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《结构设计与优化：现代工程实践导论》 图书简介 本书全面系统地阐述了现代结构工程领域的核心理论、设计方法与先进的优化技术。它旨在为土木、结构、机械等相关工程专业的学生、研究人员以及一线工程师提供一本兼具理论深度和工程实用性的参考手册。全书结构严谨，内容涵盖了从基础材料力学到复杂结构体系的性能分析，再到前沿的智能设计与施工技术，力求构建一个完整的知识框架。 第一部分：结构力学基础与材料行为 本部分首先回顾并深化了经典结构力学的基本原理，重点探讨了应力、应变的概念及其在二维和三维状态下的张量表示。详细分析了线弹性、弹塑性材料在不同荷载条件下的响应特性。 材料科学前沿： 深入介绍了高性能混凝土（HPC）、超高性能混凝土（UHPC）的微观结构及其宏观力学性能。对新型钢材，如高强度钢、耐候钢的疲劳、断裂韧性进行了详尽的力学评估。着重讨论了复合材料（如FRP）在结构加固与新建工程中的应用机理和长期性能考量。 稳定性理论的现代应用： 阐述了梁、板、壳等基本构件的失稳模式，从欧拉公式到更复杂的非线性稳定性分析。引入了几何非线性和材料非线性相结合的屈曲分析方法，指导工程师如何准确评估大型、超高层结构在侧向荷载下的临界荷载和承载极限。 第二部分：结构分析与数值方法 本部分是全书的核心技术支撑，系统介绍了现代结构分析的理论基础和实践工具。 有限元方法的精深解析： 详尽阐述了有限元法的变分原理、形函数选择与单元刚度矩阵的推导过程。重点讲解了平面问题（如应力集中分析）和三维问题（如整体结构分析）的单元类型选择与网格划分策略。特别关注了接触问题、裂纹扩展等非线性问题的求解算法，如牛顿-拉夫逊法及其修正方案。 动力学响应分析： 从单自由度系统出发，逐步过渡到多自由度系统的自由振动、有阻尼振动和强迫振动分析。详细介绍了模态分析（Modal Analysis）在识别结构固有特性中的关键作用，并深入探讨了地震工程中的反应谱法、时程分析法的适用条件与计算步骤。对风致振动和行波效应在长跨结构中的影响进行了专门的论述。 先进分析工具与软件应用： 探讨了如何利用商业有限元软件（如ABAQUS, ANSYS等）进行复杂工程问题的建模、求解与后处理。强调了如何根据工程实际情况，合理简化模型、选择合适的边界条件和材料本构模型，避免“黑箱”操作，确保分析结果的可靠性。 第三部分：结构设计理论与规范解读 本部分聚焦于将理论分析转化为可靠、经济的工程设计实践，侧重于基于性能的设计理念。 极限状态设计法（LSD）： 详细解析了基于荷载和抗力分项系数的极限承载力设计原则。对于钢筋混凝土结构，深入探讨了受弯、受剪、受拉和受压构件的详细设计步骤，包括粘入力计算和构造措施的优化。对于钢结构，重点讲解了截面局部屈曲、整体屈曲和连接性能的设计控制。 基于性能的抗震设计（PBEE）： 阐述了从传统基于力的设计向基于性能设计理念的转变。定义了不同的性能目标（如正常使用、生命安全、防止倒塌）以及对应的需求侧和供应侧的评估指标。介绍了非线性静力推覆分析（Pushover Analysis）在评估结构抗震储备能力中的应用。 新型结构体系设计： 包含对预应力结构（包括束预应力与构件预应力）、预制装配式结构（PC结构）的设计要点。讨论了剪力墙-框架结构、筒中筒结构等复杂高层建筑的抗侧力体系选择与优化。 第四部分：结构优化与智能建造 本部分展望了结构工程的未来发展方向，侧重于提高设计效率和建造质量的技术。 拓扑优化与尺寸优化： 引入结构优化理论，解释了目标函数、约束条件和设计变量的定义。详细介绍了拓扑优化在确定结构承重骨架方面的应用，以及尺寸优化在满足性能要求下实现材料用量最小化的方法。讨论了梯度法和启发式算法（如遗传算法）在结构优化中的实施。 结构健康监测（SHM）： 介绍了基于光纤光栅（FBG）、压电传感器等先进传感器的结构状态实时监测技术。讨论了如何利用采集到的数据进行损伤识别、状态评估和剩余寿命预测，实现从被动维护到主动健康管理的转变。 增材制造与智能装配： 探讨了3D打印技术在复杂结构节点、定制化构件制造中的潜力与挑战。讨论了数字化孪生（Digital Twin）技术在指导现场装配、提高施工精度和集成运维管理中的应用前景。 本书理论严谨，图表丰富，不仅适合高等院校的结构力学、结构设计课程作为教材使用，更是结构工程师在进行复杂结构设计、分析升级和技术研究时的必备工具书。它强调理论与实践的紧密结合，鼓励读者掌握分析问题的基本原理，而非仅仅依赖软件的输出结果。
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