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1、土木工程概论,第1章 绪 论,1.1 土木工程概论课程的任务,土木工程概念：,土木工程是建造各类工程设施的科学技术的总称。,土木工程的含义可从两方面去理解:,一层含义是是指与人类生活、生产活动有关的各类工程设施；,另一层含义是指所应用的材料、设备和所进行的勘察、设计、施工、保养、维修等技术。,高楼林立的城市、现代化的工厂、标志性的公共建筑，都与土木工程戚戚相关。,土木工程需要解决的问题及其要素和目的：,建筑工程,位于台北市信义区的一幢摩天大楼，楼高508米，地上101层，是目前全球最高的摩天大楼之一。,武汉长江大桥,1957年建成,是中国在万里长江上修建的第一座铁路、公路两用桥梁。全桥总长16
2、70米，其中正桥1156米，北岸引桥303米，南岸引桥211米。从基底至公路桥面高80米，下层为双线铁路桥，宽14.5米，两列火车可同时对开。桥身为三联连续桥梁，每联3孔，共8墩9孔。每孔跨度为128米。,桥梁工程,道路工程,一种带状的三维空间人工构造物。早期仅对道路提出了排水良好，密实地基的要求。而随着汽车的出现及车辆速度的不断提高，使路面承受荷载的要求不断提高，对道路也提出了更高要求。道路是对所有各种公路或干线的统称。,铁路工程,水利水电工程,三峡工程,都江堰,港口工程,现代港口向物流服务中心转化，其装卸运输向多样化、协调化、一体化方向发展。,海洋及机场工程,(1).土木工程的建设目的和意
3、义：典型的建筑工程就是房屋工程。它是兴建房屋的规划、勘察、设计（建筑、结构和设备)施工的总称,目的是为人类生产与生活的提供场所。土木工程的根本目的和出发点是形成人类生产或生活所需要的、功能良好且舒适美观的空间和通道。它既是物质方面的需要，也有精神方面的需求。,(2).土木工程存在的根本原因：地球上有各种各样的荷载和作用力，而土工工程存在的根本原因是使结构能够抵抗各种自然或人为的作用力。任何一个工程结构都要承受自身重量、使用荷载、风力等荷载的作用和温度变化对土木工程结构产生力的作用。,2000.7.13一场特大龙卷风袭击苏北部分乡镇，大批房屋倒塌、树木折断，交通中断，经济损失超过1.5亿元。,同
4、时，由于环境的持续恶化，导致的自然灾害频发，如地震灾害、风灾害、洪水灾害、泥石流灾害、虫灾(如白蚁成灾对木结构的房屋和桥梁损害极大)等也对人们的生命及生活质量构成严重威胁，据联合国统计，近百年来，全世界死于各种灾害的人口约458万人。,因此，自然环境的变化也要求土木工程能够抵御自然灾害，提供安全、可靠的活动空间、通道等等。,2000.12.25日晚21时35分左右，河南洛阳市东都商厦发生特大火灾，据悉，火灾死亡人数已达309人，多数属窒息死亡。根据初步调查分析，这次火灾是因该大厦地下室二层施工不慎引起的.,(3).土木工程的建设条件：材料、土地、人财物等都是实现土木工程建造的基本物质条件，而材
5、料的选择、数量的确定是土木工程建设过程中必须解决的最重要内容。,材料费往往占土木工程投资大部分，土木工程造价主要取决于材料所需的资金。土木工程的任务就是要充分发挥材料的作用，在保证结构安全的前提下实现最经济的建造。土木工程材料是随着人类社会生产力和科学技术水平的提高而逐渐发展起来的。,(4).土木工程的项目管理：土木工程的最终归宿是将社会所需的工程项目建造成功，投入使用，除了有最优设计还不够，还需要把蓝图变为现实。因此需要研究如何利用现有的物资设备条件，通过有效的技术途径和组织手段来进行施工，将社会所需的工程设施建造成功。,对工程项目全过程进行有序、全面、科学和目标明确的管理，发挥计划职能、组
6、织职能、控制职能、协调职能和监督职能等。土木工程的工程项目管理必须紧紧围绕项目目标进行管理，其中管理目标主要包括工程进度、工程质量、工程费用、安全、资源等目标。,土木工程是一项系统工程，涉及方方面面的知识和技术，对工程实践的依赖性很强，具有综合性、社会性、实践性及技术、经济和建筑艺术的统一性四个基本属性。,综合性土木工程是一门涵盖范围广阔的综合性学科，一般要经过勘测、设计和施工三个阶段。,土木工程的施工与勘测,社会性土木工程是伴随着人类社会的发展而发展起来的，是随社会不同历史时期的科学技术和管理水平而发展，工程设施能反映各个历史时期社会经济、文化、科学、技术发展的面貌。,实践性由于影响土木工程
7、的因素错综复杂，使土木工程对实践的依赖性很强。,技术、经济和艺术的统一性 土木工程是为人类需要服务的，它必然是每个历史时期技术、经济、艺术统一的见证。,悬空寺，全国重点文物保护单位，是佛、道教合一的独特寺庙。位于山西省浑源县城南5km金龙峡半崖峭壁间。始建于北魏后期，至今已有1400多年历史。,巴西的马拉卡纳体育场，这座能容纳20万人的体育场长110米，宽75米，建筑面积达到了11.85万平方米，不仅是世界上最大的体育场，同时也是世界上最现代化的体育场之一。,古罗马竞技场是古罗马时期最大的圆形角斗场，以宏伟、独特的造型闻名于世，庞大的竞技场可以容纳近九万人。,五棵松籃球館,北京工人体育馆,武汉
8、长江大桥,江阴长江大桥,土木工程的发展经历了三个阶段,古代土木工程（约公元前5000年17世纪中叶）土木工程的古代时期是从新石器时代开始的。人们在早期只能依靠泥土、木料及其它天然材料从事营造活动，后来出现了砖和瓦这种人工建筑材料，使人类第一次冲破了天然建筑材料的束缚。近代土木工程（17世纪中叶至20世纪中叶）是土木工程发展史中迅猛前进的阶段。这个时期土木工程的主要特征体现在材料方面、理论方面及施工方面。现代土木工程（20世纪中叶至今）现代土木工程的特点是：以社会生产力的现代发展为动力，以现代科学技术为背景，以现代工程材料为基础，以现代工艺与机具为手段高速度地向前发展。,1.2 土木工程发展历史
9、概述,早期的土木工程人们只能依靠泥土、木料及其它天然材料从事营造活动，后来出现了砖和瓦这种人工建筑材料，使人类第一次冲破了天然建筑材料的束缚。古代土木工程的时间跨度，大致从旧石器时代(约公元前5000年起)到17世纪中叶。古代土木工程所用的材料，最早为当地的天然材料，如泥土、石块、树枝、竹、茅草、芦苇等，后来开发出土坯、石材、木材、砖、瓦、青铜、铁，以及混合材料如草筋泥、混合土等。如图所示的是人类早期居住的房屋。,1.2.1 古代土木工程,古代土木工程所用的材料，最早为当地的天然材料，如泥土、石块、树枝、竹、茅草、芦苇等，后来开发出土坯、石材、木材、砖、瓦、青铜、铁、铅，以及混合材料如草筋泥、
10、混合土等。古代土木工程所用的工具，最早只是石斧、石刀等简单工具，后来开发出斧、凿、锤、钻、铲等青铜和铁制工具，以及打桩机、桅杆起重机等简单施工机械。古代土木工程的建造主要依靠实际生产经验、缺乏设计理论的指导。,在陕西西安附近，距今6000余年前新石器时代的村落，有居民住房、制陶窑场、公共仓库、圈栏、窖穴、墓葬等的聚落布局，在浐河东岸的台地上遗存有密集排列的40-50座住房，在其中心部分有一座规模相当大(平面约为12.514米)房屋，可能是会堂。,中国西安半坡村遗址,我国黄河流域的仰韶文化（约公元前50003000）遗址。,建于公元 1420年的故宫占地面积72万平方米，共有各式宫室8千余间，是
11、世界上规模最大、保存最完整的宫殿建筑群。,故 宫,应县木塔,佛光寺祖师塔,古代土木工程有以下几种主要结构形式：木结构 石结构 砖结构,金字塔,万里长城,长城的历史要追溯到二千多年前的春秋战国时代，它以雄伟的气魄和悠久的历史著称于世，被列为世界奇迹，1987年被联合国教科文组织列为“世界文化和自然遗产保护项目”。是世界上最著名的游览胜地之一。,最早修筑长城的是楚国，称为“方城”。公元前214年，由秦始皇扩建完成。随后，各朝代都进行过修筑、扩建。其中以明代修筑规模最大，工程技术水平也最高，通常称的明长城。,约公元前256前251年（战国时期）始建于秦昭王末年的四川都江堰大型引水枢纽，是世界历史上最
12、长的无坝引水工程。,四川都江堰大型引水枢纽，建于公元前256251年，是世界历史上最长的无坝引水工程。以灌溉为主，兼有防洪、水运、供水等多种效益，一直沿用至今。,世界上最长的京杭大运河，北与海河相连，南与钱塘江相接，将海河、黄河、淮河、长江和钱塘江五大水系，连成了统一的水运网。这是我国古代劳动人民改造大自然的一项奇迹。,目前国外著名的大运河有苏伊士运河、巴拿马运河、前苏联土库曼运河等。这些运河的长度不但都比我国的大运河短得多，且也都比隋朝开凿南北大运河的时间晚1000多年。,京杭大运河,京杭大运河开凿于春秋战国时期，公元610年全部完成，迄今已有2400多年历史。京杭大运河由北京到杭州流经河北
13、、山东、江苏、浙江四省，沟通海河、黄河、长江、淮河、钱塘江五大水系，全长1794km,据史料记载，约3000年前，我们的祖先就曾在渭河上架设过浮桥。在中国，吊桥具有悠久的历史，早期的缆索是由藤条或竹子做成的，随着冶炼技术水平的提高，后来发展为用铁链代替，并在前秦时代出现了铁制的桥墩。,公元60年前后就有了铁链悬索桥。至今保留下来的古代吊桥有四川省泸定县的大渡河铁索桥，建成于1706年，桥跨100m，桥宽约2.8m。,泸定河铁索桥,河北赵州桥(又称安济桥)，是中国古代石拱桥的杰出代表。该桥为隋朝工匠李春所建，其特点是跨度大(37.47m)，其跨度当时居世界之最，在拱圈两肩各设两个跨度不等的腹拱，
14、既减轻了桥身自重，又节省了材料，还便于排洪。,赵州桥,主要特征,早期土木工程采用的只是当地的天然材料，如泥土、砾石、树干、树枝、竹、茅草、芦苇等。,后来发展到土坯、石材、砖、瓦、木、青铜、铁、铅、以及混合材料如草筋、混合土等。,最早只是利用石斧、石刀等简单工具。,后来发展了斧、凿、钴、铲、锯等青铜和制铁工具，兴起了窑制和煅烧加工技术，以及打桩机、桅杆起重机等施工机械。,木工、瓦工、泥工、土工、窑工、雕工、石工、彩画工等。,理论著作：考工记、营造法式、论建筑,施工材料,工艺技术,工程分工,1.2.2 近代土木工程,近代土木工程逐渐发展到包括房屋、道路、桥梁、铁路、隧道、港口、市政、卫生等工程建筑
15、和工程设施，不仅能够在地面，而且有些工程还能在地下或水域内修建。土木工程在这一时期的发展可分为奠基时期、进步时期和成熟时期三个阶段。,奠基时期 17世纪到18世纪下半叶是近代科学的奠基时期进步时期 18世纪下半叶，J.瓦特对蒸汽机作了根本性的改进成熟时期 第一次世界大战以后，近代土木工程发展到成熟阶段,奠基时期 伽利略的梁设计理论论述了建筑材料的力学性质和梁的强度，是弹性体力学史的开端，它与牛顿的力学三大定律为土木工程奠定了力学分析的基础。欧拉柱的压屈理论给出了柱临界压曲荷载的计算公式，在分析工程构筑物的弹性稳定方面得到了广泛的应用。,1825年纳维建立了土木工程中结构设计的容许应力法；19世
16、纪末里特尔等人提出了极限平衡的概念。这为土木工程的结构理论分析打下了基础。,1824年英国人阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权，1850年开始生产。20世纪初，有人发表了水灰比等学说，才初步奠定了混凝土强度的理论基础。,1859年发明了贝塞麦转炉炼钢法，使钢材得以大量生产，并广泛应用于土木工程。,1867年法国人莫尼埃用铁丝加固混凝土制成花盆，并推广到工程中，建造了一座蓄水池，这是应用钢筋混凝土的开端。1875年，他主持建造了第一座长16m的钢筋砼桥。,进步时期 18世纪下半叶，瓦特对蒸汽机作了根本性的改进，蒸汽机的使用推进了产业革命。规模宏大的产业革命，为土木工程提供了多种性能优良的建筑材料及
17、施工机具，也对土木工程提出新的需求，从而促使土木工程以空前的速度向前迈进。,从材料方面来讲，波特兰水泥的发明及钢筋混凝土开始应用是近代土木工程发展史上的重大事件。贝塞麦转炉炼钢法的成功使得钢材得以大量生产并应用于房屋与桥梁的建设。混凝土及钢材的推广应用，使得土木工程师可以运用这些材料建造更为复杂的工程设施。,这一时期内，蒸汽机等产业革命促进了工业、交通运输业的发展，对土木工程设施提出了更多的要求，同时也为土木工程的建造提供了新的施工机械和施工方法。1825年英国首次使用盾构开凿泰晤士河河底隧道；1906年瑞士修筑通往意大利的19.8公里长的辛普朗隧道，使用了大量黄色炸药以及凿岩机等先进设备。,
18、产业革命还从交通方面推动了土木工程的发展，铁路与地下铁道相继出现，公路方面明确了碎石路的施工工艺和路面锁结理论，促进了近代公路的发展。铁路和公路的空前发展也促进了桥梁工程的进步。现代桥梁的三种基本形式：拱桥、悬索桥、梁式桥相继出现。,该桥（英国的科尔布鲁克代尔桥）建于1779年。桥跨约30.5m，矢高13.7m，由五片半圆形拱肋组成。该桥完全模仿木拱桥的形状。钢材的出现，把铸铁（以及锻铁）桥送进了桥梁历史博物馆。科尔布鲁克代尔桥曾使用170年。,世界最古老的铸铁拱桥（科尔布鲁克代尔桥),1779年英国用铸铁建成跨度为30.5m的拱桥,梅奈海峡桥，位于英国的威尔士，1826年建成。该桥是英国用铸
19、铁建成的第一座悬索桥，主跨177米，为当时世界上最大跨度的桥梁，现仍存在。,梅奈海峡桥,1826年英国用锻铁建成建造了第一座跨度为177m的悬索桥,1890年由贝格（B.Baker)设计并建成的福斯桥（Forth Bridge)位于英国爱丁堡附近，两孔主跨达521m,耗钢50000吨。属于悬臂式桁架梁桥。,福斯桥（Forth Bridge),1890年英国又建成两孔主跨的悬臂式桁架梁桥,主要特征,有力学和结构理论作为指导；砖、瓦、木、石等建筑材料得到日益广泛的使用；混凝土、钢材、钢筋混凝土以及早期的预应力混凝土得到发展；施工技术进步很大，建造规模日益扩大，建造速度大大加快。,成熟时期 第一次世
20、界大战以后，近代土木工程发展到成熟阶段。这个时期的一个标志是道路、桥梁、房屋大规模建设的出现。在交通运输方面，沥青和混凝土开始用于铺筑高级路面。由于汽车在陆路交通中具有快速和机动灵活的特点，道路工程的地位日益重要。1931-1942年德国首先修筑了长达3860km的高速公路网，美国和欧洲些国家也纷纷开始高速公路的修建,从十九世纪中叶开始，冶金业冶炼并轧制出抗拉和抗压强度都很高、延性好、质量均匀的建筑钢材，随后又生产出高强度钢丝、钢索。于是适应发展需要的钢结构得到蓬勃发展。除应用原有的梁、拱结构外，新兴的桁架、框架、网架结构、悬索结构逐渐推广。随着钢铁质量的提高和产量的上升，使建造大跨桥梁成为现
21、实。1937年建成的美国旧金山金门悬索桥，跨度1280m，全长2825m；1932年澳大利亚建成悉尼港桥为双铰钢拱结构，跨度503m。,工业的发达，城市人口的集中，使工业厂房向大跨度发展，民用建筑向高层发展，中世纪的石砌拱终于被近代的壳体结构和悬索结构所取代。美国纽约的帝国大厦于1931年落成，共102层，高378米，有效面积16万平方米，结构用钢约5万余吨，内装电梯67部，它保持世界房屋最高纪录达40年之久。,近代土木工程发展到成熟阶段的另一个标志是预应力钢筋混凝土的广泛应用，把土木工程技术推向现代化。此外，1906年美国旧金山发生大地震，1923年日本关东发生大地震，生命财产遭受严重损失。
22、1940年美国塔科马悬索桥毁于风振。这些自然灾害推动了结构动力学和工程抗害技术的发展。另外，超静定结构计算方法不断得到完善，在弹性理论成熟的同时，塑性理论、极限平衡理论也得到发展。,1.2.3 现代土木工程,现代土木工程的特点是：以社会生产力的现代发展为动力，以现代科学技术为背景，以现代工程材料为基础，以现代工艺与机具为手段高速度地向前发展。,功能要求多样化 现代土木工程的特征之一，是工程设施同它的使用功能或生产工艺更紧密地结合。复杂的现代生产过程和日益上升的生活水平，对土木工程提出了各种专门的要求。城市建设立体化 随着经济的发展，人口的增长，城市用地更加紧张，交通更加拥挤，这就迫使房屋建筑和
23、道路交通向高空和地下发展。交通工程快速化 现代世界是开放的世界，人、物和信息的交流都要求更高的速度。工程设施大型化 为了满足能源、交通、环保及大众公共活动的需要，工程设施越来越大型化。,(1)功能要求多样化,即土木工程日益同它的使用功能或生产工艺紧密结合,公共和住宅建筑物要求建筑、结构、给水排水、采暖、通风、供燃气、供电等现代技术设备结合成整体。,蓬皮杜国家艺术和文化中心综合性文化建筑。建于19721977年。,特点：建筑外观、结构、设备均暴露。沿街立面满是彩色管道。,文化中心的外部钢架林立、管道纵横，并且根据不同功能分别漆上红、黄、蓝、绿、白等颜色。因这座现代化的建筑外观极像一座工厂，故又有
24、“炼油厂”和“文化工厂”之称。,“文化中心”是在1969年由法国总统乔治蓬皮杜决定兴建的，是一个融合造型艺术、建筑艺术、城市规划艺术、电视电影、文学、音乐、舞蹈以及其它种种最现代化的表现手段在一起。,发展高科技和新技术对土木工程提出高标准要求。如核反应堆、核电站；海洋工程等。,工业建筑物围绕生产工艺在功能要求方面越来越高。并向大跨度、超重型、灵活空间方向发展。,大众汽车制造厂CKD车间,(2)城市建设立体化,20世纪中叶以来，城市建设有三个趋向；,高层建筑的大量兴起。,由于城市人口大量积聚，密度猛增，用房紧张，地价昂贵，建筑物向空间发展。近10年来，我国、马来西亚、新加坡等东南亚国家的高层建筑
25、有很大发展。,上海金茂大厦421m高，88层,城市道路和铁路很多已采用高架，城市高架公路、立交桥大量涌现，同时又向地层深处发展。地下铁道与建筑物地下室连接，形成地下商业街。城市道路下面密布着电缆、给水、排水、供热、供燃气的管道，构成城市的脉络。现代城市建设已经成为一个立体的、有机的系统，对土木工程各个分支以及他们之间的协作提出了更高的要求。,城市高架公路、立交桥大量涌现。,此外，小轿车进入家庭的速度不断加快，城市交通严重紧张状况由几个大都市向普遍的大城市发展，城市交通堵塞由局部地区和局部时间段上向大部分地区和较长时间段上发展，为人们正常出行带来了极大的不便。大力发展城市轨道交通是国内外解决城市
26、交通最好的办法和出路，据不完全统计，我国规划、准备建设和已经建设城市轨道交通的城市已经有30多个，城市轨道交通具有广阔的发展前景和建设市场。,(3)交通工程快速化,高速公路的大规模修建。目前，全世界已有80多个国家和地区拥有高速公路，很大程度上取代了铁路的职能，高速公路的里程数，已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。我国高速公路里程数已跃居世界第二位。,山东的高速公路是全国第一个跨2000km以上省份,铁路电气化的形成和大量发展。,1964年10月世界铁路运营史第一块高速金牌在日本诞生，时速为210km。1994年12月22日，我国第一条准高速铁路广深高速铁路建成通车，时速为160km。我国
27、第一条高速铁路京沪高速铁路，全长约1300km，实施全封闭、全立交，为客运专线，设计时速为300km。,京沪高速铁路正线全长约1318km，实施全封闭、全立交，为客运专线，设计时速为350km，初期运营时速300公里。从工程角度来看，高速公路、高速铁路在坡度、曲线半径、路基质量和精度方面都有严格的限制。,长距离的海底隧道的出现。,如日本越过津轻海峡连接本州（青森）与北海道（函馆）的青函海底隧道长达53.85km，是世界最长的海底隧道。1990年贯通的英法海峡隧道长50.5km。我国第一条水底隧道1970年建成,2.76km。,上海市打浦路越江隧道,(4)工程设施大型化,厦门翔安隧道全长约9公里
28、，其中海底隧道5.95公里，海域段4.2公里。起自厦门岛五通，止于厦门市翔安区西滨，隧道最深在海平面下约70米，工程总投资约32亿元人民币。,主洞隧道建筑限界净宽13.5米，净高5米。翔安隧道不仅是中国大陆第一条海底隧道，也是第一条由国内专家自行设计的海底隧道，主线设计时速为80公里。,苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州（常熟）市之间，全长32.4公里，是我国建桥史上工程规模最大、综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程之一，因承载着“最大群桩基础”、“最高桥塔”、“最长斜拉索”和“最大主跨”4项世界纪录。作为现在全球最大的斜拉桥，大桥主跨1088米，通航净空62米，跨江大桥总长8206米，两岸连
29、接线共长24.2千米。,苏通大桥,随着人口增长速度的不断加快，人类为了争取生存，土木工程的未来应向以下方向发展。,(1)重大工程项目将陆续兴建(2)土木工程将向太空、海洋、荒漠地开拓(3)工程材料向轻质、高强、多功能化发展(4)设计方法精确化，设计工作自动化(5)信息和智能化技术全面引入土木工程(6)土木工程的可持续发展,1.3 土木工程的未来,1.4 土木工程的学习建议,中国土木工程分类,美国土木工程分类,培养目标中有两个要点：一是强调工程师基本技能的训练，目前我国本科教育正向综合素质教育过渡，要求学生强基础、宽知识，以适应科技的发展和知识的更新；,二是规划了学生今后的职业生涯。,型振动台模拟地震反应试验,大尺寸桥梁模型试验,
