內容簡介
《混凝土結構非綫性分析(第二版)/土木工程專業研究生係列教材》是土木工程專業研究生係列教材之一,第二版主要闡述瞭混凝土結構的非綫性全過程分析以及塑性極限分析方法。內容包括非綫性分析基礎、混凝土強度準則、材料本構模型、混凝土結構非綫性全過程分析、混凝土杆係結構有限元分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析和混凝土結構極限分析等。
《混凝土結構非綫性分析(第二版)/土木工程專業研究生係列教材》對混凝土強度準則和本構關係有較詳細的論述,力圖使讀者掌握這兩個問題的基本研究方法;較全麵地介紹瞭靜力和動力彈塑性分析方法,有利於讀者掌握其基本概念和方法;對混凝土和鋼筋混凝土構件塑性極限分析的基本原理和方法,通過較多實例分析予以闡述,有利於讀者理解基本原理和掌握分析方法。
《混凝土結構非綫性分析(第二版)/土木工程專業研究生係列教材》可作為土木工程專業研究生教材及本科高年級學生的選修課教材,也可供相關專業的科研及設計人員參考。
內頁插圖
目錄
第1章 非綫性分析基礎
1.1 應力與應變分析
1.1.1 物體內任意一點的應力狀態
1.1.2 應力不變量
1.1.3 主應力求解
1.1.4 八麵體正應力和剪應力
1.1.5 應變張量及其分解
1.2 塑性理論中幾個基本概念
1.2.1 基本概念
1.2.2 實例分析
1.2.3 屈服條件
1.2.4 本構方程
1.2.5 關於屈服條件和本構關係的進一步說明
1.3 混凝土結構非綫性分析的意義及特點
1.3.1 混凝土結構非綫性分析的意義
1.3.2 混凝土結構非綫性分析的主要方法及其特點
參考文獻
第2章 混凝土強度準則
2.1 混凝土破壞麯麵的特點及錶述
2.1.1 混凝土的破壞類型及其特點
2.1.2 混凝土破壞麯麵的特點及其錶述
2.2 古典強度理論
2.2.1 最大拉應力強度準則(Maximum-Tensile-Stress Criterion(Rankine,1876))
2.2.2 最大拉應變強度準則(Maximum-Tensile-Strain Criterion(Mariotto,1682))
2.2.3 最大剪應力強度準則(Shearing-Stress Criteria)
2.3 混凝土強度準則
2.3.1 二參數強度準則
2.3.2 三參數強度準則
2.3.3 四參數強度準則
2.3.4 五參數強度準則
參考文獻
第3章 材料本構模型
3.1 一般說明
3.2 混凝土單軸受力應力-應變關係
3.2.1 混凝土單嚮受壓應力-應變關係
3.2.2 混凝土單嚮受拉應力-應變關係
3.3 混凝土非綫性彈性本構模型
3.3.1 混凝土綫彈性應力-應變關係
3.3.2 混凝土非綫性彈性全量型本構模型
3.3.3 混凝土非綫性彈性增量型本構模型
3.4 混凝土彈塑性本構模型
3.4.1 混凝土彈塑性增量理論
3.4.2 混凝土彈塑性全量理論
3.5 混凝土損傷本構模型
3.5.1 損傷力學的基本概念
3.5.2 單軸受力狀態下混凝土損傷本構模型
3.5.3 多軸受力狀態下混凝土損傷本構模型
3.5.4 混凝土動態損傷本構模型
3.6 鋼筋的本構模型
3.6.1 單嚮加載下鋼筋的應力-應變關係模型
3.6.2 反復加載下鋼筋的應力-應變關係模型
3.7 鋼筋與混凝土的粘結-滑移本構模型
3.7.1 鋼筋與混凝土的粘結
3.7.2 粘結強度的計算
3.7.3 單調荷載下粘結應力-滑移本構模型
3.7.4 反復荷載下粘結-滑移本構模型
3.8 約束混凝土的應力-應變關係
參考文獻
第4章 混凝土結構非綫性全過程分析
4.1 有限元分析模型
4.1.1 整體式模型
4.1.2 分離式模型
4.1.3 組閤式模型
4.1.4 嵌入式滑移模型
4.2 鋼筋與混凝土之間的聯結單元
4.2.1 雙彈簧聯結單元
4.2.2 四邊形滑移單元
4.3 單元開裂和屈服後的處理
4.3.1 裂縫的模擬
4.3.2 混凝土開裂、破壞後的處理
4.3.3 鋼筋單元達到屈服條件後的處理
4.3.4 聯結單元破壞後的處理
4.4 非綫性問題的基本解法
4.4.1 非綫性問題的基本解法
4.4.2 考慮結構負剛度的一些算法
4.4.3 考慮時間效應的非綫性解法
4.4.4 非綫性分析步驟
參考文獻
第5章 混凝土杆係結構有限元分析
5.1 混凝土構件截麵分析
5.1.1 縴維截麵分析模型
5.1.2 屈服麵模型
5.1.3 多彈簧截麵模型
5.2 混凝土構件分析
5.2.1 一般杆件非綫性有限元分析
5.2.2 鋼筋混凝土杆件非綫性分析
5.3 混凝土杆係結構有限元分析
5.3.1 一般說明
5.3.2 層模型的剛度矩陣
5.3.3 杆係模型的剛度矩陣
5.3.4 杆係一層模型的剛度矩陣
5.3.5 結構動力非綫性有限元分析
5.4 杆係結構非綫性分析實例
5.4.1 SRC框架結構非綫性分析
5.4.2 復雜高層建築結構整體非綫性分析
參考文獻
第6章 靜力彈塑性分析
6.1 基本原理和方法
6.1.1 靜力彈塑性分析方法的基本假定
6.1.2 等效單自由度體係
6.1.3 目標位移
6.1.4 水平荷載的加載模式
6.1.5 實施步驟
6.2 適應譜Pushover分析方法
6.3 振型Pushover分析方法
6.3.1 單自由度彈性體係的地震反應
6.3.2 多自由度彈性體係的地震反應及Pushover分析
6.3.3 多自由度非彈性體係的地震反應及Pushover分析
6.3.4 對振型Pushover分析方法的幾點改進
參考文獻
第7章 動力彈塑性分析
7.1 動力彈塑性分析
7.1.1 恢復力模型
7.1.2 地震波的選取
7.1.3 地震動強度指標的選取
7.1.4 動力彈塑性分析實例
7.2 增量動力分析
7.2.1 增量動力分析的基本原理與方法
7.2.2 基於增量動力分析的結構地震易損性分析
7.2.3 結構地震易損性分析實例
參考文獻
第8章 混凝土結構極限分析
8.1 結構極限分析的基本原理及方法
8.1.1 結構極限分析必須滿足的三個條件
8.1.2 結構極限分析的基本假設
8.1.3 極限定理
8.1.4 求極限荷載的具體方法
8.1.5 結構的極限分析與極限設計
8.2 混凝土構件極限分析
8.2.1 塑流變形
8.2.2 內功計算
8.2.3 應用實例
8.3 鋼筋混凝土構件極限分析
8.3.1 鋼筋混凝土隔闆(Diaphmgrn)的受剪強度
8.3.2 鋼筋混凝土梁的受剪強度
8.4 鋼筋混凝土闆的極限分析
8.4.1 上限解法
8.4.2 下限解法
參考文獻
前言/序言
《混凝土結構非綫性分析(第二版)/土木工程專業研究生係列教材 [Master of Civil Engineering]》圖書簡介 前言 隨著現代土木工程技術的飛速發展,對混凝土結構性能的認識和分析手段也在不斷深化。傳統的綫性分析方法在麵對復雜荷載、材料非綫性、幾何非綫性以及各種破壞模式時,往往顯得力不從心。為瞭更精確地預測和評估混凝土結構的實際行為,非綫性分析技術應運而生,並日益成為混凝土結構設計與研究的核心工具。《混凝土結構非綫性分析(第二版)》正是這樣一部力求係統、深入地闡述該領域知識的著作。 本書旨在為土木工程專業的研究生提供一個全麵且深入的混凝土結構非綫性分析理論框架與實踐指導。通過對非綫性分析方法、本構模型、數值實現及其在工程應用中的深入探討,本書緻力於幫助讀者掌握破解復雜結構行為的“鑰匙”,為解決實際工程問題和推動學術研究奠定堅實的基礎。本書的齣版,不僅是對非綫性分析領域最新研究成果的梳理和總結,更是對未來混凝土結構設計理念的一次引領和升華。 第一篇 非綫性分析的基礎理論 本篇內容將圍繞混凝土結構非綫性分析的核心概念和基本原理展開。 第一章 混凝土結構行為的非綫性特徵 本章將首先深入剖析混凝土結構行為的非綫性根源。這包括: 材料非綫性: 混凝土材料在承受不同荷載水平下的應力-應變關係並非綫性。在低應力下,混凝土錶現齣一定的彈性行為,但隨著應力增加,將齣現塑性屈服、損傷開裂等現象,其剛度和強度均發生顯著變化。鋼筋的屈服和強化也是重要的材料非綫性來源。我們將詳細介紹混凝土和鋼筋在不同加載和卸載過程中的非綫性本構關係。 幾何非綫性: 當結構的變形達到一定程度時,荷載作用的位置和方嚮會發生改變,導緻結構的內力和外力之間産生復雜的耦閤關係。這在高層建築、大跨度結構以及承受地震等動力荷載的結構中尤為顯著。本章將引入幾何非綫性的概念,如大變形理論、轉動效應等。 接觸非綫性: 混凝土結構中普遍存在的不同構件之間的接觸、預應力鋼筋與混凝土之間的接觸、以及裂縫的張開和閉閤等,都會引入接觸非綫性。這些接觸的邊界條件是非連續且隨變形而變化的,給分析帶來瞭額外的復雜性。 荷載非綫性: 某些荷載本身就具有非綫性特徵,例如風荷載和地震荷載的隨機性和動力性,以及溫度變化引起的熱應力等。這些荷載的引入會直接導緻結構響應的非綫性。 本章還將闡述為何綫性分析在特定情況下會失效,並強調非綫性分析在工程實踐中的必要性,例如預測結構的極限承載能力、評估殘餘變形、分析動力響應和可靠性評估等。 第二章 非綫性分析的基本原理與數值方法 本章將聚焦於非綫性分析的理論基石和實現手段。 平衡方程的非綫性: 我們將探討如何在非綫性情況下建立平衡方程。這涉及到在變形狀態下,力的平衡需要考慮變形引起的方嚮和大小的變化。 迭代求解方法: 由於平衡方程的非綫性,通常無法獲得顯式的解,必須采用迭代求解方法。本章將詳細介紹幾種主流的迭代方法,包括: 牛頓-拉夫遜法(Newton-Raphson Method): 介紹其基本原理、收斂性分析以及在結構分析中的具體應用。 修正牛頓法(Modified Newton-Raphson Method): 討論其計算效率和精度之間的權衡。 其他迭代方法: 如割綫法、割綫法迭代等,並分析它們各自的優缺點。 增量平衡法(Incremental Equilibrium Method): 講解如何將整個荷載過程分解為一係列小的增量步,在每一步中進行迭代求解,從而逐步逼近結構的真實非綫性響應。 能量原理在非綫性分析中的應用: 介紹虛功原理、勢能原理等在推導非綫性方程組和指導數值方法收斂性方麵的作用。 有限元法的基本框架(迴顧與強化): 簡要迴顧有限元法的基本步驟,並重點強調在非綫性分析中,單元剛度矩陣、節點力嚮量以及邊界條件的非綫性更新問題。 第二篇 混凝土材料的非綫性本構模型 本篇將深入探討描述混凝土和鋼筋材料非綫性行為的各種本構模型。 第三章 混凝土的非綫性本構模型 本章將全麵介紹用於描述混凝土材料在不同應力狀態下的非綫性行為的各類模型。 單軸受力下的本構關係: 詳細介紹混凝土的單軸壓、拉應力-應變麯綫,包括彈性階段、塑性屈服、損傷軟化、峰值強度、殘餘強度等關鍵點。介紹經典的損傷模型、塑性損傷模型以及基於能量的損傷模型。 雙軸和三軸受力下的本構關係: 混凝土在實際工程中常常承受復雜的雙軸和三軸應力狀態。本章將介紹描述這種復雜行為的模型,例如: Willam-Warnke 模型: 描述混凝土的屈服麵和破壞準則。 Hsieh-Ting-Chen 模型: 考慮瞭剪切和拉伸損傷。 Lemaitre 損傷模型: 引入連續介質損傷力學的概念,從微觀損傷角度描述材料宏觀行為。 塑性本構模型: 引入塑性勢函數和流動法則,描述應力增加導緻塑性變形纍積的過程。 考慮裂縫發展的模型: 裂縫是混凝土結構非綫性的重要錶現。本章將重點介紹能夠模擬裂縫産生、發展和擴展的模型,例如: 裂縫模型(Crack Models): 直接模擬裂縫的齣現和方嚮,如分裂模型(Splitting Model)、剪切滑移模型(Shear-Slip Model)。 損傷力學模型(Damage Mechanics Models): 通過引入損傷變量來描述微裂縫的纍積效應,從而間接反映宏觀裂縫的發展。 高溫、凍融等環境因素對本構模型的影響: 簡要介紹極端環境條件對混凝土材料性能的影響,以及如何將這些影響納入本構模型。 第四章 鋼筋的非綫性本構模型 本章將介紹用於描述鋼筋材料非綫性行為的本構模型,重點關注其在承受拉、壓應力下的屈服和強化行為。 理想塑性模型: 最簡單的模型,忽略強化效應。 強化模型: 考慮鋼筋屈服後的應變硬化現象,如: 綫性強化模型: 屈服後應力隨應變綫性增加。 高斯強化模型: 考慮更復雜的應變硬化麯綫。 多綫性強化模型: 通過多段綫性麯綫逼近真實的應變硬化行為。 應變率效應: 簡要介紹在動力加載條件下,鋼筋材料的應變率效應,以及如何將其納入本構模型。 疲勞效應: 討論鋼筋在循環荷載作用下的疲勞損傷,並介紹相應的模型。 第三篇 混凝土結構非綫性分析的數值實現 本篇將聚焦於如何將理論模型轉化為計算機可執行的數值算法,並進行實際的程序實現。 第五章 有限元離散化與單元模型 本章將深入探討在混凝土結構非綫性分析中,如何選擇和構建閤適的有限元模型。 梁單元(Beam Elements): 介紹適用於分析鋼筋混凝土梁、柱等構件的非綫性梁單元。重點關注如何將材料非綫性和幾何非綫性引入到梁單元的剛度矩陣和節點力嚮量中。 截麵模型(Sectional Models): 介紹多種截麵模型,如集中質量模型(Lumped Mass Model)、截麵積分模型(Sectional Integration Model)等,以及它們在處理材料非綫性時的區彆。 P-Delta效應與大撓度效應: 如何在梁單元中考慮幾何非綫性。 闆殼單元(Plate and Shell Elements): 介紹用於分析混凝土樓闆、牆闆、筒體等構件的非綫性闆殼單元。 各嚮同性闆殼理論與混閤闆殼理論: 及其在非綫性分析中的應用。 考慮剪切變形的厚闆單元: 在分析厚闆結構時尤為重要。 實體單元(Solid Elements): 介紹用於分析三維復雜結構,如基礎、橋墩、大體積混凝土結構等,以及考慮應力三軸狀態和裂縫發展的實體單元。 等參單元(Isoparametric Elements): 及其在非綫性分析中的應用。 高階單元與減縮積分單元: 討論它們在提高精度和避免鎖死現象方麵的作用。 單元集成與剛度矩陣的更新: 詳細闡述在增量步迭代過程中,如何對單元剛度矩陣和節點力嚮量進行更新。 第六章 求解算法與程序實現 本章將詳細介紹非綫性分析的數值求解算法,並指導讀者如何進行程序開發。 荷載-位移法的非綫性求解: 全節點位移法(Total Lagrangian Formulation): 描述其基本思想和計算流程。 更新拉格朗日法(Updated Lagrangian Formulation): 介紹其相對於全節點位移法的優勢和適用範圍。 拉格朗日-歐拉混閤法: 介紹其在處理大變形和接觸時的應用。 邊界條件的處理: 在非綫性分析中,如何處理約束、固定端以及變化的邊界條件。 收斂性判據與控製: 討論如何設定閤適的收斂性判據(如殘餘力、位移增量等),並介紹提高收斂效率的策略。 程序結構設計: 介紹一個典型的非綫性有限元分析程序的結構,包括數據輸入、預處理、單元計算、組裝、求解器、後處理等模塊。 典型非綫性有限元分析軟件介紹(簡要): 簡要介紹一些在工程界廣泛使用的非綫性有限元分析軟件,如ABAQUS, ANSYS, LS-DYNA等,並說明它們在混凝土結構非綫性分析中的功能和優勢。 第四篇 混凝土結構非綫性分析的工程應用 本篇將通過具體的工程實例,展示非綫性分析在解決實際工程問題中的強大能力。 第七章 鋼筋混凝土框架結構與高層建築分析 本章將聚焦於鋼筋混凝土框架結構和高層建築的非綫性分析。 地震作用下的動力非綫性分析: 時程分析(Time History Analysis): 介紹如何進行基於非綫性模型的動力時程分析,包括荷載輸入、動力方程的求解以及響應的解釋。 液化、場地放大效應等對結構行為的影響。 風荷載作用下的非綫性響應: 分析風緻振動、風緻舞動等現象,並評估其對結構安全性的影響。 超高層建築的整體穩定與局部穩定分析: 考慮幾何非綫性、材料非綫性以及連接節點的重要性。 節點域的非綫性分析: 尤其是在地震作用下,節點域的性能至關重要,介紹如何精細化分析節點域的非綫性行為。 第八章 橋梁與隧道結構的非綫性分析 本章將深入探討橋梁和隧道結構在復雜荷載下的非綫性行為。 橋梁結構: 預應力混凝土橋梁的非綫性分析: 考慮預應力張拉、徐變、收縮等帶來的非綫性效應。 大跨度橋梁(如斜拉橋、懸索橋)的動力非綫性分析: 評估風、地震、車輛荷載等引起的非綫性響應。 連續梁橋在溫度變化、荷載組閤下的非綫性分析。 橋梁支座和墩柱的非綫性分析。 隧道結構: 開挖過程中圍岩與支護結構的相互作用分析: 考慮岩體的強度摺減、屈服以及支護結構的非綫性。 地下水壓力對隧道結構的非綫性影響。 地震作用下隧道結構的動力非綫性分析。 地鐵車站等大型地下空間的非綫性分析。 第九章 其他工程實例與前沿研究 本章將拓展非綫性分析的應用範圍,介紹在其他領域的應用,並展望未來的研究方嚮。 核電站結構的安全可靠性分析: 考慮爆炸、撞擊、地震等極端荷載作用下的非綫性響應。 海洋工程結構(如海上平颱、水下設施)的非綫性分析: 考慮波浪、水流、風等復雜荷載。 混凝土損傷纍積與剩餘壽命評估: 基於非綫性模型,預測結構在長期使用過程中的損傷纍積和剩餘壽命。 基於性能的設計(Performance-Based Design)在非綫性分析中的應用: 如何利用非綫性分析結果來指導結構設計,實現預期的性能目標。 混凝土結構的加固與修復的非綫性分析: 評估不同加固方案對結構性能提升的效果。 機器學習與人工智能在混凝土結構非綫性分析中的融閤: 介紹如何利用AI技術來加速非綫性分析過程、優化本構模型等。 展望: 探討未來混凝土結構非綫性分析領域可能的發展方嚮,如多場耦閤分析(熱-力-水)、細觀損傷模型、損傷力學與斷裂力學的結閤等。 附錄 常用本構模型參數的取值參考 數值算例的詳細計算過程 總結 《混凝土結構非綫性分析(第二版)》是一本內容豐富、理論紮實、應用廣泛的專著。它不僅為研究生提供瞭一個學習和研究混凝土結構非綫性分析的理想平颱,也為廣大工程技術人員提供瞭一個解決實際工程問題的有力工具。本書的齣版,將有助於提升我國混凝土結構的設計水平和安全性能,為土木工程的可持續發展貢獻力量。