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出版者:Amer Society of Mechanical

作者:Asme International Solar Energy Conference (2001 Washington, D. C.)/ Kleis, Stanley J./ Bingham, Car

出品人:

页数:494

译者:

出版时间:

价格:170

装帧:HRD

isbn号码:9780791816707

丛书系列:

图书标签:

• 太阳能工程
• 太阳能
• 可再生能源
• 能源工程
• 太阳热利用
• 光伏发电
• 太阳能系统
• 能源技术
• 工程技术
• 太阳辐射

建筑工程中的材料科学与结构设计前沿 聚焦 21 世纪初期的关键技术突破与实践应用 本书深入探讨了 21 世纪初期建筑工程领域中材料科学的最新发展及其在结构设计中的革命性应用。我们不再仅仅关注传统的混凝土和钢材，而是将视野拓展至新型复合材料、高性能结构体系以及可持续性设计理念的融合，旨在为当代工程师和研究人员提供一套全面、实用的技术参考框架。 第一部分：高性能结构材料的演进与挑战 本部分详尽分析了进入新千年以来，建筑材料领域涌现出的重大技术进步。重点剖析了那些正在重塑现代建筑形态和性能的“下一代”材料。 1.1 纤维增强聚合物（FRP）在土木工程中的集成 FRP 材料，特别是碳纤维增强聚合物（CFRP）和玻璃纤维增强聚合物（GFRP），在这一时期经历了从实验室到大规模工程应用的跨越。本书详细阐述了这些材料卓越的抗拉强度、抗腐蚀性和轻质化特性。我们不仅讨论了它们作为结构加固构件（如外部粘接板材和内部预应力筋）的应用，还深入分析了它们在复杂几何结构和极端环境（如海洋工程）中的耐久性评估标准。探讨了在设计阶段如何精确建模 FRP 的非线性应力-应变关系，以及在施工过程中如何确保粘接质量和现场预应力控制的工艺细节。 1.2 超高性能混凝土（UHPC）的力学行为与应用拓展 UHPC 作为一种具有极高抗压强度、优异韧性和极低渗透性的水泥基材料，在本阶段成为了复杂结构设计中的关键选择。本书专门开辟章节，系统梳理了 UHPC 的微观结构（特别是纳米级填料对性能的贡献）及其宏观力学响应。重点分析了 UHPC 在薄壳结构、抗爆结构以及大跨度桥梁工程中的应用案例。技术讨论涵盖了从原材料选择（包括活性粉末配比）到先进的振捣和养护工艺，确保读者能理解如何实现其理论上的高性能。此外，还涉及了 UHPC 与传统钢筋的协同作用机制，以及如何通过数值模拟预测其长期性能退化。 1.3 智能与响应式材料的初步集成 虽然智能材料在 2001 年代初期尚处于快速发展阶段，但本书已开始关注其在土木工程中的潜在价值。这包括对自修复混凝土（通过微胶囊技术或细菌诱导的钙化过程）的早期研究成果的概述，以及压电材料在结构健康监测（SHM）系统中的集成探讨。虽然应用尚未普及，但我们着重分析了这些材料的传感、激励和响应机制，为读者描绘了未来自适应结构的发展方向。 第二部分：先进结构分析与高性能设计方法论 本部分聚焦于支撑新材料和复杂结构形式的计算方法和设计哲学。随着计算能力的提升，设计不再受限于简化的线性模型，而是转向更精确、更具韧性的分析范式。 2.1 非线性有限元分析（FEA）在复杂构件中的应用 本书强调了在分析屈服、大变形和材料损伤时，采用全非线性有限元方法的必要性。详细介绍了如何构建高精度的 3D 单元模型来模拟钢材的塑性铰形成、混凝土的开裂与压碎，以及界面粘结的退化。关键内容包括：在时间相关分析（如疲劳和蠕变）中如何有效求解非线性方程组、选择合适的本构模型（如损伤力学模型或塑性模型），以及如何处理接触和冲击问题。 2.2 概率性极限状态设计与风险评估 进入新世纪，结构设计标准逐渐从传统的安全系数法转向基于性能的可靠性设计（LFRD）。本部分深入探讨了极限状态设计中的概率论基础。内容包括：材料强度、荷载效应（如风荷载和地震作用）的随机性建模，以及可靠指标 $eta$ 的计算。重点分析了在不确定性环境下，如何通过蒙特卡洛模拟或一阶可靠性方法（FORM）来量化结构失效的概率，从而实现经济性与安全性的优化平衡。 2.3 动力学分析与抗震设计的新范式 针对高层建筑和超高层结构，本书详细阐述了先进的动力学分析技术。讨论了模态分析在确定结构自然频率和振型中的关键作用，并深入解析了响应谱分析和时程分析的应用场景。特别关注了 2001 年前后新兴的消能减震技术，如粘滞阻尼器（Viscous Dampers）和屈服型阻尼器的设计原理，以及如何将这些非线性元件有效地集成到整体结构分析模型中，以提高建筑在罕遇地震下的非线性抗震性能。 第三部分：可持续性、耐久性与施工集成 现代工程不仅要求结构稳固，还必须关注全生命周期的环境影响和长期维护成本。本部分探讨了如何将可持续性和耐久性指标融入到设计决策流程中。 3.1 结构全生命周期评估（LCA）的初步框架 本书介绍了在结构设计初期就纳入环境成本考量的必要性。分析了如何量化建筑结构（从原材料提取到最终拆除）在碳排放、能源消耗和水资源使用方面的环境足迹。重点讨论了如何通过选择低隐含能源的材料（如再生骨料混凝土或低碳水泥替代品）来优化结构设计方案。 3.2 结构耐久性设计与腐蚀防护策略 对于暴露于恶劣环境的钢筋混凝土结构，耐久性是决定其服务寿命的关键。本部分详细分析了钢筋锈蚀的电化学机理，以及影响锈蚀速率的环境因素（如氯离子侵蚀和碳化深度）。设计策略部分涵盖了提高混凝土密实度、应用腐蚀抑制剂、热浸镀锌以及采用非金属抗腐蚀筋材（如 FRP 筋）的工程实践与经济性比较。 3.3 施工精度对结构性能的影响控制 再精密的理论设计，也依赖于可靠的现场施工。本部分强调了施工过程控制（Quality Control）对实现设计性能的决定性作用。讨论了高强度混凝土浇筑过程中的温度控制、钢结构焊接的无损检测标准，以及预制构件与现场连接节点的精确对位技术。特别指出，在采用高性能材料和复杂节点时，必须建立严格的验收标准来确保材料特性和几何精度满足设计假设。 --- 本书旨在成为 21 世纪初期结构工程领域中，衔接基础理论与前沿实践的桥梁，为工程师应对日益复杂和高性能化的建筑挑战提供坚实的知识基础。其内容深度和广度，确保了读者不仅了解“是什么”，更能掌握“如何做”和“为何如此设计”。

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