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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