土木工程概论.docx

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目录1 土木工程专业培养目标和人才素质要求11 土木工程和土木工程专业12 我国高等学校土木工程专业的培养目标关于科学，技术，工程和工程师的概念对于我国高等学校土木工程专业培养目标的理解13 当前土木工程专业对所培养人才的素质要求2 土木工程的内涵和发展简史21 土木工程的内涵22 土木工程的发展简史古代土木工程近代土木工程现代土木工程3 土木工程中的材料31 土木工程材料的一般性质32 4种主要工程材料的简介4 土木工程中的力学和结构概念41 力，力矩，和平衡42 外力，内力和反力43 荷载和作用44 结构和结构失效45 结构的定义和对结构的要求5 建筑工程概述51 引言52 建筑物的类别53 生土建筑物54 木结构建筑物55 砌体结构建筑物56 混凝土结构建筑物57 钢结构建筑物58 钢混凝土组合结构建筑物59 索结构和索膜结构建筑物510 特种构筑物6 地下工程概述61 引言62 地下工程设施的分类和案例63 隧道工程铁路隧道道路隧道水底隧道地下铁道7 桥梁工程概述71 引言72 桥梁类别和著名桥梁掠影73 桥墩，桥台与桥梁基础桥墩桥台基础8 道路工程概述81 引言82 道路的组成线形组成道路结构组成83 高速公路84 城市道路85 我国公路的发展特点9 铁路工程概述91 引言92 铁路的组成 线路 路基 线路上部建筑93 高速铁路高速铁路的概念高速铁路的几个关键技术问题我国铁路的提速和高速铁路的发展10港口，海洋和飞机场工程概述101 港口工程概述港口的类型港址的选择港口的组成港口水工构筑物我国港口发展的特点102 海洋工程概述103 飞机场工程概述机场的组成机场主要构筑物我国民用机场建设特点香港国际机场简介11 给排水工程和环境工程111 给水和排水工程112 环境工程12 土木工程的建设121 建设程序122 建筑工程施工施工准备施工组织设计建筑工程施工实施竣工验收123 地下工程施工124 桥梁工程施工125 土木工程建设中的经营和管理制度126 我国建设法规简介13 土木工程中的灾害131 火灾132 地震灾害地震的基本常识地震发生概况133 风灾134 工程事故灾害135 恐怖袭击14 土木工程的发展141 建筑材料向高性能，多品种和组合利用方向发展142 工程项目向更高，更深，更快的方向发展143 发展可持续性的土木工程144 大力发展计算机技术在土木工程中的应用145 生产技术和生产方式发生重大变化146 大力改善和提高人们的生活水平和工作质量147 向海洋和沙漠进军15 土木工程专业的教学安排151 高等学校的教育特点152 课程的内涵和工科课程类型153 本专业自然科学和技术类课程的系列154 教学方式155 学习方法要点怎样听课怎样记笔记怎样预习，复习，和练习怎样解决疑难问题和思考题怎样查阅参考文献怎样正确的对待考试16 学习原理161 学习的概念162学习的作用和工科大学生的学习任务163 智力，能力，素质，学风和个性特征的概念164 大学生的学习过程学习过程5个基本阶段学习过程的2个层次165 学习的客观规律，基本原则和大学生应有的学习观念学习规律和学习原则大学生应具有的学习观念166 对学习有重要影响的若干方面学习的需要，动机和目标学习中的迁移及其利用学习中的记忆和遗忘学习中思维的指导作用学习中兴趣，情感，意志和性格的作用大学生学习过程中的自我评价第一章1. 土木工程概念 土木工程是指建造各类工程设施的科学、技术和工程的总称。土木工程的含义可从两方面去理解:一层含义是指与人类生活、生产活动有关的各类工程设施；土木工程另一层含义是指为了建造工程设施应用材料、工程设备在土地上所进行的勘察、设计、施工等工程技术活动。2. 土木工程需要解决的问题A.第一个问题是为人类活动需要（既有物质方面的也有精神方面的）提供功能良好、舒适美观的空间和通道，同时还表现为防水患、兴水利以及环境治理等方面。这是土木工程的根本目的和出发点。B.第二个问题是抵御自然灾害或人为作用力。前者如地震、风灾、水灾等作用，后者如工程振动、人为破坏等。C.第三个问题是要充分发挥材料的作用。D.第四个问题是主要通过有效的技术途径和组织手段，利用各个时期社会能够提供的物质设备条件，“好、快、省”地组织人力、财力、物力，把社会所需要的工程设施建造成功，付诸使用。土木工程要解决四个方面的问题A.人类生存的需要（空间、通道、环境等）；B.（目的）抵抗自然灾害、人为破坏；C.（存在原因）充分发挥材料的作用；D.（物质基础）土木工程施工与组织管理；最终归宿为解决以上四个方面的问题需要进行的土木工程活动包括两个方面： 技术方面：勘察、测量、设计、施工、监理、开发等； 管理方面：制订政策和法规、企业管理、项目管理、施工组织、物业管理等；3. 土木工程具有四个基本属性.社会性 .综合性 .实践性 .技术、经济和艺术的统一性。4. 关于土木工程专业土木工程专业：发展土木工程的根本因素是培养大批掌握土木工程科学技术，懂得土木工程基本属性，具有能解决上述四方面的问题的人才。土木工程专业的设置：目前我国 土木工程专业在两类学校设置：一是高等学校（包括普通高等学校、高等专科学校、高等职业技术学校），培养的是未来的土木工程师；二是中等专科学校，培养的是未来的土木工程技术员。1.2 我国高等学校土木工程专业的培养目标 培养目标：是适应社会主义现代化建设需要，德智体全面发展，掌握土木工程学科的基本理论和基本知识，获得土木工程师基本训练(大专、高职为获得土木工程师初步训练）具有创新精神的高级工程技术人才（大专、高职为高级工程技术应用人才）。高等教育：是指一切建立在普通教育（中学进行的就是普通教育）基础上的专业教育。1.2.1 关于科学、技术、工程和工程师的概念.科 学 是指关于事物的基本原理和事实的有组织有系统的知识。科学的任务是研究关于事物和事实（自然界和社会）的本质和机理，以及探索它们发展的客观规律。.技术 是根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种生产工艺、作业方法、操作技能，设备装置的总和。 技术的任务是利用和改造自然，以其生产的产品为人类服务。其中工程技术有土木、机械、电讯、计算机等。（要明确科学与技术是两个不同的概念，从上述科学技术发展简史来看，科学是基础，应用科学原理可以开发技术；技术的发展又会发现新的现象和问题，再研究，又促进科学的进一步发展。所以科学与技术相互促进，相辅相成，两者又相互渗透，并没有明确的界限。但科学与技术毕竟是两个不同的概念。）（3）工 程 工程是将自然科学的原理应用到工农业生产部门中去而形成的各学科的总称，其目的在于利用和改造自然来为人类服务。完整的概念是：运用科学原理、技术手段、实践经验、利用和改造自然，生产开发对社会有用的产品和实践活动的总称；（4）工程师 工程师是从事工程活动的技术家。工程师有3种类型 A.技术实施型B.研究开发型C.工程管理型工程师应具备的素质 A.有较强的基础科学和技术科学的理论基础和较宽的知识面。B.工程师必须具备下述几方面的能力：a.设计能力b.实施能力c.开发能力d.管理能力e.评价能力f. 交际能力。1.2.2 对于我国高等学校土木工程专业培养目标的理解. 培养目的：是塑造能为现代化建设服务的第一线的土木工程师。在校进行的是基本训练，毕业后是助理工程师，经过实践锻炼、考核才能成为工程师。 .处理好学习基础科学和技术科学的关系：土木工程专业所培养的未来工程师，属于技术家的范畴。学生在学习过程中既要重视基础科学和技术科学的学习，又要重视本专业工程技术的学习。要特别重视本专业工程技术知识和技能的学习和应用。. 要重视工程意识和创新精神的培养：由于我国目前土木工程企事业部门多数还不能承受学生毕业后的专业技术培训任务，所以学习期间要重视与工程实践有关的技能和能力训练，要重视工程意识和创新精神的培养和形成。. 要有意识地拓宽知识面，以适应社会的需求：社会对人才的需求和学校对人才的培养之间存在着两个根本矛盾：A.社会需求的多样性和学校培养人才的规格较为单一之间的矛盾；B.社会需求的可变性和学校教学的相对稳定性之间的矛盾。所以除学好本专业规定的必修课之外，还应具备一些其他知识面，以适应多变的社会需求和个性发展的需要。1.3 当前土木工程专业对所培养人才的素质要求. 关于素质 是指“人在先天生理基础上受后天环境、教育影响，通过个体自身的认识与社会实践，养成的比较稳定的身心发展的基本品质。. 21世纪工程师要做好回答下述4个问题的准备：A.会不会去做B.可不可以做C.值不值得做D.应不应该做. 土木工程专业学生应追求的基本品质 认知方面；技能和能力方面；思想和情感方面；意识和意志方面；心理和体魄方面； 养成上述基本品质的主要途径：勤奋学习；努力实践；勇于创新；交融集体；健康身心；与时俱进。工程师的基本素质的要求 A. 较强的基础科学和技术科学的理论基础和较宽的知识面；B. 具有6个方面的能力： 设计能力、实施能力、开发能力、管理能力、评价能力、交际能力。第二章2.1 土木工程的内涵. 土木工程 指用工程材料如土、石、砖、木、钢筋砼、建筑塑料、铝合金等修建房屋、道路、铁路、桥梁、隧道、运河、堤坝、港口、特种结构和市政卫生工程等的生产活动和工程技术。 土木工程也是一种学科，称为土木工程学。 它是指运用数学、 物理、 化学等基础科学知识，力学、材料等技术科学知识以及土木工程方面的工程技术知识来研究、设计、修建各种建筑物和构筑物的一门学科。建筑物（建筑）：指供人们进行生产、生活或其它活动的空间、场所。构筑物：指人们一般不直接在内进行生产、生活活动的建筑物，如水塔、堤坝、烟囱等。（3）土木工程具有民用性是与人们的衣、食、住、行关系密切的工程。 各类土木工程必须具备抵御自然灾害和人为的作用力。 . 要充分理解土木工程所要解决的四个方面的问题。作为未来的土木工程师不仅要保证完成的各类土木工程能承受各种作用力，同时，还能根据现有的物质基础（土地、材料、施工机具等）经济而迅速地完成其建造任务。如何理解土木工程的内涵？土木工程不仅与建造各类工程的生产活动和工程技术有关，而且也是一种学科；土木工程与人类的生存和社会发展息息相关；要充分理解土木工程所要解决的四个方面的问题，学习土木工程要有自豪感和强烈的社会责任感；同时还要认识到，土木工程虽然是一门古老的学科，但其领域随相关学科的发展、经济建设和社会进步的需要不断深化、不断拓展。2.2土木工程的发展简史经历了三个历史时期.古代土木工程(从新石器时代约公元前5000年起开始至17世纪中叶)。中国历代封建王朝建造的大量宫殿和庙宇建筑，均系木构架结构，山西应县木塔是我国保存至今的唯一木塔，也是现存的最高的木结构之一。西欧各国以意大利比萨大教堂和法国巴黎圣母院为代表的教堂建筑，都采用了砖石拱卷结构。古代土木工程的特点：土木工程所用材料最早只是当地的天然材料，如泥土、砾石、树干、竹、茅草、芦苇等，后来发展了土坯、石材、砖、瓦、木、青铜、铁、铅以及混合材料如草筋泥、混合土等。.近代土木工程 （从17世纪中叶到20世纪中叶的300年间） 主要特征是：1有力学和结构理论作指2导砖、瓦、木、石等建筑材料广泛使用；混凝土、钢材、钢筋砼以及早期的预应力砼得到发展。这个历史时期，土木工程在理论、材料、施工领域出现的具有重大意义，大事有：现代桥梁的三种基本形式（梁桥、拱桥、悬索桥）相继出现。. 现代土木工程（20世纪中叶第二次世界大战结束后至今） 其特点表现为：A.土木工程功能化； B城市建设的立体化：城市建设有三个趋向；高层建筑的大量兴起,地下工程高速发展,城市高架公路、立交桥大量涌现；C. 交通运输高速化（其标志是高速公路的大规模修建）； 土木工程的功能化、城市建设的立体化、交通运输的高速化必然使得构成土木工程的三个要素：材料、施工、理论出现了新的发展趋势； 建筑材料的轻质高强化。施工过程中的工业化、装配化设计理论的精确化、科学化。第三章土木工程中的材料重要性质有：（1）物理性质 如容积密度（材料在自然状态下单位体积的质量），密度（材料在绝对密实状态下单位体积的质量），以及材料与水有关的性质如含水率、吸水性、透水性，和材料的热工性质如导热性、耐火性、收缩膨胀等。（2）力学性质 如强度（抵抗破坏的能力），变形（承受形状改变的能力），弹性（材料在外力除去后其变形能完全消失的性质），塑性（外力除去后不能恢复其原有形状的性质），韧性（材料受冲击断裂时吸收机械能的能力）。（3）耐久性质 指材料在长期使用过程中经受各种所处环境和条件的作用（如日光曝晒，大气、水和化学介质侵蚀，温、湿度变化，冻融循环，机械摩擦，虫菌寄生等）仍能保持其使用性能的能力。土木工程材料的分类1. 所用的材料按其自身组织的不同可分为金属材料和非金属材料两大类，金属材料又可分黑色金属和有色金属，非金属材料又可分无机材料和有机材料。 2. 按材料在土木工程设施中所起的作用和功能分，又可分为： 承重材料 围护材料装饰材料胶结材料3.2 常用建筑结构材料简介. 钢材 按化学成分分类 低碳钢 合金钢评 价：材质均匀、强度高、塑性好、便于加工安装；缺点是耐火性差，易于锈蚀，维护费用较高。 混凝土 类型(水泥混凝土,轻混凝土,沥青混凝土)评 价：优点是：可模性、耐久性、耐火性、整体性都好，易于就地取材，价格较低，强度比砖、石材都高，能与钢筋粘结做成各种强度高的钢筋砼结构；缺点是：自重较大、施工复杂、工序多、工期长、易产生裂缝。. 砌 体 概念：是由石材、粘土、混凝土、工业废料等材料做成的块材和水泥、石灰膏等胶凝材料与砂、水混合做成的砂浆，叠合粘结而成的复合材料。类 型 (石砌体,实（空）砖砌体,中小混凝土块砌体、硅酸盐块砌体等)评 价 所有砌体，强度都低。砌体优点是易于就地取材，价格低廉，施工简便，隔热保温性以及耐火耐久性好；但因强度低，导致结构笨重，施工劳动量大，工程质量问题多。实心粘土砖与农争田，破坏生态，应限制、废止使用。提倡节能环保材料。. 木 材(圆材、方材、条材、板材等) 应用特点：结构自重轻、制作容易，架设简便，工期快，造价便宜等优点；但易燃、易腐朽，结构变形较大等缺点。第四章4 土木工程中的力学和结构概念4. 1 力、力矩和平衡 力（Force）是一种物体间有方向的相互作用，这种相互作用有使物体改变原来形状或改变运动方向，或二者具有的效应。4.2 外力、内力和反力(它承受的内力，归纳起来是下列5种以及它们间的组合：（1）产生拉伸变形的是拉力，一般以N表示；（2）产生压缩变形的是压力，一般以一N表示；（3）产生弯曲变形的是弯矩，一般以M表示；（4）产生剪切变形的是剪力，一般以 V表示（5）产生扭曲变形的是扭矩，一般以MT表示。4.3 荷载和作用1. 直接施加在土木工程结构上的外力是由荷载引起的。土木工程中的荷载大体有以下三类（一般都以kN,kN/m或kN/m2计）： （1）永久荷载 指在使用期间永久施加在结构上，其值不随时间变化的荷载，也称恒载。在建筑物中，承重结构的恒载约占总荷载的50%-70。（2）可变荷载 指在使用期间施加在结构上的值随时间变化的荷载，也称活载。 1）使用活载 2）车辆活载 3）雪载 4）风载 风载有3个“不一样”：不同地区不一样；同一地区每时每刻不一样；不同高程、不同部位不一样。设计时采用的风载值是重现期为50年的l0min内平均风压的统计值。（3）偶然荷载 指在使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载，如撞击荷载、爆炸荷载等。作用也使结构内部产生内力和变形。以三类形式出现：（1）约束变形作用 以温差作用为典型；（2）外加变形作用 以地基的沉陷作用为典型；（3）惯性作用 以地震作用为典型。4.4 结构和结构失效（1）结构的构件和九种类型 承受由荷载和作用在结构中产生内力的是结构的构件。结构的基本构件有以下几种：1）板 有较大平面尺寸但厚度较小的平面构件，通常水平方向设置，承受垂直于板面的荷载，以受弯矩为主；2）梁 承受垂直于其纵轴方向荷载的线形构件，其截面尺寸小于其长向跨度，以受弯矩和剪力为主；3）柱 承受平行于其纵轴方向荷载的直线形构件，其截面尺寸小于其高度，以受压力和弯矩为主；4）墙 受平行或垂直于墙面方向的竖向平面构件，其厚度小于墙面尺寸；前者以受压力为主，后者以受弯矩和剪力为主；5）杆 承受轴向力（拉力或压力）的直线形构件，截面尺寸比长度小得多，多用于组成架结构或网架结构；6）拱 承受沿其纵轴平面内荷载的曲线形（或折线形）构件，其截面尺寸小于其弧长（折线总长），以受压力和弯矩、剪力为主；7）壳 一种曲面形具有很好空间传力性能的构件，能以极小厚度覆盖大跨度空间，以受压力为主；8）索 以柔性受拉钢索组成的构件，直线或曲线形；9）膜 以薄膜材料（如玻璃纤维布）制成的构件，只能承受拉力。由上述基本构件组成的九种典型结构 ： 1）墙体结构 以墙为主体的结构； 2）框架结构 以梁、柱组成的框架为主体的结构； 3）框架一筒体结构 利用四周墙形成的封闭筒体，和框架一起组合成的结构；4）错列桁架结构 将杆组成一些由平面三角形图案集合成的较大跨度的桁架，以错列桁架形式形成的结构； 5）网架结构 将杆组成网格形的空间网架，以空间网架为主体形成的结构； 6）拱结构 以拱为主体的结构；7）壳体结构 以空间薄壳为主体的结构； 8）空间折板结构 以多块平板折叠成空间折板形成的结构； 9）钢索结构 以索为主体的结构。（2） 结构和材料的关系 无论什么结构都是由材料做成的。按材料分有钢结构、木结构、钢筋混凝土结构和砌体结构。结构的受力、变形状态和各类材料的力学性质密不可分。自然界给予结构承受外力和内力的本能是通过两个基本受力状态受拉和受压来完成的。（3）结构和地基的关系 常见的土可分为6类：1）岩石 颗粒间牢固联结的、整体的或有裂隙的岩体；2）碎石土 多数粒径大于2mm的土，按粗细又分块（漂）石、卵（碎）石、圆（角）砾；3）砂土 多数粒径大于0. 075mm,小于2mm的土，按粗细又分砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂；4）粉土 颗粒粒径更细，粘性介于粘性土和上述非粘性土之间的土；5）粘性土 粒径比粉土更细，具有明显粘性的土；6）人工填土 回填土、垃圾、工业废料等。各类土的承载力大体为100400kN/m2。对基础和地基应有的认识： 1）基础 既是结构和地基的连接件，又是结构的一部分，也称下部结构；它的设置既要考虑上部结构的型式、规模、用途、荷载大小与性质，又要考虑下部地质条件、土层分布、土的性质和地下水情况。基础应搁置在坚实土层上，因搁置深度不同，可分为浅基础和深基础两类。浅基础如独立基础、条形基础、筏形基础和箱形基础；深基础如桩基础和沉箱基础。2）地基的土是由固体矿物颗粒、水和空气三部分组成，称为土的三相，即固相、液相、气相。结构搁置在地基上，土体颗粒间的空气和水被挤出，颗粒间的距离变小，称地基压缩，同时结构发生沉陷。由于土的透水性不同，土体完成压缩过程的时间也很不一样，这就是结构搁置在地基上会在一段时间内发生沉陷的原因。（3）结构的预定功能和失效： 土木工程的任何结构都应该具有以下四项预定功能： 1）能承受正常施工和使用时可能出现的各种内力（例如拉力、压力、弯矩、剪力、扭矩等）； 2）在正常使用时具有良好的工作性能（例如不发生过大的挠度和侧向位移，不发生过大的不均匀沉陷，不使人感到晃动等）； 3）在正常维护下具有足够的耐久性能； 4）在偶然事件发生时能保持必需的稳定性（例如有很好的抗地震能力）。 在这四项预定功能中，1）和4）是安全性；2）是适用性；3）是持久性。“安全、适用、持久”三者缺一不可，但安全第一。结构的失效现象有： 1）破坏 指结构或构件截面抵抗作用力的能力不足以承受作用效应的现象，如拉断、压碎、弯折等。 2）失稳 指结构或构件因长细比（如构件长度和截面边长之比）过大而在不大的作用力下突然发生作用力平面外的极大变形的现象，如柱子压屈、梁在平面外扭曲等。3）发生影响正常使用的变形 指楼板、梁的过大挠度或过宽裂缝；柱、墙的过大侧移；结构有过大的倾斜或过大的沉陷；人在室内有摇晃的感觉等。4）倾覆或滑移 指整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡而倾倒或移动的现象。 5）结构所用材料丧失耐久性 指钢材生锈、混凝土受腐蚀、砖遭冻融、木材被虫蛀蚀等化学、物理、生物现象。4. 5 土木工程设施中的结构 是一个在空间和通道中用各种基本构件组合建成的有功能特征的机体，为土木工程设施的持久使用和美观需求服务，对生命财产提供安全保障。它是一个由构件组成的整体，是一个有功能特征的机体，是一个有丰富应用价值的载体，是一个被建造的实体。一个优质的土木工程结构要求具有以下特色：（1）在应用上，要充分满足空间和通道的多项使用要求；（2）在安全上，要完全符合承载、变形、稳定的持久需要；（3）在造型上，要能够与环境、规划和建筑艺术融为一体；（4）在技术上，要力争体现科学、技术和工程的新发展；（5）在建造上，要合理用材、节约能源、与施工实际紧密结合。结构设计种必须做到：（1）结构承受荷载后的内力结构的承载力：（2）结构承