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绪论1

0.1　引言1

0.2　结构抗火研究2

0.3　结构抗震研究4

0.4　结构抗爆研究5

0.5　结构非线性分析的意义5

第1章　火灾下钢筋混凝土结构抗高温性能及特点8

1.1　钢筋混凝土结构抗火研究的必要性及特点8

1.1.1　钢筋混凝土结构抗火研究的必要性8

1.1.2　钢筋混凝土结构抗高温性能的特点9

1.2　国内外钢筋混凝土结构抗火研究的发展及研究现状10

1.2.1　钢筋混凝土结构抗火研究的发展10

1.2.2　国内外钢筋混凝土结构抗火性能研究现状11

1.3　钢筋和混凝土的热工性能和热力学性能18

1.3.1　材料的热工性能18

1.3.2　高温下材料的热力学性能21

思考题28

第2章　火灾下钢筋混凝土结构温度场非线性有限元分析29

2.1　钢筋混凝土构件热传导方程及其定解条件30

2.1.1　钢筋混凝土构件热传导方程30

2.1.2　钢筋混凝土构件热传导方程的定解条件31

2.2　有限元法求解非线性瞬态温度场分布32

2.2.1　变分计算格式32

2.2.2　有限单元法的单元划分及温度插值函数32

2.2.3　单元变分计算35

2.2.4　有限单元法的总体合成37

2.2.5　时间差分格式38

2.2.6　计算的稳定性38

2.2.7　试验数据与计算数据的比较39

2.2.8　火灾高温下钢筋混凝土构件截面温度场的模拟40

2.3　钢筋混凝土构件截面温度场的影响因素分析41

2.3.1　截面尺寸的影响41

2.3.2　受火面数的影响41

2.3.3　受火时间的影响42

思考题43

第3章　火灾作用下钢筋混凝土结构构件的承载能力44

3.1　钢筋混凝土结构防火设计的一般原则44

3.1.1　建筑结构设计和构造要求44

3.1.2　结构抗火设计要求45

3.1.3　火灾作用下荷载效应组合45

3.2　火灾下钢筋混凝土结构的极限状态46

3.2.1　与承载能力有关的极限状态46

3.2.2　与分隔功能有关的极限状态47

3.3　火灾高温作用下钢筋混凝土简支梁的极限承载力与结构等效楼面活荷载分析48

3.3.1　基本假设48

3.3.2　火灾高温作用下钢筋混凝土简支梁抗弯、抗剪承载力分析48

3.3.3　火灾高温下钢筋混凝土简支梁楼面等效活荷载计算50

3.3.4　不同混凝土强度等级钢筋混凝土简支梁极限承载力及等效楼面活荷载算例51

3.3.5　计算结果分析53

3.3.6　不同梁截面配筋率钢筋混凝土梁极限承载力及等效楼面活荷载算例54

3.4　钢筋混凝土偏压构件耐火极限分析56

3.4.1　钢筋混凝土偏压构件极限承载力计算56

3.4.2　试验验证59

3.4.3　钢筋混凝土构件耐火极限承载力的影响因素分析60

3.5　考虑薄膜效应的钢筋混凝土楼板耐火极限分析63

3.5.1　火灾时钢筋混凝土板内温度场分析63

3.5.2　火灾作用下钢筋混凝土板的薄膜效应分析64

3.5.3　火灾作用下钢筋混凝土板的极限承载力分析70

思考题72

第4章　火灾作用下钢筋混凝土超静定结构非线性分析73

4.1　几何非线性有限元基本方程73

4.1.1　应变度量的描述74

4.1.2　应力度量的描述76

4.1.3　虚位移原理78

4.1.4　位形表述形式79

4.2　钢筋混凝土超静定结构抗火性能非线性分析80

4.2.1　基本假定80

4.2.2　几何描述与结构离散81

4.2.3　轴向应变82

4.2.4　火灾作用下梁-柱单元的增量平衡方程82

4.2.5　坐标变换85

4.2.6　二阶效应85

4.2.7　大变形条件下的材料非线性86

4.2.8　非线性数值求解87

4.3　钢筋混凝土连续梁抗火性能分析88

4.3.1　高温极限承载力89

4.3.2　荷载对结构抗火性能的影响90

4.3.3　内力重分布分析91

4.4　火灾高温作用下钢筋混凝土结构框架内力重分布分析93

4.4.1　结构内力重分布计算93

4.4.2　计算结果分析99

思考题100

第5章　火灾高温后钢筋混凝土构件可靠性分析101

5.1　火灾高温后混凝土材料的力学性能101

5.1.1　高温后混凝土的抗压强度101

5.1.2　高温后混凝土的弹性模量103

5.1.3　高温后混凝土的应力-应变关系104

5.1.4　高温后混凝土的泊松比和体积应变105

5.2　高温后钢筋的力学性能105

5.2.1　高温后钢筋的强度105

5.2.2　高温后钢筋的弹性模量111

5.2.3　高温后钢筋的应力-应变关系111

5.2.4　高温后钢筋与混凝土的黏结强度112

5.3　火灾后钢筋混凝土受弯构件剩余承载力的计算112

5.3.1　计算原理和基本假设113

5.3.2　分层计算法113

5.3.3　等效截面缩减法115

5.4　火灾后钢筋混凝土受弯构件剩余承载力计算实例119

5.4.1　火灾时钢筋混凝土梁内最高温度分布的确定120

5.4.2　分层法计算火灾后钢筋混凝土梁的剩余承载力121

5.4.3　等效截面缩减法计算火灾后钢筋混凝土梁的剩余承载力122

5.5　火灾后钢筋混凝土构件可靠性要求123

5.5.1　结构可靠性的功能要求124

5.5.2　结构功能函数和极限状态124

5.5.3　结构可靠度和失效概率125

5.5.4　结构可靠性指标125

5.6　影响火灾后钢筋混凝土构件可靠性的因素127

5.6.1　火灾后钢筋混凝土构件抗力模型的确定127

5.6.2　钢筋混凝土构件等效火灾荷载的理论计算128

5.6.3　钢筋混凝土梁的等效火灾荷载131

5.7　荷载和抗力统计参数132

5.7.1　荷载的统计分析132

5.7.2　抗力的概率类型分布133

5.7.3　影响抗力各随机变量的统计分析133

5.8　火灾后钢筋混凝土梁功能函数的建立135

5.8.1　考虑火灾荷载作用的功能函数135

5.8.2　考虑抗力衰减的功能函数135

5.9　火灾后钢筋混凝土梁时变可靠性分析135

5.9.1　抗力随时间变化模型136

5.9.2　火灾前抗力的概率类型分布和统计参数计算137

5.10　火灾前荷载效应的计算和功能函数的建立138

5.11　火灾后钢筋混凝土梁的可靠性分析140

5.11.1　极限状态方程的建立140

5.11.2　影响受火后RC梁抗力统计参数的分析141

5.11.3　火灾前和火灾后两个过程抗力的相关性分析142

5.11.4　火灾后钢筋混凝土梁的可靠性计算实例143

5.11.5　长期使用受火后梁的可靠性分析147

5.12　火灾后钢筋混凝土柱的可靠性分析148

5.12.1 四面受火后钢筋混凝土柱的可靠性分析——抗力模型和极限状态方程149

5.12.2　计算实例151

5.12.3　影响受火后柱可靠性指标β值的因素152

5.12.4　火灾后RC偏压受压柱综合考虑轴力和弯矩的可靠性154

思考题159

第6章　大体积混凝土的温度场和温度应力160

6.1　大体积混凝土结构设计与施工的特点160

6.2　研究大体积混凝土结构的意义161

6.3　大体积混凝土结构温控防裂的研究现状162

6.4　大体积混凝土温度裂缝的成因机理163

6.4.1　裂缝的类型163

6.4.2　裂缝的危害性164

6.4.3　混凝土的温度应力164

6.4.4　大体积混凝土温度裂缝产生的机理167

6.5　大体积混凝土温度裂缝的主要影响因素168

6.6　大体积混凝土温度场基本原理169

6.7　混凝土的热学性能173

6.7.1　热学性能主要参数173

6.7.2　水泥水化热与混凝土绝热温升173

6.8　混凝土的力学性能176

6.8.1　混凝土的抗压强度176

6.8.2　混凝土的轴向抗拉强度176

6.8.3　混凝土极限拉伸变形178

6.8.4　混凝土弹性模量178

6.9　大体积混凝土温度场有限元计算179

6.9.1　温度场的变分形式179

6.9.2　稳定温度场的有限单元法公式181

6.9.3　不稳定温度场的有限元法公式185

6.9.4　温度应力场的有限元法计算187

6.10　温度场仿真分析及算例190

6.10.1　仿真分析的主要步骤190

6.10.2　混凝土仿真分析的实现191

6.10.3　工程实例分析192

思考题198

第7章　钢筋混凝土结构的地震反应时程分析200

7.1　抗震设计理论的发展200

7.2　结构地震动方程的建立201

7.2.1　数学模型的建立201

7.2.2　结构动力平衡方程建立的基本方法202

7.2.3　结构地震动方程203

7.3　结构的刚度矩阵、阻尼矩阵与质量矩阵204

7.3.1　结构的振动模型204

7.3.2　结构刚度矩阵的建立208

7.3.3　结构的质量矩阵与阻尼矩阵214

7.4　钢筋混凝土构件与结构的恢复力模型215

7.4.1　刚度退化双线性型模型215

7.4.2　刚度退化三线性型模型217

7.4.3　钢筋混凝土构件恢复力曲线模型特征参数219

7.4.4　钢筋混凝土结构层恢复力曲线模型特征参数221

7.5　地震波的选取225

7.5.1　地震波类型及选用波数225

7.5.2　地震波的调整及选择原则226

7.6　算例分析227

思考题232

第8章　钢筋混凝土结构地震作用的静力弹塑性分析233

8.1　Pushover分析方法研究现状233

8.2　Pushover分析方法（Pushover静力弹塑性分析）235

8.2.1　基本原理及假定235

8.2.2　Pushover分析方法理论背景235

8.2.3　目标位移的确定237

8.2.4　加载模式241

8.2.5　Pushover分析的基本步骤242

8.3　结构Pushover静力弹塑性分析243

8.3.1　分析过程243

8.3.2　塑性铰的定义和布置244

8.3.3　Pushover分析工况245

8.3.4　荷载控制245

8.3.5　分析提取的结果246

8.4　算例分析246

思考题248

第9章　爆炸载荷及材料动力性能249

9.1 自由大气中的冲击波参数249

9.1.1　波阵面超压及压力-时间曲线249

9.1.2　波阵面状态参量的关系式252

9.1.3　动压253

9.1.4　爆炸相似律254

9.1.5　爆炸冲击波参数的理论计算256

9.2　地面附近的冲击波参数257

9.2.1　冲击波地面反射时的物理现象257

9.2.2　地面附近冲击波的计算259

9.3　地面结构物上的冲击波荷载263

9.3.1　封闭箱形结构265

9.3.2　部分敞开的箱形结构266

9.3.3　地面拱形结构267

9.4　结构材料的动力性能269

9.4.1　钢材271

9.4.2　混凝土275

9.5　结构可靠性分析的统计模型278

9.5.1　引言278

9.5.2　钢筋混凝土材料的统计模型278

9.5.3　爆炸载荷的统计模型281

9.5.4　失效模式及失效准则286

9.5.5　结构抗力模型286

思考题290

第10章　基本构件抗爆动力分析291

10.1　单自由度体系的弹塑性动力分析291

10.2　梁的弹塑性动力分析297

10.2.1　弹性阶段动力分析297

10.2.2　塑性阶段动力分析302

10.3　柱的动力分析315

10.3.1　轴向力为静载时的分析315

10.3.2　轴向力为动载时的分析320

10.4　考虑整体位移时动力反应分析324

10.4.1　结构整体作为刚体时的动力计算325

10.4.2　同时考虑结构整体位移及顶盖变形时的动力计算331

思考题333

第11章　板壳动力分析334

11.1　概述334

11.2　薄板的动力分析335

11.2.1　弹性薄板的自由振动计算原理335

11.2.2　利用已知弹性解作薄板的弹塑性动力分析339

11.2.3　薄板的刚塑性动力分析344

11.3　厚板的动力分析348

11.3.1　弹性厚板的振动348

11.3.2　弹塑性厚板的动力分析351

思考题353

第12章　结构抗爆动力计算的有限元方法354

12.1　概述354

12.2　振动方程及其数值积分方法356

12.2.1　振动方程的有限元表达式356

12.2.2　振动方程的直接逐步时间积分358

12.2.3　数值积分法的稳定性和计算精度361

12.3　材料非线性问题的结构有限元动力分析371

12.3.1　材料非线性多自由度体系动效分析的特点371

12.3.2　增量平衡方程372

12.3.3　逐步积分的线加速度法373

12.3.4　威尔逊-Q法在非线性系统中的应用374

12.3.5　计算步骤376

12.3.6　增量迭代混合法及对弹塑性问题的加速收敛措施377

12.4　几何非线性问题动力响应计算378

12.4.1　本构关系378

12.4.2　有限元法的计算模式380

12.4.3　求解方法383

12.4.4　计算示例384

思考题385

第13章　钢筋混凝土结构在爆炸作用下的数值模拟技术386

13.1　引言386

13.2　混凝土材料本构模型388

13.2.1　LS-DYNA中的常用模型388

13.2.2　损伤-塑性本构模型390

13.3　钢筋混凝土简支梁考虑钢筋时的有限元数值模拟391

13.3.1　有限元模型描述391

13.3.2　材料状态方程392

13.3.3　钢筋模拟方法395

13.3.4　数值模拟及结果分析396

13.4　爆炸荷载的生成399

13.5　时间步长的影响399

13.6　网格尺寸的影响401

13.7　ALE耦合数值算法401

13.8　装药爆炸对混凝土板作用的数值模拟403

13.8.1　计算模型403

13.8.2　数值模拟403

13.9　爆炸作用下混凝土板的塑性动力响应405

13.9.1　计算模型和基本假设405

13.9.2　理论分析405

13.9.3　土-结构界面应力势能的计算407

13.9.4　四边固支钢筋混凝土板的运动微分方程409

13.9.5　板运动微分方程的解析解410

13.9.6　理论验证410

思考题412

参考文献413