内容简介
《金属板壳结构承载力统一理论与应用（上）》系统地阐述了金属板壳结构的弹性、弹塑性稳定理论、极限承载力和概率设计法。考察了金属板壳结构的几何缺陷、残余应力和弹塑性参数随机性对其极限承载力的影响，着重于稳定理论、原理及研究方法的叙述和推导。介绍了金属板壳结构的折减厚度法、塑性佯谬、承载力统一理论，以及承载力统一理论在金属板壳结构承载力分析中的应用；特别在此基础上，开展了金属（合金）板壳桁架式大型航天器离轨再入极限承载力环境致结构响应非线性力学行为统一理论建模与模拟；同时也介绍了稳定承载力极限状态设计法的一般验算方法和合理分项系数。《金属板壳结构承载力统一理论与应用（上）》分为上、下两册，上册内容主要包括钢结构的制安、压杆及简单受力构件的弹性与弹塑性稳定理论、极限承载力、稳定问题近似分析法和设计应用。下册内容主要包括板件、构件和复杂金属（合金）结构的屈*与*后力学性能，板壳结构的承载力统一理论与应用，以及“天宫一号”飞行器再入极限承载力环境结构响应失效行为模拟。
目录
目录
序
前言
符号表
第1章 概论 1
1.1 钢结构的性能 1
1.1.1 钢结构的特点和类型 1
1.1.2 钢结构的破坏形式 6
1.1.3 钢材料的主要性能 8
1.1.4 钢材的分类与选择 17
1.2 钢结构的焊接应力与变形 21
1.2.1 焊接应力与变形 21
1.2.2 焊接残余应力分布 28
1.2.3 残余应力对结构的影响 37
1.2.4 焊接变形对钢结构的影响 37
1.2.5 焊接符号及标注说明 38
1.2.6 常见的变形及产生原因 45
1.2.7 桥梁钢结构对变形的要求 47
1.3 我国建筑与桥梁钢结构的发展 49
1.3.1 建筑钢结构的发展 50
1.3.2 桥梁钢结构的发展 54
1.3.3 当代钢结构体系的变革和发展趋势 59
1.4 钢箱梁桥垮塌事故回顾.60
1.4.1 维也纳多瑙河第四大桥 61
1.4.2 英国威尔士Cleddau大桥 63
1.4.3 墨尔本西门大桥 64
1.4.4 德国科布伦茨莱茵河大桥 67
1.4.5 德国Zeulenroda大桥 68
1.5 结构稳定问题的概念与发展 70
1.5.1 结构稳定问题的类型 70
1.5.2 结构稳定问题的计算方法 78
1.5.3 钢结构稳定性理论 81
1.5.4 Koiter初始*后理论 92
1.5.5 几个与稳定有关的概念 99
1.6 航天器结构的动态热力耦合响应 103
1.6.1 航天器的空间飞行环境 105
1.6.2 航天器结构的材料性能与力学分析 106
1.6.3 金属桁架和壳体结构在空间环境的极限承载力分析 110
1.6.4 航天器气动力/热环境致结构响应分析概况 111
参考文献 115
第2章 轴心受压构件的屈*理论 122
2.1 概述 122
2.2 轴心受压构件的弹性屈* 124
2.2.1 静力法 124
2.2.2 动力法 126
2.3 端部有约束的轴心受压构件 128
2.4 轴心受压构件的计算长度系数 135
2.5 轴心受压构件的大挠度弹性理论 139
2.6 轴心受压构件的非弹性屈* 142
2.6.1 切线模量理论 143
2.6.2 双模量理论 144
2.6.3 Shanley理论 147
2.7 初始缺陷对轴心受压构件的影响 152
2.7.1 初弯*对轴心受压构件的影响 152
2.7.2 初偏心对轴心受压构件的影响 155
2.7.3 残余应力对轴心受压构件的影响 157
2.8 轴心受压构件的稳定性能设计 162
2.8.1 实用轴心压杆的弹塑性稳定 162
2.8.2 轴心受压构件承载力设计 165
参考文献 180
第3章 弹塑性稳定和航天器结构有限元算法分析 182
3.1 概述 182
3.2 能量守恒原理和稳定分析方法 183
3.2.1 能量守恒原理 183
3.2.2 势能驻值原理和*小势能原理 188
3.2.3 瑞利–里茨法 194
3.2.4 伽辽金法 195
3.3 简单力学模型的稳定分析 199
3.3.1 完善力学模型的稳定分析 199
3.3.2 非完善力学模型的稳定分析 207
3.3.3 跃越屈*模型的稳定分析 213
3.4 数值分析方法 215
3.4.1 有限差分法 215
3.4.2 有限积分法 219
3.4.3 有限单元法 226
3.4.4 蒙特卡罗随机有限元方法 245
3.5 航天器结构有限元数值分析 249
3.5.1 结构动力学有限元分析基础 249
3.5.2 热平衡方程与外热流计算 251
3.5.3 温度场的有限元计算理论基础 254
3.5.4 直接模拟蒙特卡罗方法基础 256
3.5.5 气动力热环境致金属桁架结构响应有限元算法 260
3.5.6 轴对称结构线弹性问题二阶双尺度分析与计算 274
参考文献 291
第4章 构件的弯扭屈* 295
4.1 压弯构件在弯矩作用平面内的稳定性 296
4.1.1 概述 296
4.1.2 两端铰接横向荷载作用下弹性压弯构件的变形和内力 298
4.1.3 两端固定弹性压弯构件在横向荷载作用下的变形和内力 303
4.1.4 端弯矩作用下弹性压弯构件的变形和内力 307
4.1.5 压弯构件的转角位移方程 309
4.1.6 压弯构件在弯矩作用平面内的极限荷载 313
4.2 刚架稳定 317
4.2.1 刚架的失稳形式 317
4.2.2 平衡法求解刚架的弹性屈*载荷.320
4.2.3 位移法求解刚架的弹性屈*载荷 323
4.2.4 主弯矩对单层单跨刚架稳定的影响 326
4.2.5 刚架的弹塑性稳定 332
4.2.6 侧倾刚架的极限荷载 334
4.3 受压构件的扭转屈*和弯扭屈* 343
4.3.1 概述 343
4.3.2 开口薄壁构件截面的剪力中心 344
4.3.3 开口薄壁构件的扭转 348
4.3.4 轴心受压构件的弹性扭转屈* 360
4.3.5 轴心受压构件的弹塑性扭转屈*.365
4.3.6 轴心受压构件的弹性弯扭屈* 368
4.3.7 轴心受压构件的弹塑性弯扭屈*.374
4.3.8 压弯构件的弹性弯扭屈* 377
4.3.9 压弯构件的
试读
第1章概论
1.1钢结构的性能
金属板壳结构在桁架型大跨方案设计中，为了提高截面效率、充分发挥钢材的强度，钢结构一般做成薄壁结构。为保证承重结构的承载能力和防止在一定的热力响应条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材质。以热乳型钢（角钢、工字钢、槽钢、钢管等）、钢板、冷加工成形的薄壁型钢以及钢索作为基本元件，通过焊接、螺栓、铆钉或销轴连接等方式，按一定的规律连接起来制成钢梁、钢柱、钢桁架等基本构件后，再用焊接、螺栓、铆钉或销轴连接，将基本构件连接成能够承受外荷载的结构称为钢结构％6-171。承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度以及硫、磷含量的合格保证，对于焊接承重结构还应具有碳含量、冷弯试验与常温冲击韧性的合格保证。
1.1.1钢结构的特点和类型
钢结构自重较轻，且施工简便，目前已在国民经济各部门获得非常广泛的应用，不仅在传统的工业部门，如工业与民用建筑业中的建筑结构，交通运输业中的船舶、车辆、飞机、桥梁，电力部门的高架塔桅，水工建筑中的闸门、大型管道，以及机械工业中的工程机械、重型机械等方面，而且在新兴的宇航工业、海洋工程中都大规模应用了钢结构。
（1）钢结构如此广泛的应用，原因在于钢结构与其他材料制成的结构相比，具有下列特点：
（i）强度高、重量轻。
钢材比木材、砖石、混凝土等建筑材料的强度要高出很多倍，因此，当承受的荷载和条件相同时，用钢材制成的结构自重较轻，所需截面较小，运输和架设亦较方便。
（ii）塑性和韧性好。
钢材具有良好的塑性，在一般情况下，不会因为偶然超载或局部超载造成突然断裂破坏，根据相应的可计算建模算法分析应是事先出现较大的变形预兆，以便采取补救措施。钢材还具有良好的韧性，对作用在结构上的动力荷载适应性强，为钢结构的安全使用提供了可靠的保证。
（iii）材质均勻。
钢材的内部组织均勻，各个方向的物理力学性能基本相同，很接近各向同性体，在一定的应力范围内，钢材处于理想弹性状态，与工程力学所采用的基本假设较为符合，计算结果准确可靠。
（iv）制造方便。
钢结构是由各种加工制成的型钢和钢板组成，采用焊接、螺栓、铆接或销轴等制造成基本构件，运至现场装配拼接，因此制造方便、施工周期短、效率高，且修配更换也方便。这种工厂制造、工地安装的施工方法，具备了成批、大件生产和产品精度高等优点，同时为降低造价、发挥投资的经济效益创造了条件。
（v）密封性好。
采用焊接方法连接的钢结构易做到紧密不渗透，密封性好，适用于制作容器、油罐、油箱等。
钢结构的主要缺点是造价高、耐腐蚀性差、耐高温性差和低温脆性等。
（2）钢结构应用在各种建筑物和工程构筑物上，类型很多。
钢结构根据其基本元件的几何特征，可分为杆系结构和板壳结构。若干杆件按照一定的规律组成几何不变结构，称为杆系结构，其特征是每根杆件的长度远大于宽度和厚度，即截面尺寸较小。常见的塔式起重机的臂架和塔身是杆系结构（见图1.1），高压输电线路塔架、变电构架和广播电视发射塔架也是杆系结构（见图1.2）。
网架结构是一种高次超静定的空间杆系结构，也称为网格结构。网架结构空间刚度大、整体性强、稳定性好、安全度高，具有良好的抗震性能和较好的建筑造型效果，同时兼有重量轻、材料省、制作安装方便等优点，因此是适于大、中跨度屋盖体系的一种良好结构形式。近三十年来，空间网架结构包括相1架结构在国内外得到了普遍的推广应用。
板壳结构主要是由钢板焊接而成，按照板壳中面的几何形状，又分为薄板和薄壳。薄板是中面为平面的板；薄壳是中面为*面的板。因为板壳结构是由薄板和薄壳组成的，所以板壳结构又称为薄壁结构板壳结构如储气罐、储液罐等要求密闭的容器，大直径高压输油管、输气管等，以及高炉的炉壳、轮船的船体等。另外还有汽车起重机箱型伸缩臂架、转台、车架、支腿等（见图1.3），挖掘机的动臂、斗杆、铲斗，门式起重机的主梁、刚性支腿、挠性支腿等也都属于板壳结构。
钢结构按其外形的不同，可分为臂架结构、车架结构、塔架结构、人字架转台、桅杆、门架结构（见图1.4）、网架等。
钢结构按其构件的连接方式以及建立的力学计算模型的不同，可分为铰接结构（见图1.5）、刚接结构和混合结构（见图1.6）。
钢结构根据外荷载与结构杆件在空间的相互位置不同，可分为平面结构和空间结构。外荷载的作用线和全部杆件的中心轴线都处在同一平面内，则结构称为平面结构。在实际结构中，直接应用平面结构的情况较少，但许多实际结构通常由平面结构组合而成，故可简化为平面结构来计算
