)等本科專業(yè)的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》、《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)》、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》、《空間結(jié)構(gòu)》、及《建筑結(jié)構(gòu)與選型》、《大跨度建筑結(jié)構(gòu)》等主干課程，主講結(jié)構(gòu)工程和防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程專業(yè)碩士研究生《組合結(jié)構(gòu)》、《大跨度建筑結(jié)構(gòu)》等課程，以及主講防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程專業(yè)博士研究生的《現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論》等課程。指導(dǎo)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。作為主要參加者參與土木工程專業(yè)國家特色專業(yè)建設(shè)。 　　主持全國土木工程專業(yè)實(shí)用創(chuàng)新型系列規(guī)劃教材建設(shè)項(xiàng)目立項(xiàng)（中國科學(xué)院教材建設(shè)專家委員會(huì)，省部級立項(xiàng)）-鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，主持廣東省教育廳“十五”規(guī)劃項(xiàng)目（GYA02051） -《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)》整合傳播教學(xué)研究。主持2005年度廣州大學(xué)教育教學(xué)研究立項(xiàng)-鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)整合傳播教學(xué)網(wǎng)站研究，主持2007年度廣州大學(xué)教育教學(xué)研究立項(xiàng)-《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》教學(xué)資源網(wǎng)研究，鋼與混凝土結(jié)合結(jié)構(gòu)網(wǎng)站獲廣州大學(xué)2007年多媒體教育軟件評獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。2005年9月在科學(xué)出版社出版《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》教材一本（主編）。 　　近年來，劉堅(jiān)（博士后）主持的《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)教學(xué)網(wǎng)站》、《鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)資源網(wǎng)》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)網(wǎng)站》、《大跨度建筑空間鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)網(wǎng)》及相關(guān)課程課件的建設(shè)，以及《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)》、《大跨度建筑空間鋼結(jié)構(gòu)》等網(wǎng)絡(luò)課程的建設(shè)分別獲得2010年、2009年廣州市多媒體教育軟件評獎(jiǎng)活動(dòng)高等教育組課件二、三等獎(jiǎng)各一項(xiàng)，2007~2011廣州大學(xué)多媒體教育軟件評獎(jiǎng)活動(dòng)的二等獎(jiǎng)三項(xiàng)、三等獎(jiǎng)一項(xiàng)。 　　主編《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》（2005.08）和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》（2011.11）教材，2009年經(jīng)過中國科學(xué)院（教材建設(shè)專家委員會(huì)）和清華大學(xué)等高校評審，《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》獲得全國普通高校土木工程類實(shí)用創(chuàng)新型系列規(guī)劃教材評比優(yōu)秀教材獎(jiǎng)。曾獲得廣州大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)論文創(chuàng)新獎(jiǎng)二、三等獎(jiǎng)指導(dǎo)教師各一次，這些課程建設(shè)為建工系本科與研究生鋼結(jié)構(gòu)系列課程教學(xué)起到積極的推動(dòng)作用，獲得2008~2009學(xué)年度廣州大學(xué)教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和2010年廣州大學(xué)第四屆教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，廣東省高等學(xué)?！扒О偈こ獭毙＜壟囵B(yǎng)對象，2003~2005廣州大學(xué)院級特崗特聘教授。 　　科研方面，先后主持和參加廣東省教育廳項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、國家級博士后工作站科研項(xiàng)目、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目、住建部科技計(jì)劃項(xiàng)目等10余項(xiàng)，曾獲得省級建委科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，廳局級科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，并在科研工作中取得一定成果，公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，已在科學(xué)出版社出版《鋼結(jié)構(gòu)高等分析的二階非彈性理論》（2011.08）專著一本。目前還正在與廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院、東南網(wǎng)架股份集團(tuán)和市建總、廣州市設(shè)計(jì)院等單位合作的住建部科技計(jì)劃項(xiàng)目和有關(guān)橫向科研項(xiàng)目、以及專業(yè)碩士培養(yǎng)也取得了一些階段性成果，擬出版專著《半剛性連接多高層鋼結(jié)構(gòu)新方法》（2012.09）、《鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)簡化分析原理及其應(yīng)用》（2013.12）等。 　　現(xiàn)擔(dān)任International Journal for Computational Methods in Engineering、Science and Mechanics、Journal of Vibration and Control等國際學(xué)術(shù)期刊審稿人，以及《土木工程學(xué)報(bào)》等國內(nèi)一級權(quán)威學(xué)術(shù)期刊審稿人。目前，還參加了廣東省《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的編制工作。  鋼結(jié)構(gòu)具有技術(shù)含量高、抗震性能好、高強(qiáng)輕質(zhì)、材質(zhì)均勻、塑性韌性好、工業(yè)化程度高、施工速度快和綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu)點(diǎn)，且符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展要求，是一種技術(shù)比較成熟的體系。因此，鋼結(jié)構(gòu)與其他材料（混凝土、砌體）的結(jié)構(gòu)相比是一種比較理想的結(jié)構(gòu)形式。另一方面，我國30多年來的改革開放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用創(chuàng)造了極有利的發(fā)展環(huán)境。1996年我國成為世界上鋼產(chǎn)量最多的國家，鋼產(chǎn)量已超過1億t。近幾年隨著鋼產(chǎn)量逐年上新臺(tái)階，2010年已突破6億t，同時(shí)隨著國家技術(shù)政策的扶持，我國已建成和在建的多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)和鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)在逐年增加，主要應(yīng)用在住宅、辦公和旅館等建筑結(jié)構(gòu)中，此外在橋梁建筑、電力塔桅結(jié)構(gòu)、海洋平臺(tái)、港口建筑、水工結(jié)構(gòu)和礦山建筑等工程中也得到了廣泛應(yīng)用。然而，與鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展不相適應(yīng)的是目前鋼結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)方法還不完善，有時(shí)反而限制了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
鋼結(jié)構(gòu)高等分析方法是指對（二維或三維）鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型直接進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)二階非彈性分析的一種全過程非線性數(shù)值計(jì)算方法。鋼結(jié)構(gòu)高等分析方法應(yīng)能比較準(zhǔn)確地反映影響結(jié)構(gòu)極限承載能力的初始缺陷因素，包括構(gòu)件的幾何初始缺陷（如初彎曲）和截面上的殘余應(yīng)力。這種方法涉及的知識(shí)比較廣泛，如連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、變分原理、非線性有限元分析技術(shù)和非線性方程組求解收斂策略技術(shù)等。對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)算效率如何提高、影響結(jié)構(gòu)極限承載力的主要因素有哪些。更為合理、精確的鋼結(jié)構(gòu)高等分析方法應(yīng)該能考慮在結(jié)構(gòu)達(dá)到結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的一些主要特征如構(gòu)件的初始缺陷、構(gòu)件極限承載力和正常使用兩個(gè)極限狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)的極限承載力和正常使用兩個(gè)極限狀態(tài)等。鋼結(jié)構(gòu)高等分析方法能充分考慮影響結(jié)構(gòu)幾何非線性（穩(wěn)定性）和材料非線性（非彈性）等影響結(jié)構(gòu)極限承載力的主要因素。鋼結(jié)構(gòu)高等分析能夠比較真實(shí)地反映鋼結(jié)構(gòu)從開始加載一直到鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到結(jié)構(gòu)極限承載力的全過程分析中的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件內(nèi)力與變形狀態(tài)，能較準(zhǔn)確地評估結(jié)構(gòu)極限承載力；鋼結(jié)構(gòu)高等分析和設(shè)計(jì)方法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以拋棄傳統(tǒng)兩階段設(shè)計(jì)方法中需對組成結(jié)構(gòu)的每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行繁瑣的包括構(gòu)件穩(wěn)定性和截面強(qiáng)度驗(yàn)算在內(nèi)的構(gòu)件承載力計(jì)算。通過選用恰當(dāng)和合理的二階非彈性分析方法和非線性方程組求解技術(shù)策略，從而使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過一次高等分析，就可以完成鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的各種信息。
目前，越來越多的國家開始重視鋼結(jié)構(gòu)高等分析與設(shè)計(jì)研究，并開始在實(shí)際工程中實(shí)施和應(yīng)用。澳大利亞極限狀態(tài)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)AS4100（SAA,1990）中已經(jīng)包含了高等分析或二階非彈性整體分析的條款，被認(rèn)為是目前國際上最為先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，而且該規(guī)范是目前國際上唯一允許對整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行二階非彈性分析且不需要對組成結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件再進(jìn)行構(gòu)件承載力驗(yàn)算的規(guī)范。加拿大規(guī)范CSA-S161（CSA,1989）和美國規(guī)范AISC-LRFD（AISC,1993）推薦使用二階非彈性分析，不過仍然要對組成結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行構(gòu)件承載力驗(yàn)算。另外，歐洲EC3規(guī)范也要求采用彈塑性整體分析后仍然需要對組成結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行構(gòu)件承載力驗(yàn)算。英國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范BS5950(1990,2000)己經(jīng)允許結(jié)構(gòu)工程師在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用二階非彈性分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）目前還沒有關(guān)于高等分析的相應(yīng)條款。
本書以作者近10年來在鋼結(jié)構(gòu)高等分析的二階非彈性理論和應(yīng)用的研究成果為主線，系統(tǒng)地闡述了鋼結(jié)構(gòu)二階非彈性分析、高等分析和基于結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)方法。全書共13章。第1章首先回顧了主要鋼結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際工程中的應(yīng)用，評述了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展過程，分析了現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法存在的問題及解決辦法；述評了國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)二階非彈性非線性分析理論的發(fā)展現(xiàn)狀和研究進(jìn)展，提出了開展鋼結(jié)構(gòu)高等分析的進(jìn)一步研究方向，闡述了基于結(jié)構(gòu)極限承載力的高等分析計(jì)算方法、基于高等分析和結(jié)構(gòu)可靠度的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。第2章對影響鋼結(jié)構(gòu)高等分析的主要非線性因素進(jìn)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、殘余應(yīng)力、幾何初始缺陷、構(gòu)件截面剪切變形、節(jié)點(diǎn)域剪切變形、節(jié)點(diǎn)半剛性連接、局部屈曲、側(cè)扭屈曲變形和翹曲變形等)對鋼結(jié)構(gòu)的受力變形和結(jié)構(gòu)極限承載力的影響。第3章介紹了鋼結(jié)構(gòu)高等分析方法對初彎曲和殘余應(yīng)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(shù)等鋼結(jié)構(gòu)高等分析的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出在鋼結(jié)構(gòu)高等分析中使用超級單元法并行計(jì)算等提高非線性求解效率新技術(shù)。第4章首先分析了考慮軸力和剪切變形影響的開、閉口截面彎剪穩(wěn)定函數(shù)，歸納了彎剪穩(wěn)定插值函數(shù)的一般表達(dá)式；首次提出了考慮軸力影響的開、閉口截面梁柱單元翹扭穩(wěn)定函數(shù)概念和計(jì)算公式，推導(dǎo)了基于翹扭穩(wěn)定函數(shù)的開、閉口截面三維梁柱單元翹曲扭轉(zhuǎn)二階彈性非線性剛度矩陣，并給出了相應(yīng)的變換關(guān)系。第5章利用考慮剪切變形的彎剪位移場和考慮軸力的翹扭位移場，分別推導(dǎo)了考慮剪切變形的彎剪穩(wěn)定插值函數(shù)和考慮軸力影響的翹扭穩(wěn)定插值函數(shù)，之后，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論方法，利用修正的拉格朗日列式法，基于增量虛功方程的嚴(yán)格形式，推導(dǎo)了基于梁柱理論的空間梁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，基于虛功方程的嚴(yán)格形式，首次推導(dǎo)了基于翹扭穩(wěn)定插值函數(shù)的有限元形式的三維梁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(shí)推導(dǎo)了基于翹扭穩(wěn)定函數(shù)和梁柱理論的三維梁柱單元翹扭二階彈性剛度矩陣，提出了三維梁柱單元側(cè)扭幾何非線性剛度矩陣，把有限元法與梁柱法相結(jié)合，建立了一種新的考慮剪切變形、側(cè)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章介紹的采用有限變形理論推導(dǎo)的考慮剪切變形和軸力影響的剪彎及翹扭穩(wěn)定插值函數(shù)的二階彈性梁柱單元基礎(chǔ)上，主要探討基于集中塑性鉸的三維空間二階非彈性梁柱單元及三維二階非彈性非線性支撐桿元，可采用這兩種單元分別對純鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較精確的高等分析。第7章介紹基于彎剪穩(wěn)定函數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)二維高等分析方法，主要包括二維二階非彈性非線性梁柱單元、二維二階非彈性非線性支撐桿元，可采用這兩種單元分別對規(guī)則的純鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架支撐結(jié)構(gòu)或者是可以化為二維計(jì)算模型的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較精確的高等分析。第8章在現(xiàn)有二維二階精化塑性鉸模型的基礎(chǔ)上，對基于考慮剪切變形的穩(wěn)定函數(shù)的二階精化塑性鉸法及其應(yīng)用進(jìn)行了分析，其中著重分析了殘余應(yīng)力和彎曲引起的漸進(jìn)屈服的影響，增加了彎扭耦合項(xiàng)，以有效地考慮空間構(gòu)件彎扭作用的影響；對基于剛性樓板假設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)的三維二階非彈性分析方法、基于超級單元法的鋼結(jié)構(gòu)的三維二階非彈性分析方法進(jìn)行了探討，主要是為了提高鋼結(jié)構(gòu)二階非彈性非線性分析的計(jì)算效率；另外，還對二階非彈性三維支撐桿元進(jìn)行了分析，主要是為了結(jié)合二階非彈性三維梁柱單元對鋼框架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行高等分析。第9章對基于桿元纖維模型的二階非彈性分析、基于梁柱纖維模型的三維二階非彈性分析、基于梁柱纖維模型和柔度法的鋼結(jié)構(gòu)三維二階非彈性分析等三種基于纖維模型二階非彈性分析方法進(jìn)行了探討和發(fā)展。第10章對人工智能分析模型選用、BP算法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了述評，還對梁柱節(jié)點(diǎn)連接的分類、受力性能和現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)連接數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了分析，比較了現(xiàn)有半剛性連接計(jì)算模型，分析了國外半剛性連接試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中帶雙腹板頂?shù)捉卿摪雱傂赃B接、端板半剛性連接的影響因素，提出和建立了梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性連接的人工智能分析模型；利用現(xiàn)有國外半剛性連接試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，建立了腹板角鋼半剛性連接、頂?shù)捉卿摪雱傂赃B接、雙腹板頂?shù)捉卿摪雱傂赃B接和端板半剛性連接的人工智能分析模型，可用于半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)的高等分析中；開發(fā)和研制了BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能分析模型的預(yù)測軟件。第11章對半剛性鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型選用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，述評了半剛性連接節(jié)點(diǎn)的滯回模型，探討了半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算方法選用，在前述關(guān)于剛性連接鋼結(jié)構(gòu)的三維二階非彈性分析方法基礎(chǔ)上推導(dǎo)了梁端帶有半剛性連接的三維梁柱單元二階非彈性剛度矩陣，探討了半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)的三維二階非彈性分析方法，提出了半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)的基本自振周期簡化計(jì)算方法，可供初步設(shè)計(jì)時(shí)參考，之后分析了半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)二階非彈性時(shí)程分析方法。第12章通過一些算例分析，對剛性和半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)的二維、三維高等分析進(jìn)行了研究，說明實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用高等分析是可行的；然后通過鋼結(jié)構(gòu)工程算例分析比較了鋼結(jié)構(gòu)高等分析與現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)兩階段設(shè)計(jì)方法的不同，闡述高等分析特點(diǎn)和工程應(yīng)用優(yōu)勢，最后對兩個(gè)典型鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)例進(jìn)行了分析，為這種方法的工程應(yīng)用提供了參考。第13章建立了鋼結(jié)構(gòu)遺傳算法優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，將遺傳算法和鋼結(jié)構(gòu)高等分析理論方法相結(jié)合，提出了基于遺傳算法和結(jié)構(gòu)極限承載力的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析方法，研制了基于遺傳算法的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析程序，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了遺傳算法優(yōu)化，并用算例對程序和方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
本書得到了廣州大學(xué)周福霖院士，西安建筑科技大學(xué)郝際平教授，重慶大學(xué)李開禧教授、白紹良教授，廣州大學(xué)禹奇才教授、周云教授、張俊平教授、崔杰教授的鼓勵(lì)、支持和幫助，以及浙江東南網(wǎng)架有限公司周觀根教授級高工、章啟新高工，廣州市設(shè)計(jì)院韓建強(qiáng)教授級高工，廣東省建筑設(shè)計(jì)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(xué)家陳惠發(fā)（W. F. Chen）院士提供了有關(guān)半剛性連接數(shù)據(jù)庫資料。感謝西安建筑科技大學(xué)博士后流動(dòng)站及浙江東南網(wǎng)架有限公司博士后流動(dòng)站在作者博士后研究期間所提供的良好的科研條件，本書部分研究內(nèi)容就是在那一期間完成的。
本書研究工作得到建設(shè)部科技攻關(guān)項(xiàng)目、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：10K333、08K236、06K302、04165），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：50378078）和廣州市教育局科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：08C056）的資助，在此表示誠摯的謝意。書中部分內(nèi)容和圖表參考了相關(guān)文獻(xiàn)，在此對原作者表示衷心的感謝。
作者指導(dǎo)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(jì)算工作，陳娟、彭登峰、邢增林、李慧和高玥等協(xié)助完成了部分圖文的編輯處理工作，特在此一并表示感謝。
本書的出版得到了廣州大學(xué)學(xué)術(shù)著作出版基金和結(jié)構(gòu)工程市級重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)的資助，在此表示衷心感謝。
由于鋼結(jié)構(gòu)二階非彈性分析、高等分析和基于結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)方法內(nèi)容十分豐富，且處在不斷發(fā)展中，書中不足之處在所難免，衷心希望有關(guān)專家和同行批評指正。
劉 堅(jiān)2011年6月于廣州大學(xué)城

書籍目錄

序
前言
第1章  緒論
第2章  影響鋼結(jié)構(gòu)高等分析的主要因素
第3章  鋼結(jié)構(gòu)高等分析的關(guān)鍵技術(shù)
第4章  彎剪與翹扭穩(wěn)定函數(shù)
第5章  三維梁柱單元與三維支撐桿元二階彈性非線性剛度方程
第6章  基于彎剪與翹扭穩(wěn)定插值函數(shù)的三維梁柱單元與三維支撐桿元二階非彈性剛度方程
第7章  基于彎剪穩(wěn)定函數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)二維高等分析
第8章  基于彎剪與翹扭穩(wěn)定函數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)三維高等分析
第9章  基于纖維模型的鋼結(jié)構(gòu)高等分析
第10章  鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性連接智能計(jì)算模型
第11章  半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)的二階非彈性分析
第12章  鋼結(jié)構(gòu)二階非彈性分析算例分析和高等分析的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用
第13章  基于遺傳算法與高等分析的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化
附錄1  基于剪彎穩(wěn)定插值函數(shù)的三維梁柱單元二階彈性剛度矩陣系數(shù)
附錄2  基于翹扭穩(wěn)定函數(shù)的三維梁柱單元翹扭剛度矩陣系數(shù)
附錄3  半剛性連接智能模型的部分訓(xùn)練樣本
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　對非線性問題進(jìn)行有限元列式便得到非線性有限元方程，它又分為全量有限元方程和增量有限元方程。全量有限元方程是采用變分原理在物質(zhì)坐標(biāo)中建立全量形式的非線性有限單元平衡方程，經(jīng)過組裝得到整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的平衡方程后求解，增量有限元方程是采用增量形式的平衡方程。拉格朗日描述法主要有三種列式法，即完全拉格朗日列式法（total Lagrangian methods，TL）、修正拉格朗日列式法（updated agrangian methods，UL）和一般拉格朗日列式法（general Lagrangian methods，GM）。對非線性結(jié)構(gòu)通常以拉格朗日描述結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程的平衡狀態(tài)。以C0為參考系的方法稱為TL方法，以C為參考系的方法稱為UL方法，而以Cm為參考系的方法稱為GL方法，它們的主要差別在于采用不同的參考構(gòu)形（243,244）。完全拉格朗日列式是以構(gòu)件變形前（初始狀態(tài)，有明確的位置）的弦長作為基準(zhǔn)定義單元自由度，TL法Green應(yīng)變和第二克?；舴驊?yīng)力是以C0狀態(tài)為參考坐標(biāo)，計(jì)算幾何剛度矩陣和等效應(yīng)力時(shí)，用的是Ct+△t狀態(tài)下參照C0的第二Kirchhoff應(yīng)力，在求解過程中應(yīng)力可直接疊加，TL法需同時(shí)形成初始位移矩陣，如Goto于1987年和Wong于1990年等用此法研究了幾何非線性；UL法是以C狀態(tài)為參考坐標(biāo)，計(jì)算幾何剛度矩陣和等效應(yīng)力用的是C狀態(tài)的Cauchy應(yīng)力，求解過程中應(yīng)力必須進(jìn)行交換后方可疊加，而不能直接疊加，在UL法中，不斷轉(zhuǎn)換坐標(biāo)即相當(dāng)于考慮初始位移效應(yīng)。修正的拉格朗日列式則把構(gòu)件的剛體位移從局部變形中分離出來，適合于大位移或大轉(zhuǎn)角情況下的幾何非線性問題，如Hsiao于1987年、Chen和Hong等于1990年采用此法進(jìn)行了幾何非線性分析。對發(fā)展修正的拉格朗日列式及把修正的拉格朗日列式方法應(yīng)用到幾何非線性求解問題上，Bathe和Bolourchi于1979年、Gattass和Abel于1987年、Yang和Kuo等于1994年都對此做出了貢獻(xiàn)。早期的幾何非線性分析是基于完全拉格朗日列式的方法，在這個(gè)方法中，諸如桿端力、位移、應(yīng)力和應(yīng)變等變量是參考初始沒變形的結(jié)構(gòu)構(gòu)形C0，但當(dāng)這些變形和應(yīng)力在結(jié)構(gòu)接近臨界荷載時(shí)，完全拉格朗日列式不能精確計(jì)算結(jié)構(gòu)變形，另一方面，修正的拉格朗日列式與完全拉格朗日列式相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵谛拚睦窭嗜樟惺街兴凶兞渴菂⒖甲詈笠阎哑胶獾臉?gòu)形C1，所以盡管結(jié)構(gòu)總變形變大，但修正的拉格朗日列式方法的計(jì)算不會(huì)遇到任何困難。

編輯推薦

　　《鋼結(jié)構(gòu)高等分析的二階非彈性理論與應(yīng)用》鋼結(jié)構(gòu)具有技術(shù)含量高、抗震性能好、高強(qiáng)輕質(zhì)、材質(zhì)均勻、塑性韌性好、工業(yè)化程度高、施工速度快和綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu)點(diǎn)，且符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展要求，是一種技術(shù)比較成熟的體系。因此，鋼結(jié)構(gòu)與其他材料（混凝土、砌體）的結(jié)構(gòu)相比是一種比較理想的結(jié)構(gòu)形式。

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