钢结构高等分析的二阶非弹性理论与应用PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 钢结构的工程应用及发展 1

1.1.1 多高层钢结构的发展及结构体系简介 3

1.1.2 轻型钢结构在我国的发展及结构体系简介 6

1.1.3 大跨度与空间钢结构在我国的发展及结构体系简介 9

1.2 钢结构设计方法发展概况及存在问题 10

1.2.1 钢结构设计方法的发展概况 10

1.2.2 钢结构设计中的稳定问题 17

1.2.3 现有基于构件极限承载力的两阶段设计方法及存在的问题 21

1.2.4 基于结构极限承载力的高等分析设计方法 23

1.3 基于结构极限承载力的高等分析设计方法研究进展 23

1.3.1 钢结构二阶非弹性分析与高等分析方法的研究进展 23

1.3.2 以二阶非弹性为基础的钢结构高等分析方法 28

1.3.3 高等分析方法需进一步完善的问题 32

1.3.4 钢结构高等分析的主要研究方向 33

1.3.5 基于高等分析和结构可靠度的钢结构设计方法 33

1.3.6 基于结构极限承载力的高等分析设计方法应用设想 34

1.4 小结 35

第2章 影响钢结构高等分析的主要因素 37

2.1 引言 37

2.2 影响钢结构高等分析的初始缺陷因素 37

2.2.1 几何初始缺陷 37

2.2.2 力学初始缺陷 39

2.3 几何非线性因素 43

2.4 材料非线性因素 45

2.5 半刚性连接非线性因素 49

2.6 侧扭屈曲非线性因素 51

2.7 翘曲变形非线性因素 52

2.8 局部屈曲非线性因素 53

2.9 弯曲缩短非线性因素 54

2.10 剪切变形非线性因素 54

2.10.1 构件截面剪切变形 55

2.10.2 梁柱节点域剪切变形 60

2.11 小结 61

第3章 钢结构高等分析的关键技术 63

3.1 引言 63

3.2 高等分析方法对初弯曲和残余应力的考虑 64

3.2.1 几何初始缺陷考虑方法 64

3.2.2 残余应力考虑方法 64

3.3 几何非线性描述 64

3.4 二阶非线性分析中构形变化时的转换矩阵 67

3.5 二阶非线性分析方法 72

3.5.1 有限元方法 74

3.5.2 梁柱理论法 78

3.6 材料非线性分析方法 81

3.6.1 材料非线性分析方法 81

3.6.2 塑性铰对部分结构的要求 83

3.7 屈服面选用 85

3.7.1 Orbison屈服面 85

3.7.2 相关方程屈服面 86

3.7.3 Chan单方程屈服面 88

3.7.4 Duan-Chan屈服面 88

3.7.5 Ren-Zeng数值拟合的屈服面 89

3.7.6 本书建议的屈服面 89

3.8 二阶非弹性非线性分析方法 91

3.8.1 插值函数法 91

3.8.2 稳定函数法 92

3.9 梁柱半刚性连接分析方法 94

3.10 非线性方程组求解技术 96

3.10.1 荷载增量控制法 99

3.10.2 位移增量控制法 101

3.10.3 弧长控制法 103

3.10.4 收敛准则 105

3.11 提高非线性求解效率新技术 106

3.11.1 超级单元技术 106

3.11.2 并行计算新技术 107

3.1 2小结 109

第4章 弯剪与翘扭稳定函数 110

4.1 引言 110

4.2 考虑剪切变形的二维弯剪稳定函数 111

4.3 考虑初弯曲和剪切变形的二维弯剪稳定函数 114

4.3.1 压弯梁柱单元 114

4.3.2 拉弯梁柱单元 116

4.4 考虑剪切变形的三维弯剪稳定函数 118

4.5 基于梁柱理论的弯剪稳定函数统一形式 121

4.6 基于梁柱理论的弓形效应系数 123

4.7 三维梁柱单元的翘曲与扭转方程 124

4.7.1 自由扭转方程 125

4.7.2 约束扭转方程 126

4.8 开口截面梁柱单元的翘扭稳定函数 127

4.8.1 开口截面梁柱单元约束扭转的微分方程 127

4.8.2 开口截面梁柱单元的翘扭稳定函数 128

4.8.3 翘扭刚度矩阵变换 131

4.9 闭口截面梁柱单元的翘扭稳定函数 132

4.9.1 闭口截面梁柱单元约束扭转的微分方程 132

4.9.2 闭口截面梁柱单元的翘扭稳定函数 133

4.1 0小结 134

第5章 三维梁柱单元与三维支撑杆元二阶弹性非线性刚度方程 135

5.1 引言 135

5.2 基于弯剪与翘扭稳定插值函数的三维单元二阶弹性刚度方程 136

5.2.1 基本假定 138

5.2.2 三维二阶非线性弹性梁柱单元位移场 139

5.2.3 三维梁柱单元的弯剪与翘扭稳定插值函数 142

5.2.4 三维梁柱单元增量形式的虚功方程 150

5.2.5 基于弯剪与翘扭稳定插值函数的二阶弹性刚度矩阵 155

5.2.6 基于稳定插值函数的梁柱单元侧扭几何非线性刚度矩阵 158

5.2.7 基于弯剪稳定插值函数的三维梁柱单元几何刚度矩阵 160

5.2.8 基于翘扭稳定插值函数的梁柱单元二阶弹性翘扭刚度矩阵 160

5.3 基于弯剪与翘扭稳定函数的三维梁柱单元二阶弹性方程 161

5.3.1 基本假定 162

5.3.2 基于弯剪稳定函数的三维梁柱单元二阶弹性方程 162

5.3.3 基于弯剪、翘扭稳定函数的三维梁柱单元二阶弹性方程 165

5.3.4 整体坐标下三维梁柱单元二阶弹性刚度方程 169

5.3.5 梁柱理论法与有限元法相结合的三维梁柱单元二阶弹性刚度方程 172

5.3.6 考虑初弯曲的三维梁柱单元二阶弹性刚度方程 174

5.4 三维支撑杆元的二阶弹性刚度方程 178

5.5 小结 180

第6章 基于弯剪与翘扭稳定插值函数的三维梁柱单元与三维支撑杆元二阶非弹性刚度方程 182

6.1 引言 182

6.2 基于弯剪和翘扭稳定插值函数的三维二阶非弹性分析 182

6.2.1 基本假定 182

6.2.2 三维梁柱单元二阶非弹性刚度方程 183

6.2.3 截面内力状态偏离屈服面的修正方法 185

6.2.4 三维二阶非弹性梁柱单元的坐标变换 186

6.3 三维支撑杆元的二阶非弹性刚度方程 188

6.4 小结 189

第7章 基于弯剪稳定函数的钢结构二维高等分析 190

7.1 引言 190

7.2 基于弯剪稳定函数的二阶弹性刚度方程 190

7.3 基于弯剪稳定函数的钢结构二维高等分析 193

7.3.1 基本假定 194

7.3.2 二维梁柱单元的基本刚度方程 194

7.3.3 二维梁柱单元的二阶非弹性增量刚度方程 196

7.4 二阶非弹性二维支撑杆元 197

7.4.1 支撑单元的假定 198

7.4.2 二维支撑杆元的二阶弹性刚度方程 198

7.4.3 二维支撑杆元铰接时的非弹性刚度方程 199

7.4.4 二维支撑杆元的二阶非弹性刚度方程 199

7.5 小结 200

第8章 基于弯剪与翘扭稳定函数的钢结构三维高等分析 201

8.1 引言 201

8.2 基于弯剪稳定函数的三维梁柱单元的二阶非弹性刚度方程 201

8.2.1 基本假定 201

8.2.2 三维梁柱单元的二阶弹性基本刚度方程 202

8.2.3 三维梁柱单元的二阶非弹性刚度方程 204

8.2.4 整体坐标系下三维梁柱单元的二阶非弹性刚度方程 207

8.3 考虑侧扭变形的三维梁柱单元二阶非弹性刚度方程 208

8.4 考虑节点域剪切变形的三维梁柱单元二阶非弹性刚度方程 209

8.4.1 基本假设 209

8.4.2 梁、柱单元与节点域之间的变形关系 209

8.4.3 考虑节点域剪切变形的三维梁单元二阶非弹性刚度方程 210

8.4.4 考虑节点域剪切变形的三维柱单元二阶非弹性刚度方程 211

8.4.5 节点域的弹性及弹塑性刚度矩阵 212

8.4.6 考虑节点域剪切变形的钢结构三维二阶非弹性刚度矩阵 213

8.5 基于弯剪与翘扭稳定函数的钢结构三维二阶非弹性分析 214

8.5.1 基本假设 214

8.5.2 三维梁柱单元的二阶非弹性基本刚度方程 214

8.5.3 三维梁柱单元的二阶非弹性弯剪与翘扭刚度方程 215

8.6 采用刚性楼板假设的三维梁柱单元的二阶非弹性刚度方程 219

8.7 基于超级单元法的三维梁柱单元的二阶非弹性刚度方程 220

8.7.1 基于超级单元法的三维梁柱单元二阶非弹性刚度方程 220

8.7.2 基于超级单元的三维二阶非弹性刚度矩阵 222

8.8 三维支撑杆元的二阶非弹性刚度方程 223

8.9 小结 224

第9章 基于纤维模型的钢结构高等分析 226

9.1 引言 226

9.2 基于杆元纤维模型的二阶非弹性分析 227

9.2.1 二维杆元二阶非弹性刚度方程 227

9.2.2 三维杆元二阶非弹性刚度方程 232

9.3 基于纤维模型和刚度法的三维梁柱单元二阶非弹性刚度方程 236

9.3.1 梁柱纤维模型的材料非弹性 236

9.3.2 三维梁柱单元的二阶非弹性刚度方程 238

9.4 基于纤维模型和柔度法的三维梁柱单元二阶非弹性刚度方程 243

9.4.1 三维梁柱单元的非弹性刚度方程 243

9.4.2 三维梁柱单元的二阶非弹性刚度方程 249

9.5 小结 253

第10章 钢结构梁柱节点半刚性连接智能计算模型 255

10.1 引言 255

10.2 梁柱节点半刚性连接的受力性能 256

10.3 梁柱节点半刚性连接性能的确定和研究方法 258

10.4 梁柱节点连接的分类方法 262

10.5 梁柱节点半刚性连接现有计算模型简介 264

10.5.1 半刚性连接现有模型（强轴） 265

10.5.2 弱轴半刚性连接现有模型研究进展 268

10.6 人工智能分析模型选用 270

10.6.1 人工智能分析模型简介 270

10.6.2 神经网络数学模型 273

10.6.3 神经网络的拓扑结构 274

10.6.4 神经网络的运行过程 274

10.6.5 BP神经网络简介 275

10.7 BP人工神经网络 275

10.7.1 BP人工神经网络的结构 275

10.7.2 BP人工神经网络的学习算法 276

10.7.3 BP网络存在的问题 279

10.7.4 BP算法的改进措施 280

10.7.5 BP人工神经网络实现 281

10.8 梁柱节点连接数据库介绍 284

10.8.1 梁柱节点连接数据库简介 284

10.8.2 半刚性连接数据库介绍 285

10.9 半刚性连接智能分析模型建立 289

10.9.1 带双腹板角钢的顶底角钢半刚性连接性能影响因素分析 289

10.9.2 端板半刚性连接性能影响因素分析 295

10.9.3 半刚性连接智能分析模型建立及定义神经网络训练样本参数 297

10.1 0半刚性连接智能模型的仿真预测分析 303

10.1 0.1 BP人工神经网络预测的半刚性连接弯矩-转角（M-θr）曲线分析 304

10.1 0.2 BP人工神经网络模型预测的弯矩-转角（M-θr）曲线与其他模型对比 306

10.1 0.3 BP人工神经网络模型预测半刚性连接初始刚度 308

10.1 0.4 BP人工神经网络模型预测的半刚性连接节点极限弯矩承载力 308

10.1 1开发的半刚性连接智能模型仿真预测工具 308

10.1 2小结 310

第11章 半刚性连接钢结构的二阶非弹性分析 311

11.1 引言 311

11.2 半刚性钢结构计算模型选用 311

11.2.1 梁柱节点半刚性连接分类 311

11.2.2 半刚性连接构造类型 314

11.2.3 节点半刚性连接计算模型选用 315

11.3 半刚性连接钢结构计算方法选用 322

11.4 半刚性连接钢结构二维二阶非弹性分析 326

11.5 半刚性连接钢结构三维二阶非弹性分析 328

11.6 半刚性连接钢结构二阶非弹性时程分析 332

11.6.1 半刚性连接钢结构的基本自振周期 335

11.6.2 半刚性连接钢结构二阶弹性时程分析 336

11.6.3 半刚性连接钢结构二阶非弹性时程分析 339

11.7 小结 343

第12章 钢结构二阶非弹性分析算例分析和高等分析的设计方法应用 344

12.1 引言 344

12.2 基于结构极限承载力的高等分析设计方法与特点 344

12.2.1 基于结构极限承载力的高等分析设计方法 344

12.2.2 基于结构极限承载力的高等分析设计方法特点 346

12.3 基于结构极限承载力的钢结构设计步骤 347

12.4 高等分析中二阶非弹性方法选用 349

12.5 高等分析中二阶非弹性程序或软件的实现方案 350

12.5.1 基于OpenSees开发源代码平台的高等分析程序开发介绍 350

12.5.2 基于FEAP系列源代码的高等分析程序开发介绍 358

12.5.3 钢结构高等分析的商用专业软件介绍 364

12.5.4 二阶非弹性分析的通用软件及二次开发介绍 368

12.5.5 钢结构二阶非弹性分析的并行计算介绍 379

12.5.6 开发的钢结构二阶非弹性和高等分析部分程序介绍 382

12.6 钢结构二阶非弹性分析与高等分析算例 386

12.6.1 Vogel门式刚架校准算例 386

12.6.2 六层Vogel钢框架结构校准算例 387

12.6.3 某二层四跨半刚性连接钢框架算例 388

12.6.4 某双向压弯悬臂柱算例 390

12.6.5 某单层单跨空间钢框架算例 391

12.6.6 某三层单跨空间钢框架模型试验算例 391

12.6.7 Orbison六层空间钢框架校准算例 393

12.6.8 柔度法与刚度法的比较算例 394

12.6.9 某十层两跨钢框架结构算例 396

12.6.10 某六层单跨钢框架偏心支撑结构算例 397

12.6.11 某单跨四层钢结构 398

12.6.12 某钢框架偏心支撑结构算例 399

12.6.13 某四层双跨半刚性连接钢框架结构算例 400

12.6.14 某双层单跨半刚性连接支撑钢框架算例 401

12.6.15 不同半刚性连接参数对钢结构性能影响算例 401

12.6.16 某三层单跨三维钢框架结构 403

12.6.17 某两层单跨三维钢框架结构算例 403

12.6.18 某两层两跨三维框架算例 404

12.6.19 20层三维钢框架结构校准算例 405

12.6.20 某两层单跨三维框架结构算例 406

12.6.21 六角星穹顶结构校准算例 407

12.6.22 某单层球面网壳的二阶非弹性分析算例 408

12.6.23 某半刚性连接钢结构时程分析算例 409

12.7 基于结构极限承载力的钢结构设计方法与现两阶段设计法的比较 413

12.7.1 现行基于构件极限承载力的两阶段设计方法 414

12.7.2 基于结构极限承载力的高等分析设计方法 418

12.8 基于结构极限承载力计算的工程算例分析 425

12.8.1 某非规则单层折板式大跨度空间钢网壳结构工程算例 425

12.8.2 某斗拱型网壳结构算例 434

12.9 小结 440

第13章 基于遗传算法与高等分析的钢结构优化 441

13.1 引言 441

13.2 结构优化方法 442

13.2.1 简述 442

13.2.2 结构优化的一般数学模型 442

13.2.3 现有结构优化方法存在的问题及解决办法 443

13.3 遗传算法优化 444

13.3.1 遗传算法简述 444

13.3.2 遗传算法优化的优点 447

13.3.3 遗传算法优化的实现 448

13.3.4 遗传算法优化应用的关键 449

13.3.5 全局最优收敛 451

13.4 基于遗传算法与高等分析的钢结构优化的数学模型与方法 451

13.4.1 基于遗传算法与高等分析的数学模型 451

13.4.2 基于遗传算法与高等分析的钢结构优化分析步骤 453

13.4.3 基于遗传算法与高等分析的钢结构优化程序简介 454

13.5 遗传算法优化算例 455

13.5.1 三杆桁架校准算例 455

13.5.2 某二层空间钢框架结构优化算例 457

13.6 小结 458

附录1 基于剪弯稳定插值函数的三维梁柱单元二阶弹性刚度矩阵系数 460

附录2 基于翘扭稳定函数的三维梁柱单元翘扭刚度矩阵系数 462

附录3 半刚性连接智能模型的部分训练样本 466

参考文献 469