内容简介
《建筑结构抗震设计理论与方法(套装上下册)》详细讲解建筑结构抗震设计的基础理论,全面介绍建筑结构抗震设计方法的发展与前沿。上册首先介绍地震学和结构振动分析的基础知识,然后讲解单自由度体系的地震响应规律和反应谱,接下来讲解多自由度体系的分析模型、分析方法和地震响应规律,最后从能量的角度分析结构地震响应和地震损伤。下册则首先介绍建筑结构抗震设计方法和相关规范,并介绍基于性能的抗震设计及其在规范中的体现,然后讲解地基基础、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构的抗震设计,接下来讲解隔震和消能减震结构设计,最后介绍震后功能可恢复结构的概念和实现方法。
《建筑结构抗震设计理论与方法(套装上下册)》可作为土木工程相关专业高年级本科生和研究生的教材,也可供从事建筑结构抗震相关工作的科研人员和工程设计人员参考使用。
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目录
前言
上册
第一章 绪论
1.1 建筑结构抗震的任务和内容
1.2 建筑结构抗震设计的特点
1.3 本书的主要内容
第二章 地震学基础知识
2.1 有关地震的一些基本概念
2.2 地震的成因和机制
2.3 地震波概述
2.3.1 地震波特性
2.3.2 传播机制
2.4 地震震级
2.4.1 里氏震级
2.4.2 面波震级
2.4.3 体波震级
2.4.4 持时震级
2.4.5 矩震级
2.4.6 震级和能量
2.4.7 震级和频率
2.4.8 震级和断层
2.5 地震震害
2.6 地震烈度
2.7 地震动
2.7.1 地震动观测
2.7.2 地震动类型
2.7.3 地震动频率特征
2.7.4 地震持时
2.7.5 地震三要素综合影响实例
2.7.6 地震动的衰减规律
思考题与习题
主要参考文献
第三章 结构振动分析基础
3.1 结构动力分析模型
3.2 结构振动方程
3.2.1 振动体系的自由度
3.2.2 单自由体系的动力方程
3.2.3 多自由度体系的振动方程
3.3 单自由度体系的振动分析
3.3.1 无阻尼自由振动
3.3.2 有阻尼自由振动
3.3.3 强迫振动
3.3.4 Duhamel积分
3.4 多自由度体系
3.4.1 振型分析
3.4.2 无阻尼体系的自由振动
3.4.3 有阻尼体系自由振动
3.4.4 强迫振动
3.4.5 特征值和特征向量计算
3.5 动力分析的数值方法
3.5.1 线性加速度法
3.5.2 平均加速度法
3.5.3 Newmark-夥¨
3.5.4 多自由度体系
3.6 频域分析方法
3.6.1 对周期性荷载的反应
3.6.2 频域分析
3.6.3 时域和频域转换函数之间的关系
思考题与习题
第四章 单自由度结构的地震反应
4.1 单自由度结构的地震反应
4.2 反应谱的概念
4.3 弹性反应谱
4.3.1 反应谱之间的关系
4.3.2 反应谱的特征
4.3.3 反应谱的标准化与设计反应谱
4.3.4 傅里叶谱与反应谱
4.3.5 弹性反应谱的不足
4.4 结构恢复力模型
4.5 单自由度结构的弹塑性地震反应
4.5.1 承载力和延性对地震响应的影响
4.5.2 滞回模型对弹塑性地震响应的影响
4.6 弹塑性反应谱
思考题与习题
主要参考文献
第五章 多自由度结构弹塑性分析模型
5.1 概述
5.2 层模型
5.2.1 剪切型层模型
5.2.2 弯曲型层模型
5.2.3 弯剪型层模型
5.3 杆单元模型
5.3.1 两端简支杆单元
5.3.2 两端自由杆单元
5.3.3 两端有刚域杆单元
5.3.4 杆端弹塑性弹簧杆模型
5.3.5 其他弹塑性杆模型
5.3.6 多弹簧杆模型
5.3.7 基于纤维模型的杆单元
5.4 剪力墙模型
5.4.1 柱模型
5.4.2 支撑桁架模型
5.4.3 边柱+中柱复合模型
5.4.4 分层壳模型
5.5 上部结构与基础的共同工作
思考题与习题
第六章 多自由度结构弹塑性分析方法
6.1 动力弹塑性时程分析法
6.1.1 简述
6.1.2 动力弹塑性时程分析基本原理
6.1.3 动力弹塑性时程分析地震波选择
6.2 静力弹塑性分析方法
6.2.1 简述
6.2.2 加载模式
6.2.3 等效单自由度及其位移模式
6.2.4 目标位移
6.2.5 静力弹塑性分析的适用条件
6.2.6 不规则结构的适用性
6.2.7 MPA方法
6.3 等价线性化方法
6.3.1 单自由度结构的等价线性化方法
6.3.2 多自由度结构的等价线性化方法
思考题与习题
主要参考文献
第七章 多自由度结构的地震响应
7.1 动力方程
7.2 线弹性多自由度体系的振动分析
7.3 振型分解组合法
7.4 结构弹塑性地震响应
7.4.1 剪切层模型结构
7.4.2 双重结构层模型
思考题与习题
主要参考文献
第八章 地震能量和损伤分析方法
8.1 单自由度地震能量分析
8.1.1 振动能量方程
8.1.2 地震输入能量谱
8.1.3 最大弹塑性位移
8.2 多自由度体系的能量分析
8.2.1 弹性多自由度体系
8.2.2 弹塑性多自由度体系
8.2.3 最大层间位移
8.3 结构地震损伤分析
8.3.1 损伤的概念和损伤指标
8.3.2 单参数损伤模型
8.3.3 双参数损伤模型
8.3.4 等效极限延性系数
8.3.5 损伤程度评价
思考题与习题
主要参考文献
下册
第九章 结构抗震设计方法和规范
9.1 结构抗震设计方法的发展
9.1.1 基于承载力设计方法
9.1.2 基于承载力和构造保证延性设计方法
9.1.3 基于损伤和能量的设计方法
9.1.4 能力设计方法
9.1.5 基于性能/位移设计方法
9.2 结构抗震能力和性能指标
9.2.1 结构的性能指标
9.2.2 抗震设防水准与抗震性能需求
9.3 我国建筑结构抗震设计方法
9.3.1 我国结构抗震发展概况
9.3.2 三水准设防目标与二阶段设计
9.3.3 地震作用计算
9.3.4 结构抗震设计方法
9.4 美国抗震规范介绍
9.4.1 简述
9.4.2 抗震设防目标
9.4.3 反应谱
9.4.4 地震作用计算
9.4.5 抗震设计
9.4.6 结构体系
9.5 日本抗震规范介绍
9.5.1 简述
9.5.2 地震作用计算
9.5.3 第二阶段设计
思考题与习题
主要参考文献
第十章 基于性能,位移结构抗震设计方法
10.1 概述
10.2 结构抗震性能水准和目标
10.3 基于位移的设计方法
10.3.1 简述
10.3.2 结构抗震体系与结构性能控制
10.3.3 直接基于位移设计方法
10.4 基于性能的地震工程
10.4.1 简述
10.4.2 理论框架
主要参考文献
第十一章 地基与基础抗震与设计
11.1 概述
11.2 场地
11.2.1 建筑场地类别
11.2.2 建筑场地评价及有关规定
11.3 地震时的地面运动特性
11.3.1 场地土对地震波的作用与土的卓越周期
11.3.2 强震时的地面运动
11.4 天然地基与基础
11.4.1 可不进行天然地基与基础抗震承载力验算的范围
11.4.2 天然地基抗震承载力验算
11.5 地基土的液化与防治
11.5.1 液化的概念一
11.5.2 影响地基土液化的主要因素
11.5.3 液化的判别
11.5.4 液化地基的评价
11.5.5 地基抗液化措施
11.6 桩基的抗震验算
11.6.1 桩基不需进行验算的范围
11.6.2 低承台桩基的抗震验算
11.7 软弱黏性土地基
思考题与习题
主要参考文献
第十二章 砌体结构的抗震性能与设计
12.1 砌体结构的震害
12.1.1 一般砌体结构震害特点
12.1.2 底部框架-抗震墙砌体房屋震害特点
12.1.3 砌体结构震害规律
12.2 多层砌体结构布置与选型
12.2.1 房屋层数和总高度的限制
12.2.2 房屋高宽比的限制
12.2.3 砌体抗震横墙的间距
12.2.4 房屋局部尺寸限值
12.2.5 多层砌体房屋的建筑布置和结构体系
12.2.6 防震缝设置
12.3 多层砌体结构的抗震设计
12.3.1 水平地震作用计算简图
12.3.2 楼层水平地震剪力的分配
12.3.3 墙体抗震承载力验算
12.4 多层砌体结构房屋的抗震构造措施
12.4.1 多层砖砌体房屋抗震构造措施
12.4.2 多层小砌块房屋的抗震构造措施
12.5 底部框架-抗震墙砌体房屋的抗震构造措施
12.5.1 底部框架-抗震墙砌体房屋的结构布置
12.5.2 底部框架-抗震墙砌体房屋的抗震计算
12.5.3 底部框架-抗震墙砌体房屋抗震构造措施
思考题与习题
主要参考文献
第十三章 钢筋混凝土结构的抗震性能与设计
13.1 多层和高层钢筋混凝土结构的震害
13.1.1 场地引起的震害
13.1.2 结构布置引起的震害
13.1.3 钢筋混凝土框架结构的震害
13.1.4 剪力墙结构的震害
13.2 多高层钢筋混凝土结构选型、结构布置和设计原则
13.2.1 结构选型
13.2.2 结构布置
13.2.3 钢筋混凝土结构房屋的抗震等级
13.2.4 钢筋混凝土结构房屋的延性和屈服机制
13.2.5 材料及连接
13.2.6 楼梯间
13.2.7 基础结构
13.3 钢筋混凝土框架结构的抗震设计
13.3.1 水平地震作用计算
13.3.2 框架结构内力及水平位移计算
13.3.3 内力组合及最不利内力
13.3.4 框架结构截面设计
13.3.5 框架结构构造措施
13.3.6 预应力混凝土框架的抗震设计要求
13.4 抗震墙结构的抗震分析
13.4.1 抗震墙结构的设计要点
13.4.2 地震作用的计算
13.4.3 地震作用在各剪力墙之间的分配及内力计算
13.4.4 截面设计和构造
13.5 框架-抗震墙结构的抗震设计
13.5.1 框架-抗震墙结构设计要点
13.5.2 地震作用的计算方法
13.5.3 结构内力计算
13.5.4 截面设计和配筋构造
思考题与习题
主要参考文献
第十四章 钢结构的抗震性能与设计
14.1 多层和高层钢结构房屋的主要震害特征
14.1.1 梁柱节点连接的破坏
14.1.2 梁、柱、支撑等构件破坏
14.1.3 结构倒塌
14.2 多层和高层钢结构的选型与结构布置
14.2.1 多层和高层钢结构体系的选型
14.2.2 多层和高层结构房屋的平面布置原则
14.2.3 多层和高层钢结构房屋的竖向布置原则
14.2.4 多层和高层钢结构布置的其他要求
14.3 多层和高层钢结构房屋的抗震概念设计
14.3.1 优先选用延性相对较好的结构方案
14.3.2 多道防线的设置
14.3.3 强节点弱构件的设计
14.3.4 强柱弱梁的设计
14.3.5 偏心支撑框架的弱消能梁段要求
14.3.6 其他抗震设计要求
14.4 多层和高层钢结构房屋的抗震计算
14.4.1 结构计算模型
14.4.2 地震作用的计算
14.4.3 计算要求
14.5 多层和高层钢框架结构房屋的抗震构造措施
14.5.1 纯框架结构抗震构造措施
14.5.2 钢框架-中心支撑结构的抗震构造措施
14.5.3 钢框架-偏心支撑结构的抗震构造措施
思考题与习题
主要参考文献
第十五章 消能减震结构设计
15.1 概述
15.1.1 基本概念
15.1.2 消能减震结构的发展与应用
15.2 阻尼器
15.2.1 速度相关型阻尼器
15.2.2 位移相关型阻尼器
15.3 消能减震结构的设计要点
15.3.1 消能减震结构的设防水准
15.3.2 消能减震结构方案
15.3.3 消能减震结构的设计计算方法
15.4 消能减震结构设计实例
15.4.1 项目背景
15.4.2 结构概况
15.4.3 结构模型
15.4.4 输入地震动评价
15.4.5 分析流程概述
15.4.6 基于能量法的减震效果评价
15.4.7 基于时程分析法的减震效果评价
15.5 其他结构减振(震)控制方法
思考题与习题
第十六章 隔震结构设计
16.1 概述
16.1.1 基本概念
16.1.2 隔震结构的发展与应用
16.2 隔震支座
16.2.1 叠层橡胶支座
16.2.2 摩擦摆隔震支座
16.2.3 其他隔震支座
16.3 隔震的基本原理
16.4 隔震结构的设计要点
16.4.1 隔震结构基本要求
16.4.2 隔震结构方案设计
16.4.3 隔震结构的设计计算方法
16.5 新建隔震结构的设计实例
16.5.1 结构概况
16.5.2 结构模型
16.5.3 输入地震动评价
16.5.4 设计流程概述
16.6 隔震加固结构的设计实例
16.6.1 项目背景
16.6.2 结构概况
16.6.3 结构模型
16.6.4 输入地震动评价
16.6.5 设计流程概述
16.7 高层结构隔震设计
思考题与习题
第十七章 震后功能可恢复的新型抗震体系
17.1 功能可恢复概念
17.2 自复位框架结构
17.2.1 自复位钢框架梁柱节点
17.2.2 自复位钢支撑
17.3 自复位摇摆墙
17.3.1 结构体系概述
17.3.2 工程应用实例
17.3.3 摇摆墙刚度需求
17.3.4 框架-墙连接形式探究
17.3.5 填充墙作为摇摆墙
17.4 可更换连梁高层剪力墙结构
17.4.1 组装式自复位连梁
17.4.2 开槽式楼板
思考题与习题
主要参考文献
前言/序言
地震工程学发展至今已有100余年的历史,地震工程和结构工程界对地震作用和结构抗震设计方法进行了大量的研究,基本上掌握了结构抗震的一般原理与方法。大量的震害实例及工程实践经验表明,对工程结构进行科学的抗震设计,是消除或减轻地震灾害最积极有效的措施。与此同时,也发现很多结构在地震中的表现和所预期的结果并非一致,地震所导致的工程结构破坏,依然是地震灾害的主要问题。因此,结构工程师责任重大,有必要投入更多精力深入地研究和掌握地震作用的基本规律和结构抗震设计的原理和方法。
“建筑抗震设计”是我国高校土木工程专业的核心专业课程之一。当前,市面上关于建筑抗震设计方面的教材,大多数以我国抗震规范的章节为蓝本、基于对抗震规范条文内容的介绍和解释而编写,较严重地受到规范章节及条文内容的束缚与限制;从学生学习的角度上看,现有教材的普遍特点是内容多而庞杂,未能形成相对系统、完整的地震工程学的理论框架,缺少经典教科书的特点,应该深入重点学习的知识没有介绍,应该粗略了解的知识又讲得过多且模棱两可,并且在新理论与新技术方面涉及较少。因此,合适的建筑结构抗震书籍,无论是土木工程专业本科高年级学生还是研究生用教材,还是结构工程技术人员的参考书,都十分缺乏。编写一本相对系统地介绍建筑抗震设计的基础理论、方法、应用及发展趋势,适应不同层次的教学与科研人员需求,且具有鲜明特点的建筑抗震设计教科书很有必要。在此背景下,应科学出版社邀请,历经3年时间完成了本书的编写。
本书分为上、下两册总计17章,上册侧重于建筑结构抗震的基本原理,下册侧重于建筑结构抗震设计方法和规范。上册包括8章,分别是:第一章绪论;第二章地震学基础知识;第三章结构振动分析基础;第四章单自由度结构的地震反应;第五章多自由度结构弹塑性分析模型;第六章多自由度结构弹塑性分析方法;第七章多自由度结构的地震响应;第八章地震能量和损伤分析方法。下册包括9章,分别是:第九章结构抗震设计方法和规范;第十章基于性能/位移结构抗震设计方法;第十一章地基与基础抗震与设计;第十二章砌体结构的抗震性能与设计;第十三章钢筋混凝土结构的抗震性能与设计;第十四章钢结构的抗震性能与设计;第十五章消能减震结构设计;第十六章隔震结构设计;第十七章震后功能可恢复的新型抗震体系。本书第一章~第十章及第十五章~第十七章由潘鹏执笔,第十一章~第十四章由张耀庭执笔。全书由叶列平审核。
在本书的编制过程中,清华大学的邓开来、吴守君、张东彬和李伟等承担了大量的文字编辑工作。本书稿被用作清华大学研究生课程“结构抗震与减震原理”2016年春季学期和2017年春季学期的教学参考文档,选修这门课的同学们对本书稿提出了宝贵的修改意见和建议。在此一并表示衷心的感谢。
《现代桥梁工程技术》 一、 概述 《现代桥梁工程技术》一书,以其宏大叙事和精微洞察,全面展现了当代桥梁工程领域的前沿理念、核心技术与实践应用。全书共分为上下两册,总计约1500字,旨在为桥梁工程师、科研人员、规划设计者以及相关专业学生提供一本系统、深入、实用的技术参考。本书并非仅是知识的堆砌,而是对桥梁工程技术发展脉络的梳理,对复杂工程问题的解析,以及对未来发展趋势的展望。从桥梁的选址与方案设计,到材料的革新与应用,再到施工的智能化与精细化,直至桥梁的运维与智能化管理,本书无不涉及,力求呈现一个立体、多元的桥梁工程技术图景。 二、 上册:理论基石与创新实践 上册主要聚焦于桥梁工程的基础理论、关键技术和创新设计理念。 1. 桥梁工程理论体系的演进与革新: 本书首先回顾了桥梁工程理论的发展历程,从经典的力学分析到现代的数值模拟,系统阐述了荷载作用、材料性能、结构行为等基本概念。在此基础上,深入探讨了各种新型计算理论,如极限状态设计法、可靠度理论等,这些理论为桥梁的安全性、适用性和耐久性提供了坚实的理论基础。本书特别强调了不同类型桥梁(如梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等)在力学特性上的差异性,并详细介绍了针对这些差异性所进行的理论推演与分析方法。例如,对于斜拉桥的索-梁-塔耦合效应,本书给出了详细的分析模型和计算流程;对于悬索桥的大跨度、柔性特征,本书深入剖析了风力、地震等动力荷载对结构的影响,并提出了相应的抗风抗震设计对策。 2. 先进材料与结构体系的应用: 在材料科学飞速发展的今天,高性能混凝土(HPC)、纤维增强聚合物(FRP)、钢纤维混凝土以及新型钢材等先进材料在桥梁工程中的应用已成为趋势。本书详细介绍了这些材料的物理力学性能、耐久性特征,以及它们在不同部位(如桥面板、主梁、桥墩、锚固区等)的适用性。本书不仅列举了成功的应用案例,还分析了不同材料组合的优势与不足,为工程师在材料选择上提供了科学的依据。此外,本书还关注了新型结构体系的探索,如组合结构、预应力技术在大型桥梁中的深度应用,以及模块化、预制化建造技术对提升工程效率和质量的作用。 3. 桥梁设计方法的创新与智能化: 本书深入探讨了现代桥梁设计理念的演变,强调了“绿色设计”、“可持续设计”以及“以人为本”的设计原则。在设计方法上,本书介绍了参数化设计、可视化设计等先进手段,以及如何利用BIM(建筑信息模型)技术贯穿设计、施工、运维全过程,实现设计信息的高度集成与共享。特别地,本书详细介绍了针对复杂地形、特殊环境(如深水、高寒、地震活跃区)的桥梁设计挑战,以及如何通过精细化设计、优化结构布局来克服这些困难。对于大跨度桥梁,书中着重阐述了如何通过结构形式的选择、索具布置的优化、以及空间结构的运用,达到结构轻巧、美观且经济的目的。 4. 风险评估与安全保障: 安全性是桥梁工程的生命线。本书系统阐述了桥梁在设计、施工和运营全生命周期中的风险评估方法。这包括对自然灾害(如地震、台风、洪水)、人为因素(如超载、碰撞、腐蚀)以及材料老化等潜在风险的识别、分析与量化。在此基础上,本书详细介绍了各种安全保障措施,如结构冗余设计、抗震设防标准、防灾减灾预案的制定,以及智能监测系统的应用,以期在最大程度上保障桥梁的安全可靠。 三、 下册:工程实施与智慧运维 下册将视角转向桥梁工程的实施与后期的管理维护,聚焦于施工技术、质量控制、运营管理和智能化发展。 1. 精细化施工技术与装备: 本书详细介绍了当前桥梁工程中广泛应用的先进施工技术,包括但不限于:大型预制构件的吊装与拼装技术、现浇钢筋混凝土施工的质量控制、预应力张拉与锚固技术、斜拉索的架设与张拉控制、悬索的架设与索股编织技术等。对于不同类型桥梁,本书提供了具有针对性的施工工艺和技术要点。例如,在超大直径桩基施工中,如何克服涌水、塌孔等难题;在钢箱梁架设中,如何保证精确对接和焊接质量;在拱桥合龙阶段,如何精确控制拱肋的受力状态。书中还介绍了大型起重设备、滑模技术、顶推技术等关键施工装备的应用,以及如何通过这些技术提升施工效率和精度。 2. 质量控制与检测鉴定: 本书高度重视工程质量的保障,系统介绍了从原材料进场到施工过程再到实体结构的全面质量控制体系。这包括了材料性能的检测、施工工艺的验证、关键工序的监控以及实体结构的几何尺寸和力学性能检测。书中详细阐述了多种无损检测(NDT)和部分损检测(PDT)技术在桥梁健康评估中的应用,如超声波检测、回弹法、回弹法、裂缝检测、应力监测等。同时,本书也介绍了第三方检测机构的作用以及如何建立科学的质量评价标准。 3. 桥梁运营管理与养护维修: 桥梁的生命周期远不止于建成。本书深入探讨了桥梁的运营管理,包括交通流量的监测与控制、桥梁使用性能的评估以及日常的检查与维护。书中详细介绍了各类养护维修技术,如裂缝修补、混凝土表面防护、钢结构的防腐蚀处理、支座和伸缩缝的更换等。对于桥梁的重大病害,如混凝土碱骨料反应、钢筋锈蚀、结构沉降等,本书提供了深入的分析方法和可靠的修复方案。 4. 桥梁健康监测与智能化运维: 随着物联网、大数据、人工智能等新技术的兴起,桥梁的智能化运维正成为现实。《现代桥梁工程技术》一书重点介绍了桥梁健康监测系统(SHM)的构成、传感器选择、数据采集与处理,以及如何利用这些数据进行结构的健康诊断、寿命预测和早期预警。本书还展望了桥梁的智能化管理,如基于大数据的运营优化、智能巡检机器人、以及数字孪生技术的应用,旨在构建一个更加安全、高效、经济的桥梁管理体系。 四、 总结 《现代桥梁工程技术》上下两册,构成了一部内容丰富、体系完整、贴近工程实践的桥梁工程技术专著。本书力求理论与实践相结合,系统性与前瞻性并重,旨在为读者提供一份关于现代桥梁工程的全面认知,并激发其在工程实践中的创新思维。无论是对于经验丰富的工程师,还是初涉此领域的学生,本书都将是一笔宝贵的财富。它不仅教授“如何做”,更引导读者思考“为何这样做”,从而在不断发展的桥梁工程领域中,掌握前沿技术,应对复杂挑战,塑造更加安全、美观、耐久的交通基础设施。