结构受力状态分析理论与应用

      工程科学研究要不断探索和揭示客观规律，才能推进工程实践的发展以致更新换代。然而，目前结构工程研究理论与方法的研究更倾向于规避和小化未知“客观规律”的负面效应。特别地，在研究成果可以促成宏伟的工程成就之际，探索“未知规律”就显得不那么迫切了。当探索“未知规律”在目前的知识和试验条件下难以为继时，自然认为某些“未知规律”的问题可能不是问题，而是问题的固有属性。但是，规律还在那里，它并不复杂，只是需要开创性的理论与方法才能揭示。本书是作者十年前制定的科学研究目标的成果，是不断质疑、挑战、突破传统知识的所得，更是自身学术思想境界、科学研究水准不断提高的收获。
　　实际上，本书的起源可以追溯到作者对“材料力学”课程的学习（1980年）。授课老师强调应力是微小单元体上的力，是“点”应力状态概念，而材料强度用其承受单轴应力的能力来表示，与试件的尺寸和形状有关，且这种相关性是材料强度的固有性质。当时，作者联想相对密度的概念，对材料强度的尺寸效应产生了纠结，感到迷惑不解：定义为单位体积质量的相对密度与物体的大小和形状无关，那么定义在单元体的材料强度（单位面积上的应力）为什么与试件的大小和形状有关呢？是不是测定材料强度方法有误？会不会混淆了材料强度与试件强度？是不是正是这种误解和混淆导致不能发现适合各种材料的“强度定律”，而只能产生数百年来众多著名学者提出的近百种强度理论？各种解释都没有使作者释解疑虑，似乎在规避某些未知的东西，或者在小化某种未知的负面效应。
　　1998年，作者开始真正涉足结构分析，至2008年，作者在国内外各做了5年的结构工程研究，在这一阶段又产生了纠结和不解：结构分析在追求确定结构承载能力的方法和准则，而且常识告诉我们，结构的破坏是一个过程，结构正常工作状态不能是这个破坏过程的任何一点，可结构分析却聚焦于随机性主导的结构破坏过程的终点——极限（或峰值）工作状态，导致不可能产生统一的结构工作失效判定准则，而且不得不引入随机分析（可靠度）来估算不确定性的结构承载能力；那么，为什么不研究结构破坏的起点在哪里？这不正是结构承载能力参照的确切所在吗？在结构破坏的起点一切可能都是确定性的，也许在这里能追寻到结构统一失效判定准则。
　　作者试图释解这些质疑，历经挫折，觉得在传统的理论和方法上已经无望，必须深刻反思、寻求突破。2008年，作者总结各种经验教训，得出两点体会：一是必须发展新的理论和方法，传统的应用研究理念和方法不能释解这些质疑；二是必须立足于结构工作过程特征研究，才能释解这些质疑。因此，作者在2012年确定了以新的研究理论与方法直接对结构试验数据、模拟数据进行建模分析，揭示结构工作过程的规律性特征，终达到释解这些质疑的研究目标。
　　经过近5年的努力，作者在2017年建立了初步的“结构受力状态理论”，并应用该理论对各种结构进行分析，释解作者长期纠结和迷惑不解问题的曙光开始呈现。至今为止，作者发现了不同结构形式、不同结构破坏形式具有同样的结构工作状态特征，即结构受力状态突变特征（结构失效荷载），这种共性特征可以从自然辩证法寻得根据，既是系统工作状态从量变到质变自然规律的体现，也是具有确定性性质的结构破坏的起点。作者经过大量的分析验证，得出了结论：这个结构受力状态突变特征是系统的量变到质变客观规律的体现，可以称为“结构失效定律”。进而，应用结构受力状态理论与方法，对测量材料强度试件的试验数据进行分析发现：在不同大小、不同形状试件的受力状态突变点（试件失效荷载）来确定材料强度，材料的强度呈现出试件尺寸和形状效应较小的迹象，体现出了材料强度的本质属性，即一种材料只能有一个确定性的强度。作者将试件失效荷载下获得的材料强度定义为“实质材料强度”。“实质材料强度”的发现，激发了作者挑战近百种强度理论的想法，开展了混凝土标准试件的三轴应力状态试验，应用结构受力状态理论与方法获取了对应实质材料强度的各种主应力组合，结合著名学者俞茂宏教授的统一强度理论，拟合出了实质材料强度与组合主应力之间确定的关系式，即统一的强度公式，并初步验证该公式可能适合于一切均质各向同性材料，故不论是脆性材料还是塑性材料，都可以称之为均质各向同性材料的“强度定律”，该定律可能取代数百年来所提出的近百种强度理论。集成以上成果，可以建立起以“实质材料强度”“强度定律”“结构失效定律”为基础的、不断融入科学研究成果的“高等结构设计”平台，若将高等结构理念与方法辐射到各个工程设计规范，将为各种工程的进步与发展做出贡献。

   《结构受力状态分析理论与应用》阐述了结构工程研究现状和逐渐形成的瓶颈问题，建立了突破既有研究范式、释解瓶颈问题的结构受力状态理论与分析方法，揭示了结构一般失效规律——结构失效定律，以及相应的结构设计原理——弹塑性分支点设计原理，揭示了接近无尺寸效应的实质材料强度与均质各向同性材料的强度定律。两个定律的发现释解了困扰结构设计、材料强度研究几个世纪的结构承载能力与强度理论的非确定性、非一致性问题，奠定了高等结构设计的基础，必将促进结构设计规范的更新换代，成为即将到来的第四次工业革命时代的重要组成部分。
　《结构受力状态分析理论与应用》可作为以材料与结构力学性能作为重要组成部分的结构工程、工程力学、结构力学、路桥工程、岩土工程、建筑材料、机械工程、航空航天工程、船舶工程、军事工程、兵器工程、车辆工程等学科的参考书，同时为这些领域的大学教师、研究人员、工程师、研究生以及本科生的研究、设计、课程提供新的分析理论与方法。

 《结构受力状态分析理论与应用》阐述了结构工程研究现状和逐渐形成的瓶颈问题，建立了突破既有研究范式、释解瓶颈问题的结构受力状态理论与分析方法，揭示了结构一般失效规律——结构失效定律，以及相应的结构设计原理——弹塑性分支点设计原理，揭示了接近无尺寸效应的实质材料强度与均质各向同性材料的强度定律。两个定律的发现释解了困扰结构设计、材料强度研究几个世纪的结构承载能力与强度理论的非确定性、非一致性问题，奠定了高等结构设计的基础，必将促进结构设计规范的更新换代，成为即将到来的第四次工业革命时代的重要组成部分。
　《结构受力状态分析理论与应用》可作为以材料与结构力学性能作为重要组成部分的结构工程、工程力学、结构力学、路桥工程、岩土工程、建筑材料、机械工程、航空航天工程、船舶工程、军事工程、兵器工程、车辆工程等学科的参考书，同时为这些领域的大学教师、研究人员、工程师、研究生以及本科生的研究、设计、课程提供新的分析理论与方法。

第1章 绪论
1．1 引言
1．2 结构工作性能研究现状
1．3 目前结构工程研究的范式和存在的问题
本章参考文献

第2章 结构受力状态理论与方法
2．1 引言
2．2 结构受力状态的概念
2．3 结构受力状态理论定义及要义
2．4 结构受力状态的表述
2．5 结构受力状态分析方法
2．6 结构受力状态的基本特征
本章参考文献

第3章 结构失效定律与结构统一失效判定准则
3．1 引言
3．2 结构失效定律与解读
3．3 结构失效定律的表达式
3．4 结构统一失效判定准则
3．5 压杆的受力状态分析与特征荷载
3．6 扭转杆的受力状态分析与特征荷载
3．7 剪切试件的受力状态分析与特征荷载
3．8 纯弯曲杆件的受力状态分析与特征荷载
本章参考文献

第4章 材料实质强度与强度公式
4．1 引言
4．2 两个经典的材料强度问题和质疑
4．3 试件失效荷载与实质材料强度
4．4 实质材料强度及测定方法
4．5 均质各向同性材料的强度公式
4．6 强度公式的验证
4．7 强度公式的定律特征
4．8 实质强度与强度公式的意义
本章参考文献

第5章 钢管混凝土短柱受力状态分析
5．1 引言
5．2 钢管混凝土短柱试验简介
5．3 基于试验数据的钢管混凝土短柱受力状态分析
5．4 钢管混凝土短柱数值模拟及受力状态分析
5．5 钢管混凝土短柱失效与极限荷载预测公式
5．6 钢管混凝土短柱设计荷载探讨
本章参考文献

第6章 钢管混凝土拱模型受力状态分析
6．1 引言
6．2 钢管混凝土拱模型试验简介
6．3 拱模型的失效荷载
6．4 拱模型受力状态子模式的特征
6．5 拱模型有限元模型的建立及参数分析
6．6 拱模型失效荷载与极限荷载的预测公式
本章参考文献

第7章 配筋砌体剪力墙受力状态分析
7．1 引言
7．2 配筋砌体剪力墙滞回工作性能试验
7．3 剪力墙模型受力状态建模及特征荷载
7．4 基于残余应变的剪力墙模型受力状态分析
7．5 剪力墙模型滞回承载力探讨
本章参考文献

第8章 连续钢弯梁桥结构受力状态分析
8．1 引言
8．2 弯梁桥模型试验简介
8．3 弯梁桥模型的受力状态分析
8．4 弯梁桥模型子结构间的协调工作特征
本章参考文献

第9章 钢框架结构破坏过程受力状态分析
9．1 引言
9．2 框架模型破坏过程试验
9．3 框架模型受力状态建模及特征荷载
9．4 框架模型受力状态中的悬链线效应
9．5 结构剪切变形特征
9．6 基于模拟数据的框架模型受力状态分析
本章参考文献

第10章 球面网壳结构动力受力状态分析
10．1 引言
10．2 单层球面网壳模型设计与制作
10．3 单层球面网壳模型振动台试验
10．4 单层球面网壳结构有限元模拟
10．5 结构动力受力状态分析方法
10．6 网壳结构动力受力状态分析
10．7 网壳结构受力状态特征参数与失效判定准则
本章参考文献

第11章 状态构形插值法及应用实例
11．1 引言
11．2 状态构形插值法
11．3 单管拱拓展试验数据中的受力状态特征
11．4 弯梁桥拓展试验数据中的受力状态特征
本章参考文献

第12章 高等结构设计探讨
12．1 引言
12．2 结构分析概况与问题
12．3 高等结构设计基础与规程的内涵
12．4 高等结构设计的意义
本章参考文献

名词索引
附录部分彩图

   《结构受力状态分析理论与应用》阐述了结构工程研究现状和逐渐形成的瓶颈问题，建立了突破既有研究范式、释解瓶颈问题的结构受力状态理论与分析方法，揭示了结构一般失效规律——结构失效定律，以及相应的结构设计原理——弹塑性分支点设计原理，揭示了接近无尺寸效应的实质材料强度与均质各向同性材料的强度定律。两个定律的发现释解了困扰结构设计、材料强度研究几个世纪的结构承载能力与强度理论的非确定性、非一致性问题，奠定了高等结构设计的基础，必将促进结构设计规范的更新换代，成为即将到来的第四次工业革命时代的重要组成部分。
　《结构受力状态分析理论与应用》可作为以材料与结构力学性能作为重要组成部分的结构工程、工程力学、结构力学、路桥工程、岩土工程、建筑材料、机械工程、航空航天工程、船舶工程、军事工程、兵器工程、车辆工程等学科的参考书，同时为这些领域的大学教师、研究人员、工程师、研究生以及本科生的研究、设计、课程提供新的分析理论与方法。