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作為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，土木工程是我國提升人居環(huán)境、改善交通條件、發(fā)展公共事業(yè)、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、促進(jìn)商業(yè)發(fā)展、提升城市競爭力、開發(fā)和改造自然的基礎(chǔ)性行業(yè)。隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模、功能、造型和相應(yīng)的建筑技術(shù)越來越大型化、復(fù)雜化和多樣化，對土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與建造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。尤其經(jīng)過三十多年的改革開放和創(chuàng)新發(fā)展，在土木工程基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方法、建造技術(shù)及工程應(yīng)用方面，均取得了卓越成就，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，在高層、大跨、超長、重載等建筑結(jié)構(gòu)方面成績尤其驚人，國家體育場館、人民日報(bào)社新樓以及京滬高鐵、東海大橋、珠港澳橋隧工程等高難度項(xiàng)目的建設(shè)更把技術(shù)革新推到了科研工作的前沿。未來，土木工程領(lǐng)域中仍將有許多課題和難題出現(xiàn)，需要我們探討和攻克。

另一方面，環(huán)境問題特別是氣候變異的影響將越來越受到重視，全球性的人口增長以及城鎮(zhèn)化建設(shè)要求廣泛采用可持續(xù)發(fā)展理念來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。在可持續(xù)發(fā)展的國際大背景下，“高能耗”“短壽命”的行業(yè)性弊病成為國內(nèi)土木界面臨的最嚴(yán)峻的問題，土木工程行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步已成為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的迫切需求。以利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排為例，預(yù)應(yīng)力的實(shí)現(xiàn)是以使用高強(qiáng)高性能材料為基礎(chǔ)的，其中，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋的強(qiáng)度是建筑用普通鋼筋的3~4倍以上，而單位能耗只是略有增加；高性能混凝土比普通混凝土的強(qiáng)度高1倍以上甚至更多，而單位能耗相差不大；使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，則可以節(jié)省混凝土和鋼材20％~30％，隨著高強(qiáng)鋼筋、高強(qiáng)等級混凝土使用比例的增加，碳排放量將相應(yīng)減少。

東南大學(xué)土木工程學(xué)科于1923年由時(shí)任國立東南大學(xué)首任工科主任的茅以升先生等人首倡成立。在茅以升、金寶楨、徐百川、梁治明、劉樹勛、方福森、胡乾善、唐念慈、鮑恩湛、丁大鈞、蔣永生等著名專家學(xué)者為代表的歷代東大土木人的不懈努力下，土木工程系迅速壯大。如今，東南大學(xué)的土木工程學(xué)科以土木工程學(xué)院為主，交通學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院以及能源與環(huán)境學(xué)院參與共同建設(shè)，目前擁有4位院士、6位國家千人計(jì)劃特聘專家和4位國家青年千人計(jì)劃入選者、7位長江學(xué)者和國家杰出青年基金獲得者、2位國家級教學(xué)名師；科研成果獲國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)4項(xiàng)，國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)20余項(xiàng)，在教育部學(xué)位與研究生教育發(fā)展中心主持的2012年全國學(xué)科評估排名中，土木工程位列全國第三。

近年來，東南大學(xué)土木工程學(xué)院特別注重青年教師的培養(yǎng)和發(fā)展，吸引了一批海外知名大學(xué)博士畢業(yè)青年才俊的加入，8人入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，8人在35歲前晉升教授或博導(dǎo)，有12位40歲以下年輕教師在近5年內(nèi)留學(xué)海外1年以上。不遠(yuǎn)的將來，這些青年學(xué)者們將會成為我國土木工程行業(yè)的中堅(jiān)力量。

時(shí)逢東南大學(xué)土木工程學(xué)科創(chuàng)建暨土木工程系（學(xué)院）成立90周年，東南大學(xué)土木工程學(xué)院組織出版《東南土木青年教師科研論叢》，將本學(xué)院青年教師在工程結(jié)構(gòu)基本理論、新材料、新型結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)性能、工程管理等方面的最新研究成果及時(shí)整理出版。本叢書的出版，得益于東南大學(xué)出版社的大力支持，尤其是丁丁編輯的幫助，我們很感謝他們對出版年輕學(xué)者學(xué)術(shù)著作的熱心扶持。最后，我們希望本叢書的出版對我國土木工程行業(yè)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步起到一定的推動(dòng)作用，同時(shí)，希望叢書的編寫者們繼續(xù)努力，并挑起東大土木未來發(fā)展的重?fù)?dān)。

東南大學(xué)土木工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)讓我為本叢書作序，我在《東南土木青年教師科研論叢》中寫了上面這些話，算作序。

中國工程院院士：

弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系研究前 言前 言

空間結(jié)構(gòu)作為一種新興的結(jié)構(gòu)體系，其受力合理，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，經(jīng)典的空間結(jié)構(gòu)工程往往成為建筑美學(xué)與力學(xué)的集中體現(xiàn)。近年來，國內(nèi)外各類大型空間結(jié)構(gòu)工程已經(jīng)成為當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)性建筑。世界各國都十分注重大跨度空間結(jié)構(gòu)的理論研究與工程實(shí)踐，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，常見的有體育場館、展覽館、航站樓、火車站房等。其中，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的建筑造型，簡潔合理的結(jié)構(gòu)形式成為近代空間結(jié)構(gòu)較普遍被利用的結(jié)構(gòu)形式之一。本書探討了一種新型的預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，通過對該結(jié)構(gòu)體系力學(xué)性能的分析論證了其合理性，并簡要地介紹了對模型試驗(yàn)的情況。

本書是在董石麟院士的悉心指導(dǎo)下完成的，在浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心長達(dá)四年的求學(xué)過程中，恩師給予了大量的指導(dǎo)。恩師淵博的學(xué)識、創(chuàng)新的精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)、虛懷若谷的品格給學(xué)生留下了深刻的印象，學(xué)生將始終以恩師為榜樣，努力工作、學(xué)習(xí)。

限于作者的水平與經(jīng)驗(yàn)，書中可能尚有不妥之處，敬請讀者指正。

朱明亮

2015年1月于東南大學(xué)南京四牌樓校區(qū)

第1章緒論1

1.1空間結(jié)構(gòu)概述1

1.1.1空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展1

1.1.2空間結(jié)構(gòu)的分類7

1.1.3空間結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展8

1.2弦支穹頂結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀10

1.2.1弦支穹頂結(jié)構(gòu)的形式與分類10

1.2.2弦支穹頂結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及施工分析11

1.2.3弦支穹頂結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究12

1.3空間結(jié)構(gòu)分析方法概述12

1.4本書研究背景13

1.5本書主要研究內(nèi)容14第2章弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系的形式與分類16

2.1引言16

2.2弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系的形式與分類17

2.2.1按網(wǎng)格劃分形式分類17

2.2.2按叉筒網(wǎng)殼類型分類19

2.2.3按叉筒網(wǎng)殼層數(shù)分類20

2.2.4按平面投影形狀分類21

2.2.5按布索形式分類22

2.3預(yù)應(yīng)力叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)布索形式的探討22

2.3.1拉索式布置22

2.3.2張弦式布置23

2.3.3弦支式布置24

2.3.4混合式布置24

2.4預(yù)應(yīng)力叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式的推廣24

2.5本章小結(jié)26第3章弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力性能研究27

3.1引言27

3.2谷線式弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力性能分析27

3.2.1計(jì)算模型27

3.2.2預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)28

3.2.3全跨均布荷載作用下的靜力性能29

3.3參數(shù)分析31

3.3.1預(yù)應(yīng)力水平31

3.3.2上部網(wǎng)殼桿件截面33

3.3.3豎桿長度35

3.3.4矢跨比37

3.3.5傾角39

3.4脊線式弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力性能分析41

3.4.1計(jì)算模型41

3.4.2預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)41

3.4.3全跨均布荷載作用下的靜力性能42

3.5谷線式弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析43

3.5.1基本原理43

3.5.2自振特性44

3.5.3參數(shù)分析47

3.6脊線式弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析49

3.7幾種弦支結(jié)構(gòu)靜力性能的比較52

3.8本章小結(jié)53第4章弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能研究54

4.1引言54

4.2基本理論54

4.3谷線式弦支叉筒網(wǎng)殼非線性屈曲分析55

4.4參數(shù)分析57

4.4.1預(yù)應(yīng)力水平的影響57

4.4.2桿件截面的影響58

4.4.3豎桿長度的影響59

4.4.4矢跨比的影響60

4.4.5傾角的影響60

4.5材料非線性的影響62

4.6脊線式弦支叉筒網(wǎng)殼非線性屈曲分析63

4.7初始缺陷的影響64

4.7.1缺陷大小64

4.7.2缺陷分布65

4.8幾種弦支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的比較67

4.9本章小結(jié)68第5章向量式有限元概述及其索單元69

5.1引言69

5.2向量式有限元基本原理70

5.2.1基本概念70

5.2.2控制方程式72

5.2.3等效質(zhì)量及等效質(zhì)量慣性矩73

5.2.4靜態(tài)求解方法74

5.2.5分析流程74

5.3桿單元75

5.3.1桿單元內(nèi)力75

5.3.2算例76

5.4索單元78

5.4.1直線索單元78

5.4.2曲線索單元79

5.4.3算例81

5.5向量式有限元在弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力分析中的應(yīng)用82

5.5.1空間梁單元82

5.5.2弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力分析83

5.6本章小結(jié)85第6章基于向量式有限元的斷索失效全過程分析87

6.1引言87

6.2彈塑性向量式有限元模型的建立88

6.2.1材料彈塑性模型88

6.2.2斷裂行為89

6.2.3算例90

6.3弦支叉筒網(wǎng)殼斷索全過程分析91

6.3.1基本模型92

6.3.2XS1破斷93

6.3.3HS1破斷96

6.3.4XS2破斷99

6.3.5HS2破斷102

6.3.6XS3破斷105

6.3.7HS3破斷108

6.4弦支叉筒網(wǎng)殼二次防御能力評估111

6.5本章小結(jié)112第7章弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究113

7.1引言113

7.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作113

7.2.1支承平臺設(shè)計(jì)113

7.2.2支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)114

7.2.3叉筒網(wǎng)殼桿件設(shè)計(jì)115

7.2.4索桿體系設(shè)計(jì)115

7.3加載及測試方案117

7.3.1加載方案設(shè)計(jì)117

7.3.2測試方案119

7.3.3材料特性測試120

7.4弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型靜力加載試驗(yàn)120

7.4.1弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型張拉成形120

7.4.2滿跨靜力加載122

7.4.3半跨靜力加載124

7.4.4斷索（桿）分析127

7.5結(jié)論128第8章結(jié)論與展望129

8.1結(jié)論129

8.2展望131參考文獻(xiàn)132