内容简介
《混凝土结构非线性分析(第二版)/土木工程专业研究生系列教材》是土木工程专业研究生系列教材之一,第二版主要阐述了混凝土结构的非线性全过程分析以及塑性极限分析方法。内容包括非线性分析基础、混凝土强度准则、材料本构模型、混凝土结构非线性全过程分析、混凝土杆系结构有限元分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析和混凝土结构极限分析等。
《混凝土结构非线性分析(第二版)/土木工程专业研究生系列教材》对混凝土强度准则和本构关系有较详细的论述,力图使读者掌握这两个问题的基本研究方法;较全面地介绍了静力和动力弹塑性分析方法,有利于读者掌握其基本概念和方法;对混凝土和钢筋混凝土构件塑性极限分析的基本原理和方法,通过较多实例分析予以阐述,有利于读者理解基本原理和掌握分析方法。
《混凝土结构非线性分析(第二版)/土木工程专业研究生系列教材》可作为土木工程专业研究生教材及本科高年级学生的选修课教材,也可供相关专业的科研及设计人员参考。
内页插图
目录
第1章 非线性分析基础
1.1 应力与应变分析
1.1.1 物体内任意一点的应力状态
1.1.2 应力不变量
1.1.3 主应力求解
1.1.4 八面体正应力和剪应力
1.1.5 应变张量及其分解
1.2 塑性理论中几个基本概念
1.2.1 基本概念
1.2.2 实例分析
1.2.3 屈服条件
1.2.4 本构方程
1.2.5 关于屈服条件和本构关系的进一步说明
1.3 混凝土结构非线性分析的意义及特点
1.3.1 混凝土结构非线性分析的意义
1.3.2 混凝土结构非线性分析的主要方法及其特点
参考文献
第2章 混凝土强度准则
2.1 混凝土破坏曲面的特点及表述
2.1.1 混凝土的破坏类型及其特点
2.1.2 混凝土破坏曲面的特点及其表述
2.2 古典强度理论
2.2.1 最大拉应力强度准则(Maximum-Tensile-Stress Criterion(Rankine,1876))
2.2.2 最大拉应变强度准则(Maximum-Tensile-Strain Criterion(Mariotto,1682))
2.2.3 最大剪应力强度准则(Shearing-Stress Criteria)
2.3 混凝土强度准则
2.3.1 二参数强度准则
2.3.2 三参数强度准则
2.3.3 四参数强度准则
2.3.4 五参数强度准则
参考文献
第3章 材料本构模型
3.1 一般说明
3.2 混凝土单轴受力应力-应变关系
3.2.1 混凝土单向受压应力-应变关系
3.2.2 混凝土单向受拉应力-应变关系
3.3 混凝土非线性弹性本构模型
3.3.1 混凝土线弹性应力-应变关系
3.3.2 混凝土非线性弹性全量型本构模型
3.3.3 混凝土非线性弹性增量型本构模型
3.4 混凝土弹塑性本构模型
3.4.1 混凝土弹塑性增量理论
3.4.2 混凝土弹塑性全量理论
3.5 混凝土损伤本构模型
3.5.1 损伤力学的基本概念
3.5.2 单轴受力状态下混凝土损伤本构模型
3.5.3 多轴受力状态下混凝土损伤本构模型
3.5.4 混凝土动态损伤本构模型
3.6 钢筋的本构模型
3.6.1 单向加载下钢筋的应力-应变关系模型
3.6.2 反复加载下钢筋的应力-应变关系模型
3.7 钢筋与混凝土的粘结-滑移本构模型
3.7.1 钢筋与混凝土的粘结
3.7.2 粘结强度的计算
3.7.3 单调荷载下粘结应力-滑移本构模型
3.7.4 反复荷载下粘结-滑移本构模型
3.8 约束混凝土的应力-应变关系
参考文献
第4章 混凝土结构非线性全过程分析
4.1 有限元分析模型
4.1.1 整体式模型
4.1.2 分离式模型
4.1.3 组合式模型
4.1.4 嵌入式滑移模型
4.2 钢筋与混凝土之间的联结单元
4.2.1 双弹簧联结单元
4.2.2 四边形滑移单元
4.3 单元开裂和屈服后的处理
4.3.1 裂缝的模拟
4.3.2 混凝土开裂、破坏后的处理
4.3.3 钢筋单元达到屈服条件后的处理
4.3.4 联结单元破坏后的处理
4.4 非线性问题的基本解法
4.4.1 非线性问题的基本解法
4.4.2 考虑结构负刚度的一些算法
4.4.3 考虑时间效应的非线性解法
4.4.4 非线性分析步骤
参考文献
第5章 混凝土杆系结构有限元分析
5.1 混凝土构件截面分析
5.1.1 纤维截面分析模型
5.1.2 屈服面模型
5.1.3 多弹簧截面模型
5.2 混凝土构件分析
5.2.1 一般杆件非线性有限元分析
5.2.2 钢筋混凝土杆件非线性分析
5.3 混凝土杆系结构有限元分析
5.3.1 一般说明
5.3.2 层模型的刚度矩阵
5.3.3 杆系模型的刚度矩阵
5.3.4 杆系一层模型的刚度矩阵
5.3.5 结构动力非线性有限元分析
5.4 杆系结构非线性分析实例
5.4.1 SRC框架结构非线性分析
5.4.2 复杂高层建筑结构整体非线性分析
参考文献
第6章 静力弹塑性分析
6.1 基本原理和方法
6.1.1 静力弹塑性分析方法的基本假定
6.1.2 等效单自由度体系
6.1.3 目标位移
6.1.4 水平荷载的加载模式
6.1.5 实施步骤
6.2 适应谱Pushover分析方法
6.3 振型Pushover分析方法
6.3.1 单自由度弹性体系的地震反应
6.3.2 多自由度弹性体系的地震反应及Pushover分析
6.3.3 多自由度非弹性体系的地震反应及Pushover分析
6.3.4 对振型Pushover分析方法的几点改进
参考文献
第7章 动力弹塑性分析
7.1 动力弹塑性分析
7.1.1 恢复力模型
7.1.2 地震波的选取
7.1.3 地震动强度指标的选取
7.1.4 动力弹塑性分析实例
7.2 增量动力分析
7.2.1 增量动力分析的基本原理与方法
7.2.2 基于增量动力分析的结构地震易损性分析
7.2.3 结构地震易损性分析实例
参考文献
第8章 混凝土结构极限分析
8.1 结构极限分析的基本原理及方法
8.1.1 结构极限分析必须满足的三个条件
8.1.2 结构极限分析的基本假设
8.1.3 极限定理
8.1.4 求极限荷载的具体方法
8.1.5 结构的极限分析与极限设计
8.2 混凝土构件极限分析
8.2.1 塑流变形
8.2.2 内功计算
8.2.3 应用实例
8.3 钢筋混凝土构件极限分析
8.3.1 钢筋混凝土隔板(Diaphmgrn)的受剪强度
8.3.2 钢筋混凝土梁的受剪强度
8.4 钢筋混凝土板的极限分析
8.4.1 上限解法
8.4.2 下限解法
参考文献
前言/序言
《混凝土结构非线性分析(第二版)/土木工程专业研究生系列教材 [Master of Civil Engineering]》图书简介 前言 随着现代土木工程技术的飞速发展,对混凝土结构性能的认识和分析手段也在不断深化。传统的线性分析方法在面对复杂荷载、材料非线性、几何非线性以及各种破坏模式时,往往显得力不从心。为了更精确地预测和评估混凝土结构的实际行为,非线性分析技术应运而生,并日益成为混凝土结构设计与研究的核心工具。《混凝土结构非线性分析(第二版)》正是这样一部力求系统、深入地阐述该领域知识的著作。 本书旨在为土木工程专业的研究生提供一个全面且深入的混凝土结构非线性分析理论框架与实践指导。通过对非线性分析方法、本构模型、数值实现及其在工程应用中的深入探讨,本书致力于帮助读者掌握破解复杂结构行为的“钥匙”,为解决实际工程问题和推动学术研究奠定坚实的基础。本书的出版,不仅是对非线性分析领域最新研究成果的梳理和总结,更是对未来混凝土结构设计理念的一次引领和升华。 第一篇 非线性分析的基础理论 本篇内容将围绕混凝土结构非线性分析的核心概念和基本原理展开。 第一章 混凝土结构行为的非线性特征 本章将首先深入剖析混凝土结构行为的非线性根源。这包括: 材料非线性: 混凝土材料在承受不同荷载水平下的应力-应变关系并非线性。在低应力下,混凝土表现出一定的弹性行为,但随着应力增加,将出现塑性屈服、损伤开裂等现象,其刚度和强度均发生显著变化。钢筋的屈服和强化也是重要的材料非线性来源。我们将详细介绍混凝土和钢筋在不同加载和卸载过程中的非线性本构关系。 几何非线性: 当结构的变形达到一定程度时,荷载作用的位置和方向会发生改变,导致结构的内力和外力之间产生复杂的耦合关系。这在高层建筑、大跨度结构以及承受地震等动力荷载的结构中尤为显著。本章将引入几何非线性的概念,如大变形理论、转动效应等。 接触非线性: 混凝土结构中普遍存在的不同构件之间的接触、预应力钢筋与混凝土之间的接触、以及裂缝的张开和闭合等,都会引入接触非线性。这些接触的边界条件是非连续且随变形而变化的,给分析带来了额外的复杂性。 荷载非线性: 某些荷载本身就具有非线性特征,例如风荷载和地震荷载的随机性和动力性,以及温度变化引起的热应力等。这些荷载的引入会直接导致结构响应的非线性。 本章还将阐述为何线性分析在特定情况下会失效,并强调非线性分析在工程实践中的必要性,例如预测结构的极限承载能力、评估残余变形、分析动力响应和可靠性评估等。 第二章 非线性分析的基本原理与数值方法 本章将聚焦于非线性分析的理论基石和实现手段。 平衡方程的非线性: 我们将探讨如何在非线性情况下建立平衡方程。这涉及到在变形状态下,力的平衡需要考虑变形引起的方向和大小的变化。 迭代求解方法: 由于平衡方程的非线性,通常无法获得显式的解,必须采用迭代求解方法。本章将详细介绍几种主流的迭代方法,包括: 牛顿-拉夫逊法(Newton-Raphson Method): 介绍其基本原理、收敛性分析以及在结构分析中的具体应用。 修正牛顿法(Modified Newton-Raphson Method): 讨论其计算效率和精度之间的权衡。 其他迭代方法: 如割线法、割线法迭代等,并分析它们各自的优缺点。 增量平衡法(Incremental Equilibrium Method): 讲解如何将整个荷载过程分解为一系列小的增量步,在每一步中进行迭代求解,从而逐步逼近结构的真实非线性响应。 能量原理在非线性分析中的应用: 介绍虚功原理、势能原理等在推导非线性方程组和指导数值方法收敛性方面的作用。 有限元法的基本框架(回顾与强化): 简要回顾有限元法的基本步骤,并重点强调在非线性分析中,单元刚度矩阵、节点力向量以及边界条件的非线性更新问题。 第二篇 混凝土材料的非线性本构模型 本篇将深入探讨描述混凝土和钢筋材料非线性行为的各种本构模型。 第三章 混凝土的非线性本构模型 本章将全面介绍用于描述混凝土材料在不同应力状态下的非线性行为的各类模型。 单轴受力下的本构关系: 详细介绍混凝土的单轴压、拉应力-应变曲线,包括弹性阶段、塑性屈服、损伤软化、峰值强度、残余强度等关键点。介绍经典的损伤模型、塑性损伤模型以及基于能量的损伤模型。 双轴和三轴受力下的本构关系: 混凝土在实际工程中常常承受复杂的双轴和三轴应力状态。本章将介绍描述这种复杂行为的模型,例如: Willam-Warnke 模型: 描述混凝土的屈服面和破坏准则。 Hsieh-Ting-Chen 模型: 考虑了剪切和拉伸损伤。 Lemaitre 损伤模型: 引入连续介质损伤力学的概念,从微观损伤角度描述材料宏观行为。 塑性本构模型: 引入塑性势函数和流动法则,描述应力增加导致塑性变形累积的过程。 考虑裂缝发展的模型: 裂缝是混凝土结构非线性的重要表现。本章将重点介绍能够模拟裂缝产生、发展和扩展的模型,例如: 裂缝模型(Crack Models): 直接模拟裂缝的出现和方向,如分裂模型(Splitting Model)、剪切滑移模型(Shear-Slip Model)。 损伤力学模型(Damage Mechanics Models): 通过引入损伤变量来描述微裂缝的累积效应,从而间接反映宏观裂缝的发展。 高温、冻融等环境因素对本构模型的影响: 简要介绍极端环境条件对混凝土材料性能的影响,以及如何将这些影响纳入本构模型。 第四章 钢筋的非线性本构模型 本章将介绍用于描述钢筋材料非线性行为的本构模型,重点关注其在承受拉、压应力下的屈服和强化行为。 理想塑性模型: 最简单的模型,忽略强化效应。 强化模型: 考虑钢筋屈服后的应变硬化现象,如: 线性强化模型: 屈服后应力随应变线性增加。 高斯强化模型: 考虑更复杂的应变硬化曲线。 多线性强化模型: 通过多段线性曲线逼近真实的应变硬化行为。 应变率效应: 简要介绍在动力加载条件下,钢筋材料的应变率效应,以及如何将其纳入本构模型。 疲劳效应: 讨论钢筋在循环荷载作用下的疲劳损伤,并介绍相应的模型。 第三篇 混凝土结构非线性分析的数值实现 本篇将聚焦于如何将理论模型转化为计算机可执行的数值算法,并进行实际的程序实现。 第五章 有限元离散化与单元模型 本章将深入探讨在混凝土结构非线性分析中,如何选择和构建合适的有限元模型。 梁单元(Beam Elements): 介绍适用于分析钢筋混凝土梁、柱等构件的非线性梁单元。重点关注如何将材料非线性和几何非线性引入到梁单元的刚度矩阵和节点力向量中。 截面模型(Sectional Models): 介绍多种截面模型,如集中质量模型(Lumped Mass Model)、截面积分模型(Sectional Integration Model)等,以及它们在处理材料非线性时的区别。 P-Delta效应与大挠度效应: 如何在梁单元中考虑几何非线性。 板壳单元(Plate and Shell Elements): 介绍用于分析混凝土楼板、墙板、筒体等构件的非线性板壳单元。 各向同性板壳理论与混合板壳理论: 及其在非线性分析中的应用。 考虑剪切变形的厚板单元: 在分析厚板结构时尤为重要。 实体单元(Solid Elements): 介绍用于分析三维复杂结构,如基础、桥墩、大体积混凝土结构等,以及考虑应力三轴状态和裂缝发展的实体单元。 等参单元(Isoparametric Elements): 及其在非线性分析中的应用。 高阶单元与减缩积分单元: 讨论它们在提高精度和避免锁死现象方面的作用。 单元集成与刚度矩阵的更新: 详细阐述在增量步迭代过程中,如何对单元刚度矩阵和节点力向量进行更新。 第六章 求解算法与程序实现 本章将详细介绍非线性分析的数值求解算法,并指导读者如何进行程序开发。 荷载-位移法的非线性求解: 全节点位移法(Total Lagrangian Formulation): 描述其基本思想和计算流程。 更新拉格朗日法(Updated Lagrangian Formulation): 介绍其相对于全节点位移法的优势和适用范围。 拉格朗日-欧拉混合法: 介绍其在处理大变形和接触时的应用。 边界条件的处理: 在非线性分析中,如何处理约束、固定端以及变化的边界条件。 收敛性判据与控制: 讨论如何设定合适的收敛性判据(如残余力、位移增量等),并介绍提高收敛效率的策略。 程序结构设计: 介绍一个典型的非线性有限元分析程序的结构,包括数据输入、预处理、单元计算、组装、求解器、后处理等模块。 典型非线性有限元分析软件介绍(简要): 简要介绍一些在工程界广泛使用的非线性有限元分析软件,如ABAQUS, ANSYS, LS-DYNA等,并说明它们在混凝土结构非线性分析中的功能和优势。 第四篇 混凝土结构非线性分析的工程应用 本篇将通过具体的工程实例,展示非线性分析在解决实际工程问题中的强大能力。 第七章 钢筋混凝土框架结构与高层建筑分析 本章将聚焦于钢筋混凝土框架结构和高层建筑的非线性分析。 地震作用下的动力非线性分析: 时程分析(Time History Analysis): 介绍如何进行基于非线性模型的动力时程分析,包括荷载输入、动力方程的求解以及响应的解释。 液化、场地放大效应等对结构行为的影响。 风荷载作用下的非线性响应: 分析风致振动、风致舞动等现象,并评估其对结构安全性的影响。 超高层建筑的整体稳定与局部稳定分析: 考虑几何非线性、材料非线性以及连接节点的重要性。 节点域的非线性分析: 尤其是在地震作用下,节点域的性能至关重要,介绍如何精细化分析节点域的非线性行为。 第八章 桥梁与隧道结构的非线性分析 本章将深入探讨桥梁和隧道结构在复杂荷载下的非线性行为。 桥梁结构: 预应力混凝土桥梁的非线性分析: 考虑预应力张拉、徐变、收缩等带来的非线性效应。 大跨度桥梁(如斜拉桥、悬索桥)的动力非线性分析: 评估风、地震、车辆荷载等引起的非线性响应。 连续梁桥在温度变化、荷载组合下的非线性分析。 桥梁支座和墩柱的非线性分析。 隧道结构: 开挖过程中围岩与支护结构的相互作用分析: 考虑岩体的强度折减、屈服以及支护结构的非线性。 地下水压力对隧道结构的非线性影响。 地震作用下隧道结构的动力非线性分析。 地铁车站等大型地下空间的非线性分析。 第九章 其他工程实例与前沿研究 本章将拓展非线性分析的应用范围,介绍在其他领域的应用,并展望未来的研究方向。 核电站结构的安全可靠性分析: 考虑爆炸、撞击、地震等极端荷载作用下的非线性响应。 海洋工程结构(如海上平台、水下设施)的非线性分析: 考虑波浪、水流、风等复杂荷载。 混凝土损伤累积与剩余寿命评估: 基于非线性模型,预测结构在长期使用过程中的损伤累积和剩余寿命。 基于性能的设计(Performance-Based Design)在非线性分析中的应用: 如何利用非线性分析结果来指导结构设计,实现预期的性能目标。 混凝土结构的加固与修复的非线性分析: 评估不同加固方案对结构性能提升的效果。 机器学习与人工智能在混凝土结构非线性分析中的融合: 介绍如何利用AI技术来加速非线性分析过程、优化本构模型等。 展望: 探讨未来混凝土结构非线性分析领域可能的发展方向,如多场耦合分析(热-力-水)、细观损伤模型、损伤力学与断裂力学的结合等。 附录 常用本构模型参数的取值参考 数值算例的详细计算过程 总结 《混凝土结构非线性分析(第二版)》是一本内容丰富、理论扎实、应用广泛的专著。它不仅为研究生提供了一个学习和研究混凝土结构非线性分析的理想平台,也为广大工程技术人员提供了一个解决实际工程问题的有力工具。本书的出版,将有助于提升我国混凝土结构的设计水平和安全性能,为土木工程的可持续发展贡献力量。