土木工程概论1（2011115）课件

土木工程概论 绪论 土木工程概论课程的任务土木工程发展的历史土木工程的前景与展望如何学习 土木工程概论 1 1课程任务 土木工程 CivilEngineering 的由来土木工程的定义 中国国务院学位委员会在学科简介中的定义 建造各类工程设施的科学技术的总称既指工程建设的对象 即建在地上 地下 水中的各种工程设施也指所应用的材料 设备和所进行的勘测设计 施工 管理 保养 维修等技术 1 1课程任务 土木工程的范围包括房屋建筑工程 公路与城市道路工程 铁道工程 桥梁工程 遂道工程 机场工程 地下工程 给水排水工程 港口 码头工程等 国际上 运河 水库 大坝 水渠等水利工程也包括于土木工程之中 房屋建筑 道路 隧洞 铁路 桥梁 地铁 公路 1 2土木工程发展的历史 古代土木工程 从旧石器时代到17世纪中叶没有设计理论指导 主要依赖经验建筑典范 西方 以砖石结构为主 埃及金字塔 希腊的帕特农神庙 古罗马斗兽场 索菲亚大教堂 埃及金字塔 拱券在早期建筑中的应用 砖砌穹拱 希腊雅典卫城曾经既是人们祭祀 敬神的场所 又是古代雅典人的精神象征 今天已不再有具体的使用功能 但它的精神象征却保持下来 并成为希腊城市象征 希腊帕提农神庙 Parthenon 公元前447 前432年 1 2土木工程发展的历史 古代土木工程 中国古代木结构建筑 山西应县木塔 北京故宫 天坛 蓟县的独特寺观音阁中国古代砖石结构建筑 万里长城 河北赵州桥等中国古代水利 都江堰水利工程 京杭大运河 山西佛光寺祖师塔 山西应县木塔 河北赵州桥 木结构 石结构 石结构 1 2土木工程发展的历史 近代土木工程 17世纪中叶到二战前后新科学 新材料 新机械 新方法新科学 逐步形成为一门独立学科新材料 1824年波特兰水泥 1859年转炉炼钢法 1867年钢筋混凝土 1928年预应力混凝土新机械 打桩机 压路机 挖土机 掘进机 起重机 吊装机等 1 2土木工程发展的历史 近代土木工程 工程经典案例 苏伊士运河 帝国大厦 金门大桥 法国艾菲尔铁塔 芝加哥家庭保险公司大厦 都江堰水利工程在四川都江堰市城西 是全世界至今为止 年代最久 唯一留存 以无坝引水为特征的宏大水利工程 2200多年来 至今仍然继续使用 并发挥巨大效益 李冰治水 功在当代 利在千秋 不愧为文明世界的伟大杰作 造福人民的伟大水利工程 都江堰1998年实际灌溉面积超过一千万亩 1 2土木工程发展的历史 现代土木工程 特点 功能要求多样化城市建设立体化交通工程快速化工程设施大型化 世界高楼排名2010含在建 迪拜塔世界第一 1 2土木工程发展的历 现代土木工程 世界第一电视塔 加拿大多伦多电视塔 世界第一高坝 瑞士大迪克桑斯坝 上海金茂大厦是88层 建筑高度420 5m 建筑面积28 9万平方米 于1998年8月28日竣工 钢筋混凝土核心筒 外框钢骨混凝土及钢柱 江阴长江大桥 主跨1385m 江阴长江大桥 悬索结构 1999 居世界第四位 国家大剧院 工程外部围护结构为钢结构网壳 是半椭圆球形 东西长轴212 2m 南北短轴143 64m 总高度46 285m 内设歌剧院 2416席 音乐厅 2017席 及戏剧院 1040席 及公共大厅等 屋面采用钛金属板 整个网壳外环绕人工湖 35500m2 各种通道及入口均设在水下 设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师 整体结构用钢量6750t 195kg m 薄壁结构 1 3土木工程的未来 1 重大工程项目陆续兴建 向更高 更大 更快发展 日本拟建的SKYCITY 地上高1000m 可容纳3 4万人居住 1 3土木工程的未来 2 向太空 海洋 荒漠地开拓 1 3土木工程的未来 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 1 信息化技术 2 智能化技术 3 智能化交通 4 土木工程分析的仿真系统6 可持续发展 1 4 土木工程概论 的学习建议 1 科学 技术与工程的关系科学 science why技术 Technique how工程 Engineeing 科学技术 社会 经济 政治 法律 人文 美学等2 知识 能力与素质要求专业知识自主学习能力综合解决问题的能力创新能力协调管理能力 3 如何学习土木工程概论 教学方法课堂教学 教材 施工现场认知实践 工地实物图片 录像 模拟动画等 师生互动 土木工程概论 土木工程材料 29 目录 早期土木工程材料近代土木工程材料现代土木工程材料 30 土木工程材料概述 纵观历史 金属冶炼 木材防腐和陶瓷工艺等方面 都曾居世界领先地位新建筑材料的出现将导致土木工程飞跃式的发展土木工程的三次飞跃发展是砖瓦的出现 钢材的大量运用 混凝土的兴起 土木工程材料 土木工程中所使用的各种材料的统称材料在土木工程中的作用 对保证工程质量的作用对工程造价的影响对工程技术进步的促进作用材料发展方向 转向关注能源消耗和生态环境 31 32 一 土木工程材料概述 材料的种类划分 按化学成分分类 如表所示 33 材料的种类划分 按功能分类 结构材料 承受荷载作用的材料 如基础 柱 梁所用的材料 功能材料 具有其它功能的材料 如起围护作用的材料 起防水作用的材料 起装饰作用的材料 起保温隔热作用的材料等 按用途分类 如建筑结构材料 桥梁结构材料 水工结构材料 路面结构材料 建筑墙体材料 建筑装饰材料 建筑防水材料 建筑保温材料等 34 土木工程的历史演进过程 洞穴时期没有结构 木材为主要建筑材料 砖瓦人工材料的使用 生铁作为辅助性材料 钢材成为建筑材料 混凝土与钢筋混凝土出现 石材进入建筑材料领域 建筑材料 设计理论和施工技术对结构工程的发展起到了关键作用每当出现新的优良的建筑材料时 结构工程就会有跨跃式的发展 计算力学的发展 现代化的起重机械与施工技术 36 2 1早期土木工程材料 砖瓦砂石灰木 砖 瓦 砂 石 灰可统称为地方材料 属于最基本的建筑材料例 金字塔由砂 石 灰等古老而基本的材料建成 完全没有含混凝土和钢筋 例 赵州桥横跨很宽的河流而中间不用桥墩 这不仅体现了较好的结构特性 而且还表明砖 砂 石 灰等材料制作水平高和运用合理 37 砖 常用砌筑材料之一砖瓦的生产和使用在我国历史悠久 有 秦砖汉瓦 之称 至今仍然广泛地用于墙体 基础 柱等砌筑工程中 按有无孔洞 空心砖 多孔砖和实心砖按生产工艺 烧结砖 非烧结砖 早期建筑材料之砖 烧结普通砖标准尺寸 240mm 115mm 53mm考虑10mm灰缝厚 则4块砖长 8块砖宽和16块砖厚长度均为1m强度等级 取10块砖试样进行抗压强度测验 根据抗压强度平均值和强度标准值划分成五个等级 MU30 MU25 MU20MU15 MU10粘土砖缺点 生产取土量大 能耗高 砖自重大 施工强度高 工效低 将被新型材料取代 有的城市已禁用 38 早期建筑材料之砖 39 早期建筑材料之瓦 瓦 屋面材料按成分分 粘土瓦 水泥瓦 石棉水泥瓦 钢丝网水泥瓦 聚氯乙烯瓦 玻璃钢瓦 沥青瓦等按形状分 平瓦 波形瓦目前粘土瓦 小青瓦 脊瓦和平瓦粘土瓦只能应用于较大坡度的屋面 粘土瓦缺点 材质脆 自重大 片小 施工效率低 且需大量木材等 在现代建筑使用比例已逐渐下降 常用砌体材料及规格 砌体墙 砌筑块材 粘结材料 砌筑砂浆 41 中国瓦的生产比砖早 西周时期就形成了独立的制陶业 西汉时期工艺上又取得明显的进步 瓦的质量也有较大提高 因称 秦砖汉瓦 早期建筑材料之瓦 42 砂 混凝土和砂浆的主要组成材料之一 属大宗材料砂 一般分为天然砂和人工砂天然砂 自然条件作用 主要是岩石风化 而形成的 粒径在4 75mm以下的岩石颗粒人工砂是由岩石轧碎而成 由于成本高 片状及粉状物多 一般不用 早期建筑材料之砂 砂的粗细程度 不同粒径的砂粒混合在一起的平均粗细程度 通常有粗砂 中砂 细砂之分 砂的颗粒级配 砂子大小颗粒的搭配比例若是同样粗细的砂 空隙最大 图 a 两种粒径的砂搭配起来 空隙有所减小 图 b 三种粒径的砂搭配 空隙更小 图 c 43 骨料颗粒级配示意图 a 单一颗粒 b 两种粒径 c 多种粒径 早期建筑材料之砂 结论 砂子的空隙率取决于砂料各级粒径的搭配程度 级配好的砂子 不仅可以节省水泥 还提高了混凝土和砂浆的密实度及强度 砂的粗细用细度模数 x表示 细度模数越大 表示砂越粗 根据细度模数大小范围 把砂划分为粗砂 中砂 2 3 3 0 细砂 特细砂 配置混凝土 优先选用中砂 砖砌体以中砂为宜 光滑抹面及勾缝以细砂为宜砂的含水状态直接影响混凝土或砂浆拌合用水及砂的用量 44 早期建筑材料之砂 砂在自然状态下往往含有一定的水分 其含水状态有四种 见上图 1 完全干燥状态 图 a 在105 5 下烘干 达恒重时的状态 2 风干状态 图 b 也叫气干状态 指砂子含水率和周围湿度达动态平衡时的状态 3 饱和面干状态 图 c 颗粒表面干燥 内部孔隙吸水达饱和时的状态 4 完成湿润状态 图 d 颗粒内部吸水饱和且表面附有吸附水的状态 早期建筑材料之砂 天然石材 采自天然岩石 经过加工或未经加工的石材特性 高抗压强度良好的耐磨性和耐久性加工后表面美观富于装饰性 46 早期建筑材料之石 47 分类 毛石 采石场由爆破直接获得的形状不规划的石块 毛石可用于砌筑基础 堤坝 挡土墙等 乱毛石也可用作毛石混凝土的骨料料石 人工或机械开采 比较规则六面体石块 再略经凿琢而成 一般由致密均匀的砂岩 石灰岩 花岗岩加工而成 早期建筑材料之石 48 分类 饰面石材 用于建筑物内外墙面 柱面 地面 栏杆 台阶等处装修用的石材 从岩石种类可分为大理石和花岗岩两大类 色石渣 也称色石子 由天然大理石 白云石 方解石或花岗岩等石材经破碎筛选加工而成 作为骨料主要用于人造大理石 水磨石 水刷石 干粘石 斩假石等建筑物面层的装饰工程 早期建筑材料之石 49 分类 石子 用途 混凝土中作为粗骨料 路桥工程 铁道工程的路基道渣等分类 碎石和卵石 由天然岩石或卵石经破碎 筛分而得到的粒径大于5mm的岩石颗粒 称为碎石或碎卵石 岩石由于自然条件作用而形成的 粒径大于5mm的颗粒 称为卵石 早期建筑材料之石 50 灰 指石灰和石膏 石灰和石膏是无机胶凝材料 用来将散粒材料 如砂和石子 或块状材料 如砖和石块 粘结为一个整体 石灰 CaO 由石灰石 CaCO3 煅烧分解而成石膏 主要成分CaSO4 早期建筑材料之灰 51 石膏介绍 我国石膏资源丰富 已探明天然石膏储量为471 5亿吨 居世界之首 土木工程中使用最多的石膏品种是建筑石膏 建筑石膏加水后拌制的浆体具有良好的可塑性 建筑石膏具有很好的防火性能 隔热性能和吸音性能 具有良好的装饰性和可加工性 建筑石膏的应用很广 除用于室内抹面 粉刷外 更主要的用途是制成各种石膏制品 常见的有 纸面石膏板 石膏装饰板 纤维石膏板 石膏空心条板 石膏空心砌块和石膏夹心砌块等 石膏还可用来生产各种浮雕和装饰品 如浮雕饰线 艺术灯圈 角花等 石膏制品具有轻质 新颖 美观 价廉等优点 但强度较低 耐水性能差 为了提高石膏的强度及耐水性 近年来我国科研工作者先后研制成功多种石膏外加剂 如石膏专用减水增强剂 给石膏的应用提供了更广阔的前景 53 木材 古老的工程材料 在出现众多新型土木工程材料的今天 木材仍在工程中占有重要地位 特别在装饰领域 分类 原木 锯材 各类人造板材优点 轻质高强 易于加工 如锯 刨 钻等 有较高的弹性和韧性 能承受冲击和振动作用 导电和导热性能低 木纹美丽 装饰性好等 缺点 构造不均匀 各向异性 易吸湿 吸水 因而产生较大的湿胀 干缩变形 易燃 易腐等 早期建筑材料之木 54 木材的主要性质 树木可分为树皮 木质部和髓心 木材主要用木质部 木材的性质包括物理性质和力学性质 如含水率 热胀干缩 密度 强度 抗拉 抗压 抗弯和抗剪等四种强度 其中抗拉 抗压 抗剪强度又有顺纹和横纹之分 顺纹和横纹强度有很大的差别 木材各种强度的关系见表 影响木材强度的主要因素为含水率 一般含水率高 强度降低 温度 温度高 强度降低 荷载作用时间 持续荷载时间长 强度下降 及木材的缺陷 木节 腐朽 裂纹 翘曲 病虫害等 55 2 2近代土木工程材料 钢材水泥混凝土 56 近代土木工程材料之钢材 概述 应用量最大的金属材料 广泛应用于铁路 桥梁 建筑工程等各种结构工程中类别 土木工程用的钢材主要指下面两类 用于钢结构的各种型材 如圆钢 角钢 工字钢等 钢板 管材用于钢筋混凝土中的各种钢筋 钢丝等 57 58 59 钢结构用材 我国钢结构用钢材的钢类主要有普通碳素结构钢和低合金结构钢 普通碳素结构钢 指一般结构钢及工程用热轧板 管 带 型 棒材 现行国家标准是 碳素结构钢 GB700 88 可轧制各种型钢 钢板 钢管与钢筋 低合金结构钢 普通碳素钢的基础上 少量添加若干如硅 锰 钒 钛 铌等合金元素而成 显著提高和改善钢的强度 耐腐蚀性 耐磨性 低温冲击韧性等 应用日益广泛 在诸如大跨度桥梁 大型柱网构架 电视塔 大型厅馆中成为主体结构材料 近代土木工程材料之钢材 国家体育场 国家体育场建筑体形上像鸟巢 可容纳8万人 平面为椭圆形 长轴340m短轴292m 屋盖中间有一个146m 76m的开口 这部分将设计成开合屋盖 采用加肋薄壁箱形截面 总用钢量达16万t 1931纽约帝国大厦完工 102层 高381米 EmpireStateBuilding 1970当时世界最高大厦纽约世界贸易大厦建成 高410米 上海环球金融中心 由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行 保险公司 商社等36家企业 偕同政府系统机构日本海外经济协力基金 OECF 联合投资的上海环球金融中心 总投资逾750亿日元 位于陆家嘴金融贸易区 建筑总面积335 420平方米 地下3层 地上94层 建成后的高度达460米 总用钢量26000t 钢筋混凝土核心筒 外框钢骨混凝土及钢柱 目前正在施工基础 上海金茂大厦 金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5 6亿美元建设的一座88层的超高层大厦 建筑高度420 5米 建筑面积28 9万平方米 于1998年8月28日竣工 总用钢量14000t 钢筋混凝土核心筒 外框钢骨混凝土及钢柱 设计者为美国S O M事务所 央视新台址 央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路 北京商务中心区的核心地段 占地面积18 7万平方米 总建筑面积55万平方米 230m 央视新台址建设工程总投资约50亿元人民币 2003年10月开工建设 2008年正式运行 大连远洋大厦 大连远洋大厦由大连远洋运输公司 中远房地产开发公司与美国ESPIRIT公司联合投资14 8亿人民币开发的集五星级酒店和甲级写字楼为一体的智能大厦 总建筑面积14 8万平方米 其中 A座为五星级酒店 地上51层 总高200 8m 钢筋混凝土核心筒 外框钢框架 设计 加工 安装全部国产化 台北101 长宽各150m 总面积30277m2 塔高508m 世界第一高 26层以上以8层为一单元 主要由巨柱 核心系统及外伸桁架梁 巨柱自地下5层至地上90层 最大尺寸为2 4mx3m 直径5 5m 中670t的阻尼器 高耸建筑电视塔 微波塔 通讯塔等 东方明珠电视塔 东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔 以其468米的高度成为亚洲第一高塔 她于1991年3月开始建造 1994年11月完工 总重量达12万吨 总投资8 3亿元人民币 东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱 太空舱 上球体 下球体 五个小球 塔座和广场组成 电视塔 天线 发射架 管道支架 钢结构 轻型钢结构 容器和其他构筑物 陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐 大连西太平洋石化有限公司1500立方米CF 62钢球罐 油罐 储气罐 海洋平台 75 概述 主要指钢筋 钢筋是土木工程中使用最多的钢材品种之一 其材质包括普通碳素钢和普通低合金钢两大类 钢筋按生产工艺性能和用途的不同可分为 热轧钢筋 冷加工钢筋 热处理钢筋和碳素钢丝 刻痕钢丝和钢绞线等 钢筋混凝土用钢材 近代土木工程材料之钢材 环球金融中心混凝土开浇 受力钢筋 架立筋 箍筋 锚固端 混凝土结构的配筋 钢筋的分类 热轧钢筋钢筋混凝土结构对热轧钢筋的要求 机械强度较高 具有一定的塑性 韧性 冷弯性和可焊性 级钢筋直径8 20mm 为光圆钢筋 HPB235 HRB335 HRB400 HRB500 级钢筋为带肋钢筋 有小直径6 25mm和大直径28 50mm两个系列 78 钢筋的分类 热轧钢筋 级钢筋的强度较低 但塑性及焊接性好 便于冷加工 广泛用做普通钢筋混凝土中的非预应力钢筋 级与 级钢筋的强度较高 塑性及焊接性也较好 广泛用做大 中型钢筋混凝土结构的受力钢筋 级钢筋强度高 但塑性与焊接性较差 适宜作预应力钢筋 79 钢筋的分类 冷加工钢筋 2 冷加工钢筋 常温下对热轧钢筋进行冷拉 冷拔 冷轧等机械加工冷拉钢筋冷拉后钢筋的强度提高 但塑性 韧性变差冷拉钢筋不宜用于受冲击或重复荷载作用的结构冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝是用6 5mm 8mm的碳素结构钢通过拔丝机进行多次强力拉拔而成 冷拔低碳钢丝由于经过反复拉拔强化 强度大为提高 但塑性显著降低 脆性随之增加 已属硬钢类钢筋 81 钢筋的分类 热处理钢筋和碳素钢丝 3热处理钢筋热处理钢筋是用热轧螺纹钢筋经淬火和回火的调质处理而成的 公称直径分别为6mm 8mm 2mm和10mm热处理钢筋目前主要用于预应力混凝土 4碳素钢丝 刻痕钢丝和钢绞线碳素钢丝 刻痕钢丝和钢绞线是预应力混凝土专用钢丝 它们由优质碳素结构钢经过冷加工 热处理 冷轧 绞捻等过程制得 特点 强度高 安全可靠 便于施工 82 钢筋 热轧钢筋 钢绞线 消除应力钢丝 热处理钢筋 热处理钢筋 钢筋的性能 钢材抗拉 抗压 抗弯 抗剪切强度都很高 常温下能承受较大的冲击和振动荷载 有一定的塑性和很好的韧性 钢材具有良好的加工性能 可以铸造 锻压 焊接 铆接和切割 便于装配 建筑用金属材料的发展趋势 以高效钢材为主体的低合金钢将得到进一步的发展和应用 随着冶金工业生产技术的发展 建筑钢材将向具有高强 耐腐蚀 耐疲劳 易焊接 高韧性或耐磨等综合性能的方向发展 各种焊接材料及其工艺将随低合金钢的发展不断完善和配套 84 85 土木工程三大基础材料 钢材 木材 水泥水泥的定义水泥是粉状的水硬性胶凝材料 即加水拌合成塑性浆体 能在空气中和水中凝结硬化 可将其它材料胶结成整 并形成坚硬石材的材料 水泥的分类 见下表 工程中最常用的水泥 硅酸盐系列水泥 国外称波特兰水泥 掺混合材料的水泥 矿渣 火山灰 粉煤灰硅酸盐水泥等 近代土木工程材料之水泥 2020 2 27 86 近代土木工程材料之水泥 硅酸盐水泥和普通水泥的技术特征 细度 水泥颗粒的粗细程度 比表面积应大于300m2 kg凝结时间 初凝 水泥加水拌和起至水泥浆开始失去塑性终凝 水泥加水拌和起至水泥浆完全失去塑性并开始产生强度要求 初凝时间不能过短 终凝时间不能过长 硅酸盐水泥初凝时间 45min 终凝时间 6 5h鉴定 初凝时间不合要求 报废 终凝时间不合要求 不合格 碱含量 按Na2O 0 65K2O计算值表示 不能过大 87 近代土木工程材料之水泥 硅酸盐水泥和普通水泥的技术特征 体积安定性 水泥在硬化过程中 体积变化是否均匀的性能游离氧化钙或氧化镁或石膏含量过多导致安定性不良安定性不合格的水泥应废弃强度 胶砂的强度而不是净浆的强度硅酸盐水泥 42 5 42 5R