作者简介

李德建， 男， 1967年7月生， 桥梁工程博士， 湖南邵东人。中南大学土木工程学院桥梁工程系教授、 博士生导师。1987年毕业于华中工学院， 获学士学位， 1990年毕业于上海交通大学， 获硕士学位， 1996年毕业于长沙铁道学院， 获博士学位， 2003年晋升为教授。长期从事桥梁工程的教学、 研究与设计工作， 主要研究方向为桥梁复杂结构空间分析设计方法与应用、 桥梁结构极限承载力与安全评估、 桥梁减隔震与减振理论及应用。先后主持和参加省部级科研项目30余项， 开发的主要程序有“列车-轨道时变系统空间振动分析程序”、 “列车-桥梁时变系统空间振动分析程序”和“桥梁结构空间分析与设计程序”， 研究成果在成百上千座弯桥、 斜桥、 异形复杂桥梁和特大桥梁空间分析和设计中得到应用， 以专业负责人主持了三汊矶湘江大桥主桥自锚式悬索桥设计工作， 获省部级科技进步一等奖2项， 三等奖1项， 获中国公路学会科技三等奖1项， 出版学术专著2部， 发表学术论文60余篇。

前言

自20世纪60年代以来， 尤其是进入21世纪之后， 在土木工程结构的设计、 施工和相关科研工作中， 有限元已成为结构分析的主要方法。从土木工程应用的角度来看， 目前也已有足够的程序可供使用。但对于一个土木工程结构工程师， 在应用这些程序进行分析时， 如果对程序内部的分析理论、 编制原理和实施过程缺乏了解， 或者缺少特殊结构建模技术与分析方法方面的知识， 那么在分析复杂多变的土木工程结构时或在进行特殊结构分析需要增加程序分析功能时， 一方面就会显得无能为力， 另一方面对分析结果正误的判断也会感到困难， 特别是对于学校在读研究生们， 具备根据不同研究的需要编制相应专门程序的能力也是必需的。在教学过程中， 我们也发现， 要求研究生们掌握有限元理论及算法语言不会有什么困难， 但是要掌握有限元结构分析程序的设计却不是那么容易。因此， 我们自21世纪初起， 在中南大学土木工程学院为硕士研究生们开设了“结构分析程序设计基础”课程， 这也正是撰写此书的最初目的。

本书共分六章及三个附录。第一章为绪论， 主要介绍了土木工程结构有限元分析方法、 桥梁结构空间分析梁格法基本原理、 有限单元法的基本概念及其发展历史， 并对土木工程结构有限元分析程序设计基本内容及其必要性进行了阐述。第二章以杆单元为例， 由浅入深重点而系统地介绍了土木工程结构有限元分析的实施过程， 使读者在开发或使用以有限元为基础的土木工程结构分析程序时， 能基本掌握有限元的基本概念和实施过程， 并对程序的结构组织、 计算流程、 编程技巧等有一个总体了解。第三章扼要介绍了有限单元法空间梁元的主要公式及其在土木工程结构程序设计的特殊问题。第四、 五、 六章介绍了作者自攻读博士学位以来开发的主要程序“列车-轨道时变系统空间振动分析程序”、 “列车-桥梁时变系统空间振动分析程序”和“桥梁结构空间分析与设计程序”的编制原理与方法以及数据描述方式， 并给出了部分工程实例的分析过程和结果。附录A、 B、 C给出了部分源程序代码。

我之所以努力写这本书， 其主要原因之一， 我应当感谢华中工学院， 正是在这个美丽校园内， 打下了这辈子赖以谋生的力学基础。我应当感谢上海交通大学刘正兴教授， 在攻读硕士学位期间， 正是由于他的精心指导， 使我有可能从事计算力学研究并在结构分析程序设计的教学与软件开发方面获得了良好的实践， 本书部分内容仍然是在以前成果的基础上进行的。我还要特别感谢中南大学曾庆元院士， 正是由于他的海纳百川、 高山仰止的风格和魅力， 使我有机会攻读桥梁工程博士学位。感谢导师多年来无私的教诲、 鼓励、 鞭策和支持， 曾院士首创的“弹性系统动力学总势能不变值原理”具有高屋建瓴的作用， 使得复杂系统模型的建立和运动方程的导出犹如行云流水般令人赏心悦目。

我之所以努力写这本书， 其主要原因之二， 是我在土木工程结构程序设计方面的工作实践， 尤其是在桥梁结构空间分析与设计程序的开发工作中给我带来的痛苦、 快乐、 鼓舞和挑战的结果。从20世纪90年代中期开始， 在戴公连教授的组织、 策划和指导下， 开始编制桥梁结构空间分析与设计程序， 为了验证分析方法及程序正确性， 课题组进行过数十座桥梁的模型实验和成桥测试， 在此期间， 对成百上千座弯桥、 斜桥、 异形复杂桥梁和特大桥梁进行过空间分析和设计。2003年开始由我们主持设计长沙市三汊矶湘江大桥主桥自锚式悬索， 这是一段鼓舞人心和富有挑战的日子， 因此可以说桥梁结构空间分析与设计程序是伴随着实践而成长的。戴教授专业精湛而睿智， 我与其共事多年、 亦师亦友而受益匪浅， 与其一起工作是及其愉快的。感谢这一段美好经历， 使我有可能实现从一个力学工作者向桥梁工作者转型。

我之所以努力写这本书， 其主要原因之三， 是我受中国传统文化尤其是儒家文化的影响。《论语》开篇即有“学而时习之， 不亦悦乎？有朋自远方来， 不亦乐乎？人不知而不愠， 不亦君子乎？”这就是著名的孔门三乐， 即学习、 交友和人知， 第三乐实际上通过反问的方式得出， 如果别人不了解你， 别人不知道你， 你照样是君子， 你有君子的快乐， 不也很好吗？那么反过来， 如果能让别人知道你、 了解你、 理解你， 岂不是人生一大乐事。人生三乐是循序渐进的， 第三乐应属于最高层次， 正所谓“沽之哉， 沽之哉， 吾待善沽者而沽之”。这也就是孔子穷其一生所不懈追求的东西， 即使颠沛流离、 周游列国也要向人们推广自己的学术思想和治国理念。自孔子以降， 上下2000多年以来， 中国知识分子深受儒家文化的熏陶， 无不以“文以载道”、 “著作等身”而作为崇高理想， 于是屈原放逐而赋《离骚》， 诸葛亮六出祁山军务繁忙也不忘著书立说， 曾国藩治国治家位极人臣更有不少著作传于后世。正是基于以上认识和理念， 我也不以自己才疏学浅水平有限为念， 一方面为自己近20年来的工作进行一个小结， 另一方面也是抛砖引玉， 如果能为青年朋友在进行土木工程结构分析和开发程序时起到一定的参考作用， 那也就是我最大的快乐了。

李德建谨识于中南大学土木工程学院红楼

2013年6月17日

李德建教授的新作《土木工程结构分析程序设计原理与应用》一书就要出版了， 此类书籍在20世纪世纪80年代和90年代比较盛行， 也有几本类似的著作， 比如KlausJurgen Bathe的有限元方法(Finite Element Procedures)， Owen的弹塑分析理论与应用（Plastic Mechannics Theory and Application）等书， 不仅有理论方法， 也附了作者的源程序代码， 预留了接口， 供有志于研究此方面的研究生们继续完善。我们20世纪80年代的研究生从这些书籍中收益颇多， 不仅节约了大量的时间， 也使程序的编制更加模块化， 那时知识更新很快， 进步也大。

20世纪90年代以后， 学术界此类书就很少了。究其原因， 一方面是大量从国外引进了结构分析程序， 不同的分析软件得以普及， 使结构分析变成了“黑匣子”； 另一方面今天的学术界也没有过去开放了， 过分强调了知识产权， 源程序代码的公开发行变得非常少见了。

李德建教授长期致力于结构分析与设计研究， 从20世纪世纪90年代开始就与我合作进行复杂桥梁结构的分析设计方法研究， 一起研发了复杂桥梁结构空间分析设计与应用软件， 在国内大量桥梁的结构分析中得到应用， 其成果已在《桥梁结构空间分析设计方法与应用》一书中体现， 这里不再赘述。李德建教授在曾庆元院士指导下， 进行过多年的列车-轨道-桥梁系统的动力相互作用研究， 编制了相应的列车-轨道系统的动力相互作用分析软件及列车-轨道-桥梁系统的动力相互作用分析软件， 在我国铁路的六次大提速和高速铁路的建设中得到了一定的应用。

在中南大学桥梁系研究生课程设置中， 我们一直保留了结构分析程序设计这门课程， 期望我们的年轻学子们不仅熟练使用现有的分析软件“黑匣子”， 也能够结合自身专业特点进行进一步的开发编程， 推动分析设计方法的进步， 这就是所谓“授人以鱼不如授人以渔也”。在教学过程中， 不仅讲授结构的分析原理、 编程方法， 而且应提供一些专业的程序源代码， 供研究生们进行完善和进一步开发， 这就是所谓“站在巨人的肩膀上”。李德建教授和我均认为公开一些源程序是教学和科研上台阶的基础， 虽然我们不是巨人， 但我们可以提供一个基础和台阶， 老师的职业不能太过重强调所谓的知识产权， 而更应该以整个行业的进步， 以学生取得更大的成就为理想。

李德建教授将多年的编程经验、 心得及所建立的源程序代码随同本书的出版一起公开， 放弃了多项计算机软件著作权， 我深为感动， 这是一个老师甘为人梯的高尚行为； 是一种为行业进步不计利益的无私行为。有了这样的基础， 相信年轻的研究生们定能在已有的基础上取得更大进步， 就像我们当初借助Bathe的源程序代码一样。

师者， 所以传道授业解惑也。这是我们中国传统文化中对师者的定义与要求。当然中国也有一些不好的习惯与做法， 所谓“教会徒弟饿死师傅”之类。前者应是为师之道， 而后者应该为人鄙视。本书的出版就是对师者的又一次良好注释。

中南大学教授 戴公连

2013年9月6日