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土木工程概论 Introductiontocivilengineering主编 刘永庆王右军天津科学技术出版社 目录 绪论项目一土木工程材料项目二土木工程的基木结构形式项目三房屋建筑与特种结构项目四桥梁工程项目五道路工程项目六铁路工程 目录 项目七地下工程项目八水利与港口工程项目九给水排水工程项目十土木工程荷载项目十一基础工程与地基处理项目十二建筑节能与设备项目十三土木工程灾害及防治 绪论 一 土木工程专业培养目标和人才素质要求二 土木工程概论课程的任务三 土木工程发展历史与展望四 土木工程建设程序与法规五 土木工程分类六 注册师制度 一 土木工程专业培养目标和人才素质要求 一 土木工程和土木工程专业 土木 在中国是一个古老的名词 意指建筑房屋等工事 如把大量建造房屋称作大兴土木 古代建房主要依靠泥土和木料 所以称为土木工程 在国外 土木工程一词是1750年设计建造艾德斯通灯塔的英国人J 斯米顿首先引用的 意即民用工程 以区别于当时的军事工程 至1828年 伦敦土木工程师学会为土木工程下的定义为 CivilEngineering 是利用伟大的自然资源为人类造福的艺术 与中国土木工程的含义相近 故译作土木工程 中国国务院学位委员会在学科简介中将土木工程定义为 土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称 一 土木工程专业培养目标和人才素质要求 土木工程具有以下四个基本属性 1 社会性 土木工程随社会不同历史时期的科学技术和管理水平而发展 2 综合性 土木工程是运用多种工程技术进行勘测 设计 施工工作的成果 3 实践性 由于各种影响土木工程的因素既众多又错综复杂 使得土木工程对实践的依赖性很强 4 技术 经济和艺术统一性 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 一 土木工程专业培养目标和人才素质要求 二 土木工程专业的培养目标随着我国社会经济的发展和加入WTO 土木工程专业人才的需求已完全趋于市场化 并呈现出明显的多样化的特征 首先 是人才市场需求量的扩大 用人企业 单位的类型增多 除设计单位 教育部门 规划部门外 房产企业 一般企事业的基建部门等也都需要一定量的高层次专业人才 其次 职业综合素质能力的要求在强化 除拥有传统教育所注重培养的设计创新能力外 还应具备管理 公共关系 社会协调 自我推销 通力合作等能力素质 符合建筑商品化趋势 有较强的经济意识和效益观念及竞争意识 一 土木工程专业培养目标和人才素质要求 再次 职业范畴及分工在细化 更加层次化 多样化 出现了对专门承接涉外工程项口的设计人员 以及专门从事施工图的设计人才 专门从事方案没计的人才 专门从事AutoCAD及效果图制作的人才等 最后 社会对专业人才的业务范畴要求多样 人才类型与职业不再一一对应 更加社会化 市场化 既要求具备一定相关学科背景知识 能够成为拥有宽口径的复合型人才模式 又具有可变性 适应性的潜能 在择业中具有更大的自主性 在社会竞争中有更多的机会 一 土木工程专业培养目标和人才素质要求 土木工程专业人才的培养面临从教学内容 方法到组织形式与专业实践 工程环境的塑造 职业意识的培养等适合匹配 培养出一种新型的 复合型的 具有广泛社会适应性的应用型人才和创造性人才 培养的目标主要包括以下几个方面 1 综合分析能力的培养学生必须应用所掌握的建筑知识 对不同类型的建筑单元和环境规划进行正确的解释 分析 最终设计出既能解决工程实际问题 又充满新意的空间环境 2 自学能力的培养21世纪 新理论 新技术日新月异 土木工程专业学生要适应社会发展 所学知识要能同步更新 因此 仅仅学习课本知识是远远不够的 还应培养自学能力 一 土木工程专业培养目标和人才素质要求 3 创造性思维和创新能力的培养建筑科技的发展体现了以信息化和国际化为特征的 各国凭借知识资产在世界上进行激烈竞争这一鲜明的时代特征 土木工程专业的发展离不开创新思维和创新能力的培养 当今时代 各类土木工程专业理论层出不穷 多种设计思潮此起彼伏 新型建筑材料不断被发明 先进施工工艺纷纷涌现 建筑科技的发展必须与时俱进 土木工程专业理论必须推陈出新 一 土木工程专业培养目标和人才素质要求 三 对所培养人才的素质要求1 技术素质2 人文素质3 拓宽专业 加强基础和应变能力 二 土木工程概论课程的任务 面对充满挑战的新世纪 知识经济的端倪已在全世界范围显现 知识经济的发展对人才及人才培养的模式提出了更高的要求 土木工程学科同样面临着全面的改革 本书的编写主要是实现两个目标 一是使学生较全面地了解土木工程所涉及领域的内容和发展情况 初步构建专业基础 二是为学生提供一个清晰和有逻辑性的工程学科的基本概念和方法 帮助学生初步树立专业思想和方法 三 土木工程发展历史与展望 一 古代土木工程1 木结构木结构建筑是我国古代建筑史中的光辉一页 它全部由木材质建筑而成 木材也是当时社会历史时期的天然材料 如山西应县木塔 见图0一1 该塔位于山西省应县西街北侧 建于辽清宁二年 公元1056年 原名 佛宫寺释迎塔 因塔身全部用木质构成 俗称 木塔 塔为楼阁式 用优质松木建成 高67 13米 底层直径30米 平面呈八角形 塔高10米 塔的第一层有高10米的释迎像 塔壁上有6幅如来佛像 像及壁画为辽代风格 应县木塔结构设计精巧 保存至今已近千年 是我国现存木结构建筑之最 三 土木工程发展历史与展望 山西应县木塔 三 土木工程发展历史与展望 2 石结构石结构顾名思义是以石头为原材料堆砌而成的 典型的建筑为埃及的金字塔 胡夫金字塔是用上百万块巨石垒起来的 每块石头平均重达2吨 最大的超过160吨 这些巨石是从尼罗河东岸开采出来的 既无起重机装卸 也无轮车运送 在那时开采石头并不容易 因为当时人们并没有炸药 也无钢钎 埃及人当时是用铜或青铜的凿子在岩石上打眼 然后插进木楔 灌上水 当木楔子被水泡胀时 岩石便被胀裂 这样的方法在今天看来也许很笨拙 但在4000多年前 却是很了不起的技术 将石头从采石场运往金字塔工地也极为困难 古代埃及人是将石头装在雪橇上 用人和牲畜拉到口的地 三 土木工程发展历史与展望 护肤金字塔 三 土木工程发展历史与展望 3 砖结构在我国古代 随着社会科学技术水平的发展 砖作为一种强度高的建筑材料而被广泛应用 气势磅礴的万里长城就是个典范 八达岭长城在北京延庆县 是长城的一个隘口 其关城为东窄两宽的梯形 建于明弘治十八年 1505年 嘉靖 万历年间曾修缮 关城有东西二门 均为砖石结构 券洞上为平台 台之南北各有通道 连接关城城墙 台上四周砌垛口 京张公路从城门中通过 为通往北京的要道 从 北门锁钥 城楼左右两侧 延伸出高低起伏 曲折连绵的万里长城 长城全长6700千米 是世界上古老的伟大建筑之一 三 土木工程发展历史与展望 长城 三 土木工程发展历史与展望 二 近代土木工程近代土木工程的历史主要指的是从17世纪中叶至20世纪中叶300年间的历史 它有了以下鲜明的特征 1 有力学和结构理论作指导 2 砖瓦木石等材料应用广泛 钢材 钢筋混凝土 早期预应力混凝土得到发展 3 施工技术进步很大 建筑规模大 建造速度加快 典型的建筑有埃菲尔铁塔 铁塔高320米 分三层 共1711级台阶 分别在离地面57米 115米和276米处建有平台 该塔共用钢铁7000吨 12000个金属部件用250万只铆钉联接起来 三 土木工程发展历史与展望 埃菲尔铁塔 三 土木工程发展历史与展望 三 现代土木工程现代土木工程 20世纪中叶至今 的特点 1 土木工程功能化 2 城市建设立体化 如高层建筑 地下工程 城市高架道路及立交桥 3 交通运输高速化 如高速公路 电气化铁路 长距离海底隧道 4 工程设施大型化 三 土木工程发展历史与展望 苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州 常熟 市之间 路线全长32 4千米 由跨江大桥和南 北岸接线三部分组成 跨江大桥由主跨1088米双塔斜拉桥及辅桥和引桥组成 主桥主孔通航净空高62米 宽891米 满足5万吨级集装箱货轮和4 8万吨级船队通航需要 工程始于2003年6月27日 于2008年6月30日建成通车 三 土木工程发展历史与展望 中国苏通大桥 三 土木工程发展历史与展望 四 未来土木工程未来土木工程的特点如下 1 土木工程将向太空 海洋 荒漠地开拓 2 工程材料向轻质 高强 多功能化发展 3 设计方法精确化 设计工作自动化 4 信息和智能化技术全面引入土木工程 5 土木工程的可持续发展 三 土木工程发展历史与展望 1 太空城市 国际太空站 三 土木工程发展历史与展望 2 智能建筑 美国太平洋设计中心 三 土木工程发展历史与展望 3 绿色建筑 三 土木工程发展历史与展望 五 土木工程的发展趋势土木工程是一门综合性的学科 它跟其他学科的发展息息相关 特别是新材料 新技术等方面的发展 往往会给土木工程的发展带来契机 未来土木工程的发展将围绕以下几个方面 1 建筑材料轻质高强化 2 施工技术工业化 装配化 3 设计理论精确化 科学化 三 土木工程发展历史与展望 4 计算分析方法上由线性分析转为成熟的更接近真实的非线性分析 由平面分析到空间分析 由单个分析到综合分析 由静态分析到动态分析 工程设计施工中由经验定值分析到随机分析最终到随机过程分析 由数值分析到模拟试验分析 同时各种辅助工具也相继应用到土木工程领域中 如计算机辅助设计 优化设计等 四 土木工程建设程序与法规 一 土木工程建设程序依照我国现行工程建设程序法规的规定 我国工程建设程序共分五个阶段 每个阶段又包含若干环节 1 工程建设前期阶段 决策分析 投资意向 主要内容包括投资机会分析 项口建议书 可行性研究 包括初步可行性研究 审批立项 2 工程建设准备阶段 规划 主要内容包括获取土地使用权 拆迁 报建 工程承包发包 3 工程建设实施阶段 勘察设计与施工 主要内容包括设计文件审批 施工准备 工程施工 生产准备 四 土木工程建设程序与法规 4 工程验收与保修阶段 竣工验收 主要内容包括工程验收 工程保修 5 终结阶段 生产运营 主要内容包括交付使用 投资后评价 二 土木工程建设法规简介建设法规是指国家权力机关或其授权的行政机关制定的 旨在调整国家及其有关机构 企事业单位 社会团体 公民之间在建设活动中或建设行政管理活动中发生的各种社会关系的法律 法规的统称 四 土木工程建设程序与法规 三 掌握工程建设法规的意义掌握建设法规有很重要的现实意义 1 掌握建设法规所涉及的法律 法规的基本概念 建设活动的基础建筑程序 2 熟悉建筑活动中的勘察 设计 施工 监理所涉及的法规及分类 并能在实践中逐渐加深对其理解和选用 3 明确建筑法规在我国建筑活动中的地位 作用和实施方法 并能及时掌握我国新颁布的相应法律 法规 为达到上述目的 建筑法规课程要借助许多相关的相邻专业学科 如城市规划 钢筋混凝土 砖石结构 建筑材料 水工建筑物 港口建筑物 钢结构 地基基础和建筑施工等 四 土木工程建设程序与法规 4 掌握建设法规体系 工程建设程序 工程建设执业资格 城市规划 工程勘察设计 工程发包与承包 工程建设施工 工程建设监理 职业资格制度暂行规定等各个方面的内容 五 土木工程分类 我国将土木工程分为如下分支 房屋工程 铁路工程 道路工程 机场工程 桥梁工程 隧道及地下工程 特种工程结构 给排水工程 城市供热供燃气工程 交通工程 环境工程 港口工程 水利工程等学科 其中有些分支 如水利工程 由于自身工程的不断增多及专门科学技术的发展 也已从土木工程中分化出来成为独立的学科体系 但在很大程度上仍具有土木工程的共性 美国将土木工程概括为五个方面 建筑工程 交通运输工程 近海和水利工程 动力工程 公共卫生工程 六 注册师制度 一 注册结构师所谓注册结构工程师 是指取得中华人民共和国注册结构工程师执业资格证书和注册证书 从事房屋结构 桥梁结构及塔架结构等工程设计及相关业务的专业技术人员 注册结构工程师分为一级注册结构工程师和二级注册结构工程师 注册结构工程师的执业范围 结构工程设计 结构工程设计技术咨询 建筑物 构筑物 工程设施等调查和鉴定 对本人主持设计的项口进行施工指导和监督 建设部和国务院有关部门规定的其他业务 六 注册师制度 二 注册建造师建造师是以专业技术为依托 以工程项口管理为主业的执业注册人员 近期以施工管理为主 建造师是懂管理 懂技术 懂经济 懂法规 综合素质较高的复合型人员 既要有理论水平 又要有丰富的实践经验和较强的组织能力 建造师注册受聘后 可以建造师的名义担任建设工程项口施工的项目经理 从事其他施工活动的管理 从事法律 行政法规或国务院建设行政主管部门规定的其他业务 六 注册师制度 建造师经注册后 有权以建造师名义担任建设工程项口施工的项口经理及从事其他施工活动的管理 建造师的执业范围 担任建设工程项口施工的项口经理 从事其他施工活动的管理工作 法律 行政法规或国务院建设行政主管部门规定的其他业务 六 注册师制度 三 注册监理工程师全国监理工程师执业资格考试是由人事部 住房和城乡建设部 原建设部 共同组织的全国统一的执业资格考试 考试分4个科口 采用闭卷形式 工程建设监理案例分析 科口为主观题 工程建设合同管理 工程建设质量 投资 进度控制 工程建设监理基本理论和相关法规 三个科口均为客观题 四 造价工程师 五 注册土木工程师 岩土 六 注册土木工程师 港口与航道工程 项目一土木工程材料 了解土木工程材料的种类 了解土木工程材料的基本性质 熟悉天然石材 砖 瓦的特性熟悉无机胶凝材料的特性熟悉混凝土与砂浆的特性 熟悉建筑钢材的特性熟悉木材的特性熟悉建筑防水堵水材料 绝热材料 吸声材料 建筑装饰料的特性 了解建筑功能材料的发展 任务一概述 本任务主要学习土木工程材料的分类 土木工程材料的品种很多 一般分为金属材料和非金属材料两大类 金属材料包括黑色金属 钢 铁 与有色金属 非金属材料 按其化学成分 则有无机 矿物质 与有机之别 材料也可按功能分类 一般分为结构材料 承受荷载作用的材料 如基础 柱 梁所用的材料 和功能材料 具有其他功能的材料 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 还可按用途分类 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 工程上通常根据材料组成物质的种类及化学成分将材料分为三大类 任务一概述 土木工程材料的发展必将推动土木工程飞跃式的发展 土木工程的三次飞跃是基于砖瓦的出现 钢材的大量运用 混凝土的兴起 未来的土木工程必将对材料在原材料 生产工艺 性能及产品形式诸方面提出更高的要求和挑战 在原材料方面要充分利用再生资源和工业废料 在生产工艺方面要大力提高现代技术 降低能耗和环境污染 在性能方面要力求轻质 高强 耐久 绿色及多功能 在产品形式方面要积极发展预制技术 逐步提高构件化 单元化水平 任务二土木工程材料的基本性质 一 材料的基本物理性质 1 材料的密度 表观密度和堆积密度 2 孔隙率和空隙率 3 亲水性和憎水性 4 吸湿性和吸水性 5 耐水性 6 抗渗性与抗冻性 7 导热性 热容量和耐燃性 任务二土木工程材料的基本性质 二 材料的基本力学性质1 强度在外力作用下 材料抵抗破坏的能力称为强度 据外力作用方式的不同 材料的强度有抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 或抗折强度 及抗剪强度等形式 任务二土木工程材料的基本性质 2 弹性与塑性材料在外力作用下产生变形 当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性 材料在外力作用下产生变形 当外力去除后 有一部分变形不能恢复 这种性质称为材料的塑性 弹性变形与塑性变形的区别在于 前者为可逆变形 后者为不可逆变形 材料的弹性与塑性与材料承受的荷载大小有关 任务二土木工程材料的基本性质 3 韧性与脆性材料受外力作用 当外力达一定值时 材料突然发生破坏 且破坏时无明显的塑性变形 这种性质称为脆性 材料在冲击或振动荷载作用下 能吸收较大的能量 同时产生较大的变形而不破坏 这种性质称为韧性 4 硬度硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力 金属材料等的硬度常用压入法测定 如布氏硬度法 是以单位压痕面积上所受的压力来表示 陶瓷等材料常用刻划法测定 一般情况下 硬度大的材料强度高 耐磨性较强 但不易加工 所以 工程中有时用硬度来间接推算材料的强度 任务二土木工程材料的基本性质 三 材料的耐久性与环境协调性1 材料的耐久性材料在长期使用过程中 能保持其原有性能而不变质 不破坏的性质 称为耐久性 它是一种复杂的 综合的性质 包括材料的抗冻性 耐热性 大气稳定性和耐腐蚀性等 材料在使用过程中 除受到各种外力作用外 还要受到环境中各种自然因素的破坏作用 这些破坏作用可分为物理作用 化学作用和生物作用 要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素 综合考虑其耐久性 并根据各种材料的耐久性特点 合理地选用 任务二土木工程材料的基本性质 2 材料的环境协调性土木工程材料的环境协调问题日益受到重视 材料的环境协调性是指材料在生产 使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷 包括生产中废物的利用 减少三废的产生 使用中减少对环境的污染以及废弃时有较高的可回收率 任务二土木工程材料的基本性质 四 材料的组成 结构 构造及其对性能的影响1 材料的微观结构及其对材料性质的影响材料的微观结构是指物相的种类 形态 大小及其分布特征 它与材料的强度 硬度 弹塑性 熔点 导电性 导热性等重要性质有着密切关系 土木工程材料的使用状态均为固体 固体材料的相结构基本上可分为晶体 玻璃体 胶体三类 不同结构的材料各具不同特性 材料的化学组成相同 微观结构的筹别将导致材料性能的较大差异 任务二土木工程材料的基本性质 2 材料的宏观构造及其对性能的影响材料的宏观构造是指可用肉眼观察到的外部和内部结构 土木工程材料常见的构造形式有 密实构造 多孔构造 纤维构造 层状构造 散粒构造和纹理构造 任务三天然石材 砖 瓦 一 天然石材 1 毛石 2 料石 3 饰面石材 4 色石 5 混凝土 二 砖砖是一种常用的墙体材料 砖瓦的生产和使用在我国历史悠久 有 秦砖汉瓦 之称 制砖的原料容易取得 生产工艺比较简单 价格低 体积小便于组合 黍占土砖还有防火 隔热 隔声 吸潮等优点 所以 砖至今仍然广泛地用于墙体 基础 柱等砌筑工程中 任务三天然石材 砖 瓦 砖按照生产工艺分为烧砖和非烧结砖 按所用原材料分为豁土砖 页岩砖 煤研石砖 粉煤灰砖 炉渣砖和灰砂砖等 按有无孔洞分为空心砖 多孔砖和实心砖 任务三天然石材 砖 瓦 三 瓦瓦 一般指豁土瓦 以豁土 包括页岩 煤研石等粉料 为主要原料 经泥料处理 成型 干燥和焙烧而制成 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 故称 秦砖汉瓦 豁土瓦的生产工艺与豁土砖相似 但对豁土的质量要求较高 如含杂质少 塑性高 泥料均化程度高等 我国目前生产的豁土瓦有小青瓦 脊瓦和平瓦等 任务四无机胶凝材料 四 石灰1 石灰的生产及分类 1 生石灰粉 石灰在制备过程中 采用石灰石 白云石 白要 贝壳等原料经锻烧后 即得到块状的生石灰 生石灰粉是由块状生石灰磨细生成 2 消石灰粉 将生石灰用适量水经消解和干燥而成粉末 主要成分为Ca OH 2 称为消石灰粉 3 石灰膏 将块状生石灰用过量水 为生石灰体积3 4倍 消解 或将消石灰粉和水拌和 所得到的一定稠度的膏状物 主要成分为Ca 0H 2和水 任务四无机胶凝材料 2 石灰的熟化与硬化生石灰 Ca0 与水反应生成氢氧化钙的过程称为石灰的熟化 石灰浆体的硬化包括干燥结晶和碳化两个过程 后者过程缓慢 3 石灰的性质与技术要求石灰的主要性质有 可塑性好 硬化较慢 强度低 硬化时体积收缩大 耐水性差 吸湿性强 4 石灰的应用石灰在建筑上的用途很广 主要用于制作石灰乳涂料配制混合砂浆 拌制石灰土和石灰三合土生产硅酸盐制品等 任务四无机胶凝材料 二 石膏1 石膏的种类 1 天然二水石膏 2 化工石膏 3 天然无水石膏 4 建筑石膏 半水石膏 5 高强石膏 任务四无机胶凝材料 2 建筑石膏的性质与应用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 防火性能 隔热性能和吸声性能 并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 广泛应用于各种装修装饰工程 常见的石膏制品有 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 任务四无机胶凝材料 石膏制品 室内装饰 任务四无机胶凝材料 三 水泥1 水泥的分类水泥按其用途及性能分为通用水泥 特性水泥和专用水泥 水泥按其主要水硬性物质名称分为硅酸盐系水泥 波特兰水泥 铝酸盐系水泥 硫铝酸盐系水泥 氟铝酸盐系水泥 磷酸盐系水泥以及以火山灰质潜在水硬性活性材料为主要组分的水泥 2 通用水泥通用水泥是指用于一般土木建筑工程的硅酸盐系列水泥 根据国家标准规定 凡以硅酸盐水泥熟料为主要成分 活性或非活性混合材料 适量石膏按一定比例混合磨细制成的水硬性胶凝材料 称为硅酸盐系水泥 根据活性或非活性混合材料的种类和比例不同 硅酸盐系水泥主要品种有硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等 任务四无机胶凝材料 3 特性水泥和专用水泥 1 快硬硅酸盐水泥 2 快凝快硬硅酸盐水泥 3 白色硅酸盐水泥 4 高铝水泥 5 膨胀水泥 6 中热水泥和低热矿渣水泥 7 道路水泥 任务四无机胶凝材料 4 水泥的储存 运输和保管 1 分类储存 2 防潮防水 3 储存期不宜过长 任务五混凝土与砂浆 一 混凝土混凝土是当代最主要的土木工程材料之一 它是由胶结材料 骨料和水按一定比例配制 经搅拌振捣成型 在一定条件下养护而成的人造石材 混凝土具有原料丰富 价格低廉 生产工艺简单的特点 使用量越来越大 同时混凝土还具有抗压强度高 耐久性好 强度等级范围宽的特点 使其使用范围十分广泛 1 混凝土的种类与发展混凝土的种类很多 按胶凝材料不同分为水泥混凝土 沥青混凝土 石膏混凝土及聚合物混凝土等 按表观密度不同分为重混凝土 普通混凝土 轻混凝土 任务五混凝土与砂浆 2 普通混凝土 1 组成材料与结构 普通混凝土是由水泥 粗骨料 碎石或卵石 细骨料 砂 和水拌和 经硬化而成的一种人造石材 砂 石在混凝土中起骨架作用 并抑制水泥的收缩 水泥和水形成水泥浆 包裹在粗细骨料表面并填充骨料间的空隙 水泥浆体在硬化前起润滑作用 使混凝土拌合物具有良好丁作性能 硬化后将骨料胶结在一起 形成坚固的整体 任务五混凝土与砂浆 2 主要技术性质 1 和易性2 强度3 混凝土的变形4 混凝土耐久性 任务五混凝土与砂浆 二 砂浆砂浆是由胶凝材料 细骨料和水等材料按适当比例配制而成的 砂浆与混凝土的区别在于不含粗骨料 可认为砂浆是混凝土的一种特例 也可称为细骨料混凝土 砂浆常用的胶凝材料有水泥 石灰 石膏 按胶凝材料不同砂浆分为水泥砂浆 石灰砂浆和混合砂浆 混合砂浆有水泥石灰砂浆 水泥豁土砂浆和石灰豁土砂浆等 按用途分为砌筑砂浆 抹面砂浆 装饰砂浆 防水砂浆和其他特种砂浆等 任务五混凝土与砂浆 1 砌筑砂浆用于砖石砌体的砂浆称为砌筑砂浆 它起着传递荷载的作用 是砌体的重要组成部分 普通水泥 矿渣水泥 火山灰质水泥等常用品种的水泥都可以用来配制砌筑砂浆 通常为改善砂浆的和易性和节约水泥还常在砂浆中掺入适量的石灰或豁土膏浆而制成混合砂浆 根据砂浆的抗压强度划分的若干等级 称为砂浆的强度 表示 其强度等级分别为M2 5 M5 0 M7 5 M10 M15并以 M 和应保证的抗压强度值 兆帕 M20 影响砂浆强度的因素有材料性质 配合比 施工质量等 此外还受被豁结块体材料的表面吸水性影响 任务五混凝土与砂浆 2 抹面砂浆 1 普通抹面砂浆 2 装饰砂浆 3 防水砂浆 4 其他特种砂浆 任务六建筑钢材 一 建筑钢材的主要性能钢材是在严格的技术控制条件下生产的 品质均匀致密 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 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 通过热处理方法 可以在很大范围内改变或控制钢材的性能 采用各种型钢和钢板制作的钢结构 具有自重小 强度高的特点 钢筋与混凝土组成的钢筋混凝土结构 虽然自重大 但节省钢材 由于混凝土的保护作用 克服了钢材易锈蚀 维护费用高的缺点 任务六建筑钢材 型钢制作的钢结构 任务六建筑钢材 二 土木工程常用的钢材1 钢结构用钢材钢结构用钢材主要有普通碳素结构钢和低合金结构钢 1 碳素结构钢 碳素结构钢指一般结构钢及工程用热轧板 钢管 钢带 型钢 棒材 按GB700 1988 碳素结构钢 控制其性能 2 低合金结构钢 普通低合金结构钢一般是在普通碳素钢的基础上 添加少量若干合金元素而成 如硅 锰 钒 钦 妮等 加入这些合金元素可使钢的强度 耐蚀性 耐磨性 低温冲击韧性等得到显著提高和改善 在土木工程中普通低合金结构钢的应用日益广泛 如在大跨度桥梁 大型柱网构架 电视塔 大型厅馆中成为主体结构材料 任务六建筑钢材 2 钢筋混凝土用钢材 1 热轧钢筋 2 冷加工钢筋 3 热处理钢筋 4 碳素钢丝 刻痕钢丝和钢绞线 任务七木材 一 木材的分类与构造木材是由树木加工而成的 树木分为针叶树和阔叶树两大类 针叶树树干通直而高大 易得大材 纹理平顺 材质均匀 木质较软而易于加工 故又称为软木材 常用树种有松 杉 柏等 阔叶树树干通直部分一般较短 材质较硬 较难加工 故又称为硬木材 常用树种有愉木 水曲柳 柞木等 任务七木材 二 木材的主要性质木材的性质包括物理性质和力学性质 如含水率 热胀干缩 密度和强度等 强度包括抗压 抗拉 抗弯和抗剪四种 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 任务八其他功能材料 一 建筑防水堵水材料防水材料是指具有防止建筑工程结构免受雨水 地下水 生活用水侵蚀的材料 建筑防水材料依扶其外观形态可分为防水卷材 防水涂料 密封材料和刚性防水材料四大系列 1 防水材料的性能与选用防水卷材是建筑工程防水材料的主要品种之一 目前我国防水卷材是使用量最大的防水材料 其主要指标有耐水性 温度稳定性 机械强度 延伸性 柔韧性和大气稳定性 口前的防水卷材主要包括沥青防水卷材 高聚物改性沥青防水卷材和合成高分子防水卷材三大类 主要品种有石油沥青纸胎油毡 SBS改性沥青防水卷材 聚氯乙烯防水卷材等 任务八其他功能材料 2 建筑堵水材料建筑堵水材料主要用于房屋建筑 构筑物 水工建筑等在有水或潮湿环境下的防水堵漏 需满足带水操作的施工要求 按施工方式 建筑堵漏止水材料分为灌浆材料 如水溶性聚氨醋注浆材料 硅酸盐水泥超早强外掺剂 硫铝酸盐型地质勘探水泥 硫铝酸盐超早强膨胀水泥 柔性嵌缝材料 如止水橡皮及橡胶止水带 自黍占性橡胶 丁基不干性密封材料 塑料止水带 刚性止水材料和刚性抹面材料 如无机复合堵漏剂 无机铝盐防水剂 有机硅防水砂浆 阳离子氯丁胶乳 水泥防水砂浆等 任务八其他功能材料 二 绝热材料在建筑中 习惯上把用于控制室内热量外流的材料叫作保温材料 把防止室外热量进入室内的材料叫作隔热材料 保温 隔热材料统称为绝热材料 1 绝热材料的性能要求 1 材料组成 2 微观结构 3 孔隙率 4 孔隙特征 5 含水率 任务八其他功能材料 三 吸声材料当声波遇到材料表面时 被吸收声能与入射声能之比 称为吸声系数 通常取125赫兹 250赫兹 500赫兹 1000赫兹 2000赫兹 4000赫兹六个频率的吸声系数来毒示材料的吸声频率特性 凡六个频率的平均吸声系数大于0 2的材料 称为吸声材料 四 建筑装饰材料建筑上把主要起隔绝声音作用的材料称为隔声材料 隔声材料主要用于外墙 门窗 隔墙以及隔断等 隔声可分为隔绝空气声 通过空气传播的声音 和隔绝固体声 通过撞击或振动传播的声音 两类 两者的隔声原理截然不同 任务八其他功能材料 1 建筑装饰材料的分类建筑装饰材料通常按照在建筑中的装饰部位分类 也有按材料的组成来分类 常用的建筑装饰材料有由木材 塑料 石膏 铝合金 铝塑等制作的装饰材料 此外还有涂料 玻璃制品 陶瓷 饰面石材等 2 建筑装饰材料的基本要求建筑装饰材料的基本要求除了颜色 光泽 透明度 表面组织及形状尺寸等美感方面外 还应根据不同的装饰口的和部位 要求具有一定的环保 强度 硬度 防火性 阻燃性 耐水性 抗冻性 耐污染性 耐蚀性等要求 任务八其他功能材料 3 常用的建筑装饰材料 1 建筑玻璃 2 建筑陶瓷 3 建筑装饰涂料 4 装饰石材 5 建筑塑料装饰制品 项目二土木工程的基木结构形式 熟悉板 梁 柱的定义与特性熟悉拱 桁架 框架的定义与特性 任务一板 梁和柱 板 梁主要是用来承受弯矩 因此又称受弯构件 柱则主要是用来承受压力 因此称受压构件 人类使用梁 柱为自己服务可能是最早的 仰韶文化时期 人类所架设的简易居室中 在泥墙内的小树干上架设承受屋面重的另一些树干即起着梁式构件的作用 而泥墙中的树干则为受压柱 板或梁两端支承在支座上以承受荷载 一端为不动铰 另一端为活动铰 这即所谓计算简图 这种支承称为简单支承或简支 梁在荷载下各截面内将产生弯矩M和剪力U 因而将产生弯曲变形 挠度 任务一板 梁和柱 柱承受荷载可能是轴心受压 即荷载沿构件轴线作用 图2 2 a 但更多场合下为偏心受压 即这时为偏心受压构件 图2 2 b 当构件上作用拉力时即为轴心受拉构件 如屋架下弦 拉力作用点偏心时 则为偏心受拉构件 图2 2 c 偏心受压和偏心受拉构件统称为偏心受力构件 任务一板 梁和柱 当构件所受弯矩不作用在截面对称轴的平面内时 用有弯矩 故通称双向受弯构件 当受压或受拉构件还同时作用有两个方向的弯矩时 为斜向受弯构件 即这时在两个对称轴方向均作即为双向偏心受压或双向偏心受拉构件 以上几种构件为土木工程结构中的基本构件 任务二拱 人类是在生活实践中发现拱结构的 这应是出现砌体结构以后的事 古代要从在已砌好的墙内开洞从不断的实践中发现 起初墙体材料可能向下散落 待洞成为某种形式即不再向下散落 这即是拱的雏形 后来在砌墙留洞时即有意识地砌成拱形 所以最早往往做成尖或为多圆心拱 后来逐渐发展为单曲线的圆弧拱和抛物线拱等 任务三桁架 桁架有铰接的和刚接的 一 铰接桁架在图2 10 a 所示四边形体系中 其中四个节点 节点即两个及两个以上的杆件交汇的点 各有一个可活动的铰 此外 一个杆件中部还加设一个铰 当荷载作用后 这个机构将是几何可变体系 因而是不稳定的 因为它在不改变杆件长度而可任意改变其形状 假定在中间节点和左上端节点间加一杆件如图2 10 b 所示 这时左部分成为三角形 它在荷载下是稳定的 但右边四边形部分仍为几何可变体系 任务三桁架 当再加一杆件后 原机构则成为三个三角形体系 它在荷载作用下将是稳定的 如图2 10 c 所示 这便是桁架结构 即铰接桁架是由许多三角形组成的 任务三桁架 图2 14为几种类型式的屋盖桁架 图2 14 a 桁架一般用于跨度不大的情况 其余用于较大跨度 任务三桁架 屋盖由许多片横向 沿房屋跨度方向 桁架组成 为了增强屋盖整体刚度 各片桁架间设有支撑 纵向及横向上下弦水平支撑和竖向支撑 柱间也设有纵向柱间支撑 但因各片桁架所受屋面荷载基本相同 计算时取出一片来算 亦即将其作为平面桁架来考虑 即其受力是在一个平面内的 如果房屋接近方形时 当在纵向按受力计算也布置桁架 使其支承在两端山墙柱上 则构成空间桁架 任务三桁架 任务三桁架 二 刚接桁架当钢板梁桥跨度很长时 腹板用料将占很大比重 如果将腹板挖成空格 则成空腹桁架 如图2一17所示 最早出现的这种桁架是18 年比利时布鲁塞尔世界博览会上的32米空腹桁架桥 由于节点系刚接 故在荷载下不至像铰接桁架那样变成几何可变体系 这种桁架也可用于屋盖 刚接桁架的节点应予加强以保证在荷载下变形时杆件内的相对转角为零 即不发生相对转动 在上述刚接空腹桁架杆件内除轴向力外 还将产生弯矩 并由弯矩引起剪力 任务三桁架 在上述铰接桁架中节点实际也不是做成真正活动的铰 由于变形 旋转 受到约束 在节点处亦将产生一定的弯矩 但这种弯矩所产生的应力与主要应力即轴向力所产生的应力比较 它们将是次要的 所以称为次弯矩或由此所产生的应力称为次应力 一般情况下 次应力的影响不大 可不予考虑 必要时则需计算 任务四框架 一 排架装配式钢筋混凝土单层厂房 屋面承重结构 梁或屋架 与柱的连接是按铰接考虑的 因为它是通过埋设在梁或屋架底部和柱顶预埋钢板焊接或用螺栓连接的在砌体结构单层厂房中砌体顶也是铰接的 焊板上的锚筋则需锚固在砌体顶部的钢筋混凝土垫板内 在荷载 屋面荷载或风荷载和吊车荷载等 作用下 梁 柱在节点处不可能共同旋转 即各自的旋转为自由 因此这种连接的节点只能视为铰接 所以这种框架即为铰接的框架 一般称之为排架 任务四框架 排架结构 任务四框架 二 刚架当柱和梁整体连接 则形成刚接 刚架包括单层简单刚架 单层复式刚架 多层简单刚架和复式刚架 项目三房屋建筑与特种结构 了解工程结构的结构作用 了解居住建筑与房地产业 熟悉高层建筑发展的背景 熟悉世界与中国著名的高层建筑 熟悉电视塔 输电塔架 纪念性高耸结构 风力发电与太阳能发电等高耸结构的特点 熟悉大跨结构与交通枢纽 熟悉海上采油平台 核电站 南极考察站 航天发射塔等近代特种结构 任务一土木工程综述 土木工程是工程分科之一 是一个古老的学科 它指采用工程材料 如土 石 砖 木 混凝土 塑料和各种金属等修建房屋 道路 铁路 桥涵 隧洞 河 港 特种结构和市政卫生工程等的生产活动和工程技术 随着工程建设和科学技术的发展 土木工程又逐渐分成一些专门分科 例如专门研究工程材料或建筑材料的分科 有关修建房屋的建筑工程 有关修建路桥的为交通工程 有关修建河 港 水坝 灌溉渠道的水利工程等 任务二工程结构的结构作用 工程结构是为了抗御外部作用而建设的 例如房屋要抵抗自重和作用其上的活荷载 如设备和人群荷载以及风 雪荷载 必要时还需考虑地震作用 桥梁除主要抵抗自重和车辆等活荷载外 有时还需考虑漂浮物对桥墩的压力 水压力和船只的撞击力 也包括必要时考虑风和地震作用 结构作用是指结构在外部作用 荷载或其他影响 如温度等 下所受的应力状态或产生的变形行为 也就是通过不同的应力状态或变形行为来承受这项外部作用 而将其所承受的荷载传至其支承结构 再传至基础 通过基础传至地基 也就是研究传力路线问题 结构作用也称结构机理 任务三居住建筑与房地产业 一 房地产业可以引发金融海啸居住建筑是房屋建筑发展最早也最量大面广的建筑群 在行业上有一个通称叫房地产业 是国民经济的富集产业 我国由于人口众多 无论新中国成立前后 人们居住条件都是很差的 新中国成立后这个问题又没有给予充分的重视 两代人甚至三代人同住一室的事并不鲜见 改革开放之后 市场经济的引入使房地产业有了一个很大的发展 在国民经济中日益呈现出它作为支柱产业的作用 先不说我们是发展中国家 住宅又长期欠债太多 即使美国这样的超级大国 房地产业也是它的支柱产业 2008年9月由美国开始的金融海啸就是从房地产业开始的 2008年9月7日 曾占据美国房贷市场半壁江山的房利美和房地美因次贷危机破产 不得不被美国政府接管 任务三居住建筑与房地产业 三 加大民生工程的投入应对经济危机金融风暴导致了非常严重的全球性经济危机 2008年10月掀起了一场全球性的联合救市行动 我国是负责任的大国 也积极地参与这场联合性的救市行动 我国于2008年11月出台了一个4万亿元人民币的投资计划 几乎全部用于民生工程 任务三居住建筑与房地产业 四 住宅建筑的发展趋势1 城市住宅向多高层发展由于城市集约度的需要 在城市中的人口越来越多 而土地又不能无限制地使用 因此 世界上任何一个国家的大城市 住宅建筑多数还是以多层和高层为主 我国规定8 9层以下为多层 高于9层则属于高层 任务三居住建筑与房地产业 四 住宅建筑的发展趋势2 住宅建筑日益商品化随着人民生活的提高和改革开放的深化 我国住宅建筑逐渐显示出向高标准和商品化发展的趋势 这在东部沿海的发达城市尤其明显 任务四高层建筑 一 高层建筑发展的背景1 城市集约度的要求工业革命以后 世界上已经出现了许多相当规模的城市 到了近代 百万人口甚至千万人口的大城市差不多遍布全球了 人这么多又要近距离活动 首先想到的自然是向高处发展 2 材料的发展和进步这是修建高层建筑的最重要的基础 1824年英国的波特兰发明了水泥 不久后 1856年又生产出第一炉转炉炼钢 水泥钢材的发明和大量生产引发了一场土木工程的革命 高层建筑离开这些近代材料是不可想象的 任务四高层建筑 一 高层建筑发展的背景3 力学分析和结构体系的发展力学理论和力学分析的发展导致了高层建筑体系的大改进 长期以来盖房子采用的是框架结构体系 可以说1965年以前 绝大部分钢结构高层建筑是框架结构 美国杰出的营造大师 SkidmoreOwingsandMerrill设计公司的FalurRahmanKhan博士实现了结构体系的革命 发明了新的结构体系 Khan发明了简体体系 包括框筒 桁架筒 筒中筒和束筒结构 任务四高层建筑 任务四高层建筑 一 高层建筑发展的背景4 高强混凝土的使用高强混凝土的发明是近50年来建筑材料方面最重要的进展 人们习惯于称C50以上的为高强混凝土 随着科技的发展 现在实际使用中高达C80的混凝土也不罕见 高强混凝土用于高层建筑有许多优点 如减小柱的截面 增大可用空间 降低层高 减轻结构自重 降低基础造价等 5 消能隔震技术的发明和使用高层建筑与传统的多层建筑最重要的问题之一是对侧向荷载的敏感和由此带来的风险 建筑中的侧向荷载主要是地震和风荷载 为此而采取的措施在土木界称为结构控制 任务四高层建筑 一 高层建筑发展的背景结构控制是指在建筑结构中设置控制系统或装置 以减小结构在风或地震作用下的反应 结构控制可以分为主动控制 被动控制 半主动控制和混合控制四大类 实际工程中应用最多的是被动控制 被动控制包括基础隔震 消能减振 震 和吸能减振 震 任务四高层建筑 二 世界高层建筑1998年 马来西亚吉隆坡建成了当时世界上最高的建筑 石油双塔 ThePetronasTwinTowers 88层 实为95层 452米高 钢筋混凝土框架一核心筒结构 采用高强混凝土 自下而上混凝土强度从80兆帕变化至40兆帕 采用钢梁 压型钢板和现浇混凝土组合楼盖 任务四高层建筑 三 中国高层建筑 一 已建和在建的典型高层建筑1 上海金茂大厦该大厦1999年建成 高421米 88层 建筑面积29万平方米 钢筋混凝土结构 外侧8个巨型组合柱 连接混凝土核心筒 下层混凝土为C60 上层混凝土为C50 主楼垂直度偏差为1 20000 2 上海第一高楼 上海中心 上海中心 设计总高度达632米 位于浦东小陆家嘴地区 总投入将达148亿元 在2010年世博会时地下部分封顶 2012年结构封顶且部分投入运营 2014年竣工交付使用 据介绍 上海中心 外观呈螺旋式上升 建筑表面的开口由底部旋转贯穿至顶部 设计方认为这样可减少20 的风阻 任务四高层建筑 三 中国高层建筑3 中国已建成的高层建筑排名 任务四高层建筑 三 中国高层建筑5 对高层建筑的质疑高层建筑越来越多 有人把高于100米的称为超高层建筑或摩天大楼 人民日报有评论认为对城市标志性建筑的 痴迷 是目前超高层建筑风起云涌的主要原因 超高层建筑并不是文明程度的反映 更不是科学智慧的凝结 更多的只是技术的挑战 其实低层建筑能够满足要求的 就不需要建高层 超高层 特大城市在几年 十几年之后会慢慢显现出受发展空间的限制 到时可以再适当地建 任务五高耸结构 一 电视塔随着电视的发展和城市规模的扩大 电视发射源的高度日益增长 很多城市大都有一个很高的电视塔 以高度排名 口前世界上前10位的电视塔依次是 多伦多塔 553米 莫斯科塔 537米 上海东方明珠塔 468米 吉隆坡塔 421米 天津天塔 415米 北京塔 415米 沙特阿拉伯塔 378米 柏林塔 362米 东京塔 333米 法兰克福塔 331米 任务五高耸结构 二 输电塔架相对电视塔来说 输电塔架出现得更早 它是为了远距离高压输电而建造的 我国常用的输电塔形式很多 名称也各异 这种塔多为钢结构 采用圆钢管或型钢均可 从抗风的角度考虑 似乎圆钢管更好一些 但施工比角钢困难 任务五高耸结构 三 纪念性高耸结构1 埃菲尔铁塔举世闻名的具有很强纪念意义的建筑应属法国巴黎的埃菲尔铁塔 2 比萨斜塔另一个颇有名气的纪念性建筑应属意大利的比萨斜塔 此塔最初是为神学需要而建的 但建的过程中出现倾斜 曾间断了两次很长的时间 从1173年开工直到1372年才建成 费时约200年 它是意大利一个著名的参观景点 1987年比萨斜塔被联合国教科文组织收入世界文化遗产名录 埃菲尔铁塔 比萨斜塔 任务五高耸结构 四 风力发电与太阳能发电风力发电机是一种新兴起的高耸建筑 任务六大跨结构与交通枢纽 一 大跨结构 剧场 展览馆等1 悉尼歌剧院悉尼歌剧院由丹麦人恩 乌松设计 悉尼歌剧院外观为3组巨大的壳片 耸立在海边一个南北长186米 东西宽97米的混凝土基座上 2 国家大剧院中国国家大剧院位于天安门广场西 人民大会堂西侧 西长安街以南 由国家大剧院主体建筑及南北两侧的水下长廊 地下停车场 人工湖 绿地等组成 总占地面积11 89万平方米 总建筑面积约16 5万平方米 其中主体建筑10 5万平方米 地下附属设施6万平方米 总投资额31亿元人民币 悉尼歌剧院 国家大剧院 任务六大跨结构与交通枢纽 二 交通枢纽 机场与车站 一 机场机场又称航空港 是航空运输必不可少的交通枢纽 它包括起降跑道 停机坪 航站楼等众多设施及特种车库等辅助设施 1 航站楼从土木工程的角度来展示我国航空业的发展 典型例子应属首都国际机场1号 2号 3号航站楼的陆续建成 2 跑道跑道供飞机起飞和着陆之用 它的长度 宽度及基础的构造要与机场的等级及飞行区的分级相匹配 任务六大跨结构与交通枢纽 T3航空楼夜景 任务六大跨结构与交通枢纽 二 交通枢纽 机场与车站 二 车站陆上运输的交通枢纽主要是火车站 北京是中国的首都 来往旅客最多 1959年建成的北京站 当时是与人民大会堂并列的十大建筑之一 其中央大厅的顶盖是一个40米 40米的双曲钢筋混凝土扁壳 在那个年代 无论就计算分析手段 建筑材料的强度 以及施工技术方面 能实现这样一个庞大的建筑已经十分不易了 但随着社会的发展 特别是改革开放以后 这个车站早已不堪重负 后来又建了北京西站 但很快也客满不敷使用了 北京站夜景 任务七近代特种结构 一 海上采油平台1 中国海上采油事业的发展据中国海上石油总公司 简称 中海油 主要承担我国海上采油气的业务工程 披露 截至2007年已有51个油气田投入生产 我国近海油气田的开发建设水平已经居于世界前列 尤其开发重质稠油油田达到了国际领先水