土木工程概论(姜晨光)第1章-概述

土木工程概论(姜晨光)第1章概述1.1.2土木工程的学科属性“土木工程”是科学与技术的集合体，既具有科学的属性也具有技术的属性。人类对客观世界（比如大自然）的合理探索、揭示和认识称为“科学”。人类改造客观世界（比如大自然）的手段称为“技术”。“技术”有好坏之分，一个好的技术应该在造福人类的同时维持自然的和谐与平衡，一个坏的技术可以将人类引入灭亡的边缘。土木工程就是一种造福人类的技术，土木工程的发展应该注意维持自然的和谐与平衡。1.1.3土木工程的学科分类我国对土木工程科学分类较细，将土木工程科学分成了许多独立的并列学科，这些学科包括土木工程、建筑学、水利工程、交通运输工程、矿业工程、材料科学与工程、力学、等，并对这些并列学科又作了进一步的细分。我国1997年颁布的《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》中，在土木工程一级学科目录下设岩土工程、结构工程、市政工程、供热-供燃气-通风及空调工程、防灾减灾工程及防护工程、桥梁与隧道工程、等6个二级学科，在建筑学一级学科目录下设建筑历史与理论、建筑设计及其理论、城市规划与设计（含∶风景园林规划与设计）、建筑技术科学、等4个二级学科，在水利工程一级学科（共5个二级学科）目录下设水工结构工程、水利水电工程、港口-海岸及近海工程等3个二级学科，在交通运输工程一级学科（共4个二级学科）目录下设道路与铁道工程、交通运输规划与管理、等2个二级学科，在矿业工程一级学科（共3个二级学科）目录下设采矿工程二级学科。1.1.4土木工程解决的主要问题土木工程在国民经济发展中起着非常重要的作用。土木工程需要解决的主要问题可概括为以下4点。（1）、土木工程的根本目的和出发点是构建人类活动所需要的、功能良好的、舒适美观的空间和通道；（2）、土木工程产品能够抵御自然或人为的作用力；（3）、土木工程材料是建造土木工程产品的根本条件，材料所需的资金占土木工程投资的大部分。因此，应充分发挥所采用材料的作用。（4）、通过有效的技术手段、途径和合理的组织手段，利用社会提供的各种物质设备条件“又快、又好、又省”地完成土木工程建设任务。1.1.5土木工程的基本属性土木工程的基本属性可概括为综合性、社会性、实践性、统一性、等4性。1.2土木工程发展简史土木工程的发展可大致分为古代、近代和现代3个历史时期。迄今为止，土木工程历史上曾出现过三次变革型的飞跃。不难理解，对土木工程发展起关键作用的首先是作为工程物质基础的土木建筑材料，其次是相关的设计理论和施工技术。每当出现新的优良建筑材料时，土木工程就会有一个飞跃式的发展。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（中国在公元前十一世纪的西周初期制造出瓦，最早的砖出现在公元前五世纪至公元前三世纪战国时的墓室中）这种人工建筑材料，从而使人类第一次冲破了天然建筑材料的束缚，砖和瓦具有比土更优越的力学性能、易于加工制作、可就地取材。砖、瓦的出现使人们开始广泛地、大量地修建房屋、城防工程、等。由此，引领了土木工程的第一次飞跃，使土木工程技术得到了快速的发展。从砖、瓦的出现直到公元18---19世纪，在长达两千多年的时间里，砖和瓦一直是土木工程的重要建筑材料，为人类文明作出了伟大的贡献，甚至在目前还被广泛使用。钢材的大量应用是土木工程的第二次飞跃。公元十七世纪70年代开始使用生铁，十九世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋，这是钢结构出现的前奏。从公元十九世纪中叶开始，冶金行业冶炼并轧制出了抗拉和抗压强度都很高、延性好、质量均匀的建筑钢材，随后又生产出了高强度钢丝、钢索。于是，适应发展需要的钢结构得以蓬勃发展。除应用原有的梁、拱结构外，新兴的桁架结构、框架结构、网架结构、悬索结构逐渐得以推广，迎来了土木工程结构形式百花争艳的新局面。建筑物跨径也从砖结构、石结构、木结构的几米、几十米发展到钢结构的百米、几百米、直到现代的千米以上，于是，大江、海峡上架起了大桥，地面上建起了摩天大楼和高耸的塔桅，地面上、下铺设了铁路，创造出了前所未有的奇迹。为适应钢结构工程发展的需要，以牛顿力学为基础，材料力学、结构力学、工程结构设计理论等就应运而生。施工机械、施工技术和施工组织设计的理论也随之得到发展，土木工程得以由经验上升为理论（科学），使土木工程科学在工程实践和基础理论方面焕然一新，促成了土木工程科学更迅猛的发展。公元十九世纪20年代，波特兰水泥制成后，混凝土问世了。混凝土骨料可就地取材、混凝土构件易于成型、但混凝土的抗拉强度很低，因而用途受到限制。公元十九世纪中叶以后，钢铁产量激增，随之出现了钢筋混凝土（其中的钢筋承担拉力、混凝土承担压力，发挥各自的优点）这种新型的复合建筑材料，公元二十世纪初以来，钢筋混凝土已广泛应用于土木工程的各个领域。上世纪三十年代出现了预应力混凝土，预应力混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力均大大高于钢筋混凝土结构，因而用途更为广阔。这样，土木工程就进入了钢筋混凝土和预应力混凝土占统治地位的历史时期。混凝土的出现给土木工程带来了新的经济、美观的工程结构形式，也使土木工程产生了新的施工技术和工程结构设计理论。带来了土木工程的第三次飞跃。1.2.1古代土木工程古代土木工程通常是指公元17世纪中叶以前的土木工程，时间跨度很长，大致从新石器时代（约公元前5000～6000年前算起）开始至公元17世纪中叶。在这个历史时期，土木工程所用材料大多就地取材，最早土木工程所用材料大多是当地的天然材料（比如泥土、树干、茅草、砾石），后来才逐步发展到土坯、石材、砖、瓦、木材、青铜、铁以及混合材料（比如草筋泥、混合土等）。“秦砖汉瓦”就是那个历史时期的典型写照，也是我们的先人对人类文明、对土木工程科学的巨大贡献。最早的土木工程建造工具是石斧、石刀等，后来发展到了斧、凿、钻、锯、铲等的青铜和铁制工具，兴起了窑制技术和煅烧技术，出现了简易型打桩机、简易型桅杆式起重机等机械。在这个历史时期，世界各国的土木工程建造几乎全靠经验和身手相传，缺乏理论上的依据和指导，这一时期的土木工程特点可概括为“设计没有理论、修造依靠经验、材料取自天然、工具原始简单”。我国的土木工程建设者为了行业的发展经常借助文字将一些建造经验进行总结归纳和形象描述，这样就有了专门的土木工程著作，比如公元前5世纪的《考工记》（总结了6门工艺、30个工种的技术规则）、公元1100年前后李诫（北宋）编写的《营造法式》（详细阐述了建筑设计方法、建筑施工方法、工料计算方法、等）、明代民间流传的《鲁班经》（介绍了建房的工序和常用的构架形式以及简要的综合知识）、等。在国外，最早的土木工程著作是文艺复兴时期意大利人阿尔伯蒂在1485年前后撰写的《论建筑》，该书对当时流行的欧洲古典建筑在比例、制式、城市规划方面的经验进行了较为系统的总结。由此可见，在古代7000余年的历史长河中，我国的土木工程技术水平一直处于世界领先地位。以下是古代具有代表性的一些著名的土木工程。有据可查的典型古代土木工程项目有（1）中国黄河流域的裴李岗遗址（2）中国黄河流域的仰韶遗址（3）古埃及的金字塔（4）中国的殷墟遗址（5）亚述建筑（6）中国的万里长城（7）中国的大运河（8）中国的都江堰（9）中国的灵渠（10）中国的阿房宫（11）中国的成国渠与白渠（12）各类罗马式与拜占庭式古建筑（13）各类哥特式古建筑（14）莫斯科的克里姆林宫（15）中国历代王朝建造的大量宫殿和庙宇建筑1）故宫；2）明十三陵；…………………………1.2.2近代土木工程近代土木工程通常是指公元17世纪中叶到公元20世纪中叶（第二次世界大战前后），历时300年左右。17世纪以后欧洲各国先后进入资本主义社会，工业革命导致社会经济基础发生了巨大的变革，科学技术出现飞跃式发展，也促进了土木工程的快速发展和巨大进步，牛顿力学的创立奠定了土木工程的力学分析基础，在这一时期，土木工程逐渐形成了一门独立的学科。这一时期土木工程学科的基本特征表现为以下7点。（1）、构建起了学科的理论基础（力学和结构理论）；（2）、新型人工合成建筑材料（混凝土、钢材、钢筋混凝土、早期的预应力混凝土、等）的出现与大规模应用；（3）、传统建筑材料（木、石、砖、瓦、等）的改善与广泛使用；（4）、结构形式（桁架、框架、拱结构、等）的创新、改进和发展；（5）、高层建筑的大量涌现；（6）、施工技术水平的快速提升；（7）、建造规模的迅速膨胀和建造速度的不断提高。这一时期土木工程学科具有里程碑意义的重要科技成就主要有以下13个方面。（1）、科学巨匠伽利略（Galileo，1564-1642，意大利天文学家、力学家、哲学家）1638年发表的《关于两门新科学的叙述与数学研究》首次用公式表达了梁的设计理论，并论述了建筑材料的力学性质和梁的强度。（2）、科学巨匠牛顿（IsaacNewton，1642-1727，英国物理学家、数学家、天文学家）1687年提出了力学三大定律，奠定了近代物理学的根基，也奠定了土木工程科学的理论基础。（3）、科学巨匠牛顿和数学家莱布尼茨的微积分理论奠定了近代数学的根基，也为土木工程科学提供了一个有力的数据分析工具。（4）、科学家虎克（英国）根据弹簧实验观察所得的虎克定律（即，在弹性限度内材料的变形与力与成正比）成为土木工程科学的又一个基础理论。（5）、数学家欧拉（瑞士）1744年发表的《曲线变分法》建立了柱的压屈理论，得到柱的临界受压公式，为土木工程结构稳定分析奠定了理论基础。（6）、土木工程设计计算理论的构建与繁荣。包括土木工程结构设计的容许应力分析法（纳维1825年创立）、极限平衡理论（里特尔、等19世纪末提出）、按破损阶段划分的强度计算方法（戴孙1922年提出）、等。（7）、水泥的发明（1824年英国人阿斯普丁获得了波特兰水泥的专利权，1850年出现水泥的生产，水泥是形成混凝土的主要材料，直到今天仍在土木工程中得到广泛应用）和混凝土强度的理论的构建（20世纪初的水灰比学说初步奠定了混凝土强度的理论基础）。（8）、新型土木工程结构的不断涌现与相关计算方法（结构力学）的建立。针对19世纪后期铁路建设中出现的桁架和连续梁结构，惠普尔（美国）提出了桁架计算理论、克拉伯龙（法国）提出了连续梁计算方法、麦克斯韦提出了超静定结构的力法方程、莫尔发展了利用虚位移原理求位移的理论、本迪克森提出了转角位移法、克罗斯创造了力矩分配法。（9）、钢的发明（1859年发明的贝塞麦转炉炼钢法，使钢材得以规模化生产并愈来愈多地应用于土木工程）与钢结构的出现（英国1851年建成了水晶宫、美国1883年建成了布鲁克林桥、法国1889年建成了埃菲尔铁塔，这三座19世纪规模最大或跨度最大或高度最高的钢结构的建成为土木工程结构向高耸、大跨、大体量发展做了铺垫）。（10）、钢筋混凝土的出现与相关设计计算理论的发展。莫尼埃（法国）1861年在混凝土里置埋铁丝网做成了一个大花盆，并将这种方法在土木工程中进行推广建成了一座蓄水池和一座桥梁，开创了钢筋混凝土应用的先河，成为土木工程史上具有重大里程碑意义的事件，德国人1884年购买了莫尼埃的专利进行了钢筋混凝土的试验研究，德国工程师威斯、克嫩、鲍兴格尔等在1887年前后提出了应将钢筋配置在结构受拉部位的观点和钢筋混凝土板计算方法，使钢筋混凝土在建筑结构中得到了广泛应用直到今天。（11）、结构动力学和工程抗震技术的发展。1906年的美国旧金山大地震和1923年的日本关东大地震催生了结构动力学和工程抗震技术。（12）、传统砖石结构理论的继承和发展。俄国别列留布斯基、拉赫琴等曾在19世纪中叶至20世纪初对砖、石、砂浆、砌体构件的承载力和稳定性进行过系统性的研究，1939年前苏联制定了世界上第一个砖石结构规范。（13）、铁路、公路、桥梁建设的大规模发展。1825年斯蒂芬森（英国）在英格兰北部修筑了世界第一条铁路（长21km），1863年伦敦又建成了世界第一条地铁（地下铁道）。1770年英国用铸铁建成了跨度30.5m的拱桥、1926年用锻铁建成了世界第一座悬索桥（跨度为177m）、1890年又建成两孔主跨达521m的悬臂式桁架梁桥，由此，现代桥梁的3种基本形式（梁式桥、拱桥、悬索桥）相继面世。德国在1931---1942年间率先建成了长达3860km的高速公路网。1.2.3现代土木工程现代土木工程通常是指公元20世纪中叶（第二次世界大战结束）直到今天的历史时期，和平和发展是这一历史时期的主旋律，现代科学技术的迅猛发展为土木工程科学的进步与发展提供了强大的物质基础和技术支撑，开始了以现代科学技术为后盾的土木工程新时代。现代土木工程的特点可概括为以下若干方面：（1）、设计理论的科学化。（2）、建筑材料的轻质高强化。（3）、施工过程的工业化。（4）、功能要求的多样化。（5）、城市建设的立体化。（6）、交通工程的快速化。

…1.3土木工程的未来为适应各类工程建设高速发展的要求，人们需要建造大规模、大跨度、高耸、轻型、大型、精密、设备现代化的建（构）筑物。建造活动既要求高质量和快速施工，又要求高经济效益。这就是未来土木工程需要面对的新课题。土木工程建设地区的工程地质结构和地基构造急待