索杆张力结构的构成和力学机理决定其最本质的特点为力与形的统一性、相关性、非保守性。索杆张力结构是力和形的统一体，力是维持形的基础，形是力的表现。根据索杆张力结构固有的力学机理，其呈现出特有的拓扑和几何形态，可适用于土木工程、航空航天、生物仿生、智能机器人等领域，索杆张力结构应用于不同领域既有差异化个性，也有基础的共同属性。本书结合作者近20年的基础研究和工程应用研究，力求系统地构建索杆张力结构的理论方法体系，在突出具有共性的设计分析理论方法的基础上，又包含了典型索杆张力结构体系的结构特性分析、结构工程设计等内容，涉及索网、索穹顶、轮辐式张力结构等结构形式。
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序
前言
第1章 绪论 1
1.1 索杆张力结构概述 1
1.1.1 索杆张力结构的定义 1
1.1.2 索杆张力结构的力学特点 1
1.2 索杆张力结构的发展与工程应用 2
1.2.1 张拉整体结构 2
1.2.2 索网结构 4
1.2.3 索穹顶结构 7
1.2.4 轮辐式张力结构 8
1.3 索杆张力结构的分析理论与设计方法研究 11
1.3.1 体系分析 11
1.3.2 形态分析 13
1.3.3 构件重要性评估 16
1.3.4 误差敏感性分析和索长误差限值的计算 18
1.3.5 张拉成形分析 20
1.4 本书的主要内容 22
第2章 分析理论体系 23
2.1 引言 23
2.2 张力结构的状态与过程 24
2.2.1 张力结构的状态 25
2.2.2 张力结构的过程 26
2.3 张力结构的理论体系 26
2.4 本章小结 27
第3章 体系分析理论与数值方法 28
3.1 引言 28
3.2 基于平衡矩阵的体系分析 28
3.2.1 平衡方程 28
3.2.2 平衡方程求解 31
3.2.3 数值算例 34
3.3 基于冗余度的体系分析 36
3.3.1 冗余度 36
3.3.2 杆系结构冗余度理论 36
3.3.3 杆系结构冗余度算例 39
3.4 考虑预应力的冗余度体系分析 44
3.4.1 索杆冗余度理论 44
3.4.2 索网冗余度算例 47
3.4.3 索杆张力结构冗余度算例 49
3.5 基于分布式不定值的体系分析 54
3.5.1 分布式静不定 55
3.5.2 分布式动不定 57
3.5.3 算例 59
3.6 分布式冗余度 61
3.6.1 分布式冗余度理论推导 61
3.6.2 冗余度特性与体系分析 64
3.6.3 算例 66
3.7 分布式不定值分析与分布式冗余度分析比较 68
3.7.1 分布式静不定与分布式弹性冗余度的比较 68
3.7.2 分布式动不定与分布式几何冗余度的比较 69
3.7.3 枣庄体育场罩棚的体系分析 69
3.8 本章小结 75
第4章 找力分析理论与数值方法 77
4.1 引言 77
4.2 基于线性调整理论的找力法 77
4.2.1 线性调整理论基本原理 77
4.2.2 找力法公式推导 79
4.2.3 算例 80
4.3 基于平衡矩阵的找力法 83
4.3.1 平衡矩阵理论 83
4.3.2 奇异值分解法 84
4.3.3 算例 84
4.4 基于复位平衡迭代的找力法 87
4.4.1 复位平衡法基本理论 87
4.4.2 复位平衡迭代法 89
4.4.3 算例 91
4.5 基于二次奇异值的找力法 93
4.5.1 基于分布式静不定的分组方法 94
4.5.2 二次奇异值法原理 95
4.5.3 算例 96
4.6 基于投影的找力法 97
4.6.1 欧几里得范数 98
4.6.2 投影矩阵 99
4.6.3 整体可行预应力 100
4.6.4 算例 101
4.7 本章小结 105
第5章 找形分析理论与数值方法 106
5.1 引言 106
5.2 力密度法 106
5.2.1 节点力密度方程 107
5.2.2 索杆结构力密度方程 107
5.2.3 T单元 108
5.2.4 算例 109
5.3 动力松弛法 113
5.3.1 基本方程 113
5.3.2 节点不平衡力 114
5.3.3 数值算法 115
5.3.4 算例 115
5.4 非线性有限元法 118
5.4.1 索杆结构的非线性有限元方程 118
5.4.2 空间梁单元几何刚度矩阵 118
5.4.3 小弹性模量找形 119
5.4.4 算例 120
5.5 协同找形分析 122
5.5.1 协同找形分析基本思路 122
5.5.2 算例 123
5.6 本章小结 125
第6章 预应力分析与优化方法 127
6.1 引言 127
6.2 柔性分析 127
6.2.1 柔性椭球 127
6.2.2 柔性椭球的应用及程序 130
6.2.3 算例 132
6.3 预应力优化方法 140
6.3.1 平衡矩阵奇异值分解和复位平衡联合算法 140
6.3.2 算例 141
6.4 预应力水平优化 144
6.4.1 预应力水平系数 144
6.4.2 算例 144
6.5 本章小结 146
第7章 预张力释放和导入分析方法 147
7.1 引言 147
7.2 预张力释放与零应力态分析 148
7.2.1 线性协调矩阵广义逆法 148
7.2.2 非线性协调矩阵广义逆法 150
7.2.3 算例 151
7.3 预张力导入与预应力态分析方法 153
7.3.1 基本理论 153
7.3.2 可行初始应力 156
7.3.3 预张力导入控制方法 157
7.3.4 算例 157
7.4 本章小结 163
第8章 静荷载响应分析方法与结构静力特性分析 164
8.1 引言 164
8.2 基于最小势能的静力非线性分析方法 164
8.2.1 最小势能法基本原理 165
8.2.2 最小势能法计算方法 167
8.2.3 最小势能法计算流程 170
8.2.4 算例 170
8.3 索网罩棚结构静力特性分析 173
8.3.1 索网罩棚结构分析模型 173
8.3.2 静力特性与参数分析 174
8.4 索穹顶结构静力特性分析 178
8.4.1 索穹顶结构模型 178
8.4.2 静力特性与参数分析 179
8.5 轮辐式张力结构静力特性分析 184
8.5.1 轮辐式张力结构模型 184
8.5.2 静力特性与参数分析 186
8.6 本章小结 193
第9章 动荷载响应分析方法与结构动力特性分析 194
9.1 引言 194
9.2 索杆结构动力特性分析方法 194
9.2.1 模态分析方法 194
9.2.2 基于模态补偿的风振频域分析方法 195
9.2.3 自回归脉动风振时域分析方法 200
9.3 索杆张力结构模态分析 203
9.3.1 索网模态分析 203
9.3.2 索穹顶模态分析 207
9.4 索杆张力结构风振响应特性分析 211
9.4.1 基于频域索网风振响应特性分析 211
9.4.2 基于时域索穹顶风振响应特性分析 218
9.5 本章小结 227
第10章 构件与节点重要性分析方法 229
10.1 引言 229
10.2 构件重要性 230
10.2.1 基于刚度的构件重要性系数 230
10.2.2 基于能量分布的构件重要性系数 231
10.3 节点重要性 232
10.3.1 基于刚度的节点重要性系数 232
10.3.2 概念移除和结构响应指标 233
10.4 枣庄体育场构件与节点的重要性评估 233
10.4.1 构件重要性评估 235
10.4.2 节点重要性评估 239
10.5 本章小结 242
第11章 索长误差影响分析方法 244
11.1 引言 244
11.2 索长制作误差分析 244
11.2.1 最大值分布理论 245
11.2.2 渐进分布理论 245
11.2.3 正态分布最大值分布模型 245
11.2.4 索长制作误差极值模型与计算 247
11.2.5 索长制作误差对索穹顶体系的影响 248
11.3 索长误差敏感性分析和索长误差限值的计算方法 252
11.3.1 基于索长误差的索杆张力结构体系敏感性分析 253
11.3.2 基于可靠度指标的索长误差限值计算方法 256
11.3.3 枣庄体育场的索长误差敏感性分析和索长误差限值计算 259
11.3.4 基于可靠度指标的索长误差限值 266
11.4 本章小结 268
第12章 张拉成形模拟方法与数值分析 269
12.1 引言 269
12.2 基于两节点单元的索杆结构张拉成形模拟方法 269
12.2.1 两节点索杆单元 270
12.2.2 生死单元 272
12.2.3 索杆和外部结构协同张拉步骤 272
12.2.4 算例 273
12.3 广义逆非线性有限元张拉成形模拟方法 278
12.3.1 广义逆矩阵 278
12.3.2 基于广义逆的索杆结构张拉步骤和程序流程图 279
12.3.3 算例 280
12.4 基于动力松弛法的张拉成形模拟方法 283
12.4.1 动力松弛法张拉成形原理概述 283
12.4.2 考虑周边环梁的节点不平衡力 283
12.4.3 算例 285
12.5 基于非线性力法的张拉成形模拟方法 290
12.5.1 非线性力法张拉成形基本理论 290
12.5.2 基于非线性力法的施工张拉成形步骤和程序框图 292
12.5.3 算例 293
12.6 基于向量式有限元的张拉成形模拟方法 299
12.6.1 向量式有限元基本原理 299
12.6.2 基于向量式有限元的索杆结构张拉方法 301
12.6.3 算例 302
12.7 本章小结 305
第13章 索杆张力结构工程设计应用 306
13.1 引言 306
13.2 索杆张力结构工程设计 306
13.3 索网结构 309
13.3.1 中国航海博物馆索网结构 309
13.3.2 索网结构典型细部设计 312
13.4 索穹顶结构 314
13.4.1 索穹顶结构工程应用 314
13.4.2 索穹顶结构典型细部设计 318
13.5 轮辐式结构 319
13.5.1 轮辐式结构工程应用 319
13.5.2 轮辐式结构典型细部设计 323
13.6 本章小结 324
参考文献 325
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