土木工程 概论 课件

本文档的有关内容参见7-11土木工程概论上海大学：姚文娟

2023年2月6日土木工程概论讲授要义《本课程》为土木工程专业本科学习的引领

《本课程》为土木工程后续专业课程之纲《本课程》为土木工程各专业课程连接之纽带一、收集资料资料应反映经典案例（反映时代印记、反映结构特点）意大利比萨斜塔

塔高54.5m，1173年开工兴建，因伽利略在此实验万有引力定律而久负盛名，1987年已列被入《世界文化遗产目录》。斜塔可近似看作由砌体形成的筒中筒结构，整体性好，刚度大，故斜而不倒。上世纪末已对塔基进行了全面加固。

在巨型桁架平面内还设置若干吊杆，将楼层荷载通过巨型桁架斜杆传给角柱。使角柱承担几乎全部重力荷载，增强了巨型桁架的抗倾覆能力。地面以上70层，楼高315m(层顶天线高367.4m)

香港中国银行大厦巨型桁架

充分体现了巨型桁架体系的结构优越性，建筑上形成多棱形晶体的独特造型

建筑方案由著名美藉华人建筑师贝聿铭先生构思设计。大楼内的主体结构为八榀巨型桁架，其中四榀沿房屋正方形平面的周边布置，另四榀沿对角线方向布置。平面52m×52m，四角为型钢立柱，底部最大截面尺寸为4.8m×4.1m，直接深入基础，向上逐渐减小截面。资料应反映最新进展苏通大桥（2008年通车）跨径为1088米，是当今世界跨径最大的斜拉桥资料应反映新的发展理念

深水港位于杭州湾口，长江口外的浙江省嵊泗列岛，由大小洋山数十个岛屿组成的海域。是中国首个在海岛建设的港口。2020年，洋山港集装箱深水泊位50多个，设计年吞吐能力1500万标准箱以上；通过跨海大桥与上海交通运输网络连接港口前沿水深17.5。结构形式为高桩码头。洋山深水港一期工程新的发展理念新型结构新兴问题前沿研究向深海发展软土很厚，填海造路高回填土超长桩---竖向及水平力、负摩阻力高回填土下的非刚性挡土墙深水航道、海口（河口）建水工结构嵌入式的薄壳结构使学生在初年级学习阶段就了解本学科的一些前沿研究二、如何组织教学有不同的讲法－－－可以这样讲，也可以那样讲按章节顺序－－－传统、知识全面、平淡（如讲稿建筑工程）案例引领法－－－直观、感性（详见六、案例）

不论如何讲，教学思想不变三、如何把握课程内容1、常规的课程内容建筑工程---基本构件、单层与多层建筑、高层与超高层建筑、结构设计的基本理论与方法港口工程---港口分类、港口规划与布置、码头建筑、防波堤、护岸建筑水利水电工程---农田水利工程、水电工程、防洪工程、水利（综合）枢纽桥梁工程---桥梁的分类、桥梁工程的总体规划和设计要点、桥梁的结构形式、桥墩与桥台、桥梁技术的发展方向基础工程---工程地质勘查、浅基础、深基础、不均匀沉降问题、地基处理2、在常规内容基础上，有侧重面，有主有次（１）视各学校土木专业的设置情况如上海大学为建筑工程为主（２）毕业后在哪些部门工作（工作性质），以后的职业生涯、定向如成为工程师、科研工作者、教师等３、注意广度和深度的关系注意讲基本概念、宏观的、扩展知识。比如：只讲构件的形式与特点，而不能讲构件的详细计算；只讲建筑的结构类型应用范围与特性，而不能讲结构的详细受力分析易犯的错误－深四、如何讲授１、注意学生的特点（刚进校）（１）对专业的未知与茫然－－介绍专业，注意讲一些经典的、现代的标志性工程，引入专业兴趣

三峡大坝位于湖北省宜昌市三斗坪中堡岛，是当今世界上最大的水利枢纽工程。

阿联酋迪拜塔预计完工时间为2009年12月20日，2009年1月达到其最终设计高度818m

都江堰水利工程由鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口引水口三大主体工程和百丈堤、人字堤等附属工程构成。科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题。鱼嘴是修建在江心的分水堤坝，把汹涌的岷江分隔成外江和内江，外江排洪，内江引水灌溉。飞沙堰起泻洪、排沙和调节水量的作用。上海环球金融中心高492米，101层都江堰2、利用土木专业的优势－－建筑物无处不在逐渐引入专业－如建筑工程－－进入－－基本构件3、注意本课程的教学目的以及与后续课程的联系

尽量把本学科四年要学的基础、专业基础及专业课程乃至毕业设计等知识全部融入，使学生对本专业从认识清楚到热爱，并知道后续课程在本专业中的相关作用、意义。（详见六案例教学）4、注意大土木各专业之间的交叉大土木各个专业方向之间的相同点、连贯关系与不同点特别是不同的难点、特点相同－－均基于力学基础不同－－工程背景、目的、功能不同－-导致工程问题及思考方向不同--解决的方法手段不同－－各有特点将水工结构的手段用到建筑上－－交叉思维---新方法由此引出一些培养创新思维的学习要点水利工程与建筑工程的不同不像建筑工程中的杆件（规则结构），而一般为大体积、大跨度及厚板式的不规则结构）如水电站、水闸有闸门、要挡水、进水等长期在水中工作承受循环（变化水位，底板易开裂、变形，影响闸门的工作止水等等（如案例2---出海闸）首先是总平面布置问题难河道中的水沙平衡问题建坝后的冲淤问题其次才是结构问题一、枢纽建筑物挡水----水位差----势能----动能----发电

1.挡水建筑物---坝、水闸

2.电站上游进水建筑----取水口---将水引入，引水道进口。上游引水----把水引入水轮机，以及下游的尾水建筑。平水建筑---电站负荷变化时，平衡引水建筑物中的压力以及流速的变化，如有压引水道中的调压室。厂房----发电、变电、配电建筑。

3.泄水建筑-----泄水闸、溢洪道、溢流隧洞、泄水孔。

4.排沙建筑-----冲沙闸、导沙坝。

5.过水建筑------船闸、船坞。

水利（综合）枢纽以发电为主，水库可蓄水、调洪、灌溉、兼顾通航

二、设计思路：第一步，选址（挡水线所在地）①满足设计水位，流量，额定电站发电量。②主流鲜明，不易变更，贮变规律明确。③两岸较高、土质坚硬（便于两岸与坝的联接）。④河床下面地质条件（承载力，渗水性）。⑤两岸的拆迁。第二步，水文计算第三步，在挡水线布局各类建筑物（总平面布置）。

1.主体坝或当水闸----根据泄洪能力定。泄洪宽足够---既建水闸又建坝，电站不过水泄洪宽度不够，全建水闸，可考虑电站溢流或泄水

2.考虑各坝、水闸电站在平面上的布置---根据河势规律

3.根据河势及平面布置要求，考虑是否设排沙建筑

4.船闸的布置，进出船的水流条件及吃水深度等第四步，输水、消能计算及结构计算

第五步，结构计算设计水利（综合）枢纽

实例--长江三峡水利枢纽坝址所在为微弯型，左岸为凹岸

⑼泄水闸位于主流（深弘区）---保证洪水期水的流畅。⑺二江电站位于泄水闸左侧，⑾大江电站位于泄水闸的右侧。电站应布置于深水区（取水好）但不能位于主流区（厂房阻水）。在二江电站⑺旁有一浅坝，利用它做开关站⒂，并利用此坝堤做2

号船闸的上下游引航道⑸。由于三江是小支流，建4号坝（洪水期溢流可保持水量）。⑸2号船闸及⑵3号船闸分别建于⑷坝的两侧，⑸及⑵均一侧靠岸---船闸必须一侧靠岸建，进出船的水流平稳。⑶冲沙闸设在⑷坝保证三江建坝后的不淤积。(12)1号船闸布于右岸，为主要的、通行量大的船闸。⒀冲沙闸设于⑿1号船闸右岸枯水期不通航，冲沙。避免凸岸（从整河势看）可能的淤积，保证船闸通航水深。另：按原河势微弯规律，设有⒄⒅防淤堤：⒅缩小过水面，提高流速并把水流导向凹岸主流区，⒄----按原河势设置长堤（弯）对三江形成了小的主流区，又兼船闸的上游引航道。长江三峡水利枢纽工程混凝土重力大坝，坝后式水电站船闸

规模确定---水文学（高低水位），水能源利用、电的需求坝址设计、总平面设计---流体力学、河流动力学、模型实验、工程地质学、水文气象水工建筑物----①化为力学模型---专业课②各类荷载计算---专业课（工作机理、担负的荷载）结构可度③各种力学（理力、结力、弹力）④高等数学、编程序（语言软件学习）⑤截面设计（承载力、抗裂）---混泥土结构学⑥钢闸门，结构计算----水力学、钢结构

金属运转件---钢结构

----运行轨道的精确---水和结构的振动---动力学机械振动与水工结构的交叉水利工程所涉及的基础及专业知识总结码头按结构形式可分为重力式、板桩式、高桩式和混合式。重力式：靠自重稳定因此要求地基较好。T:何谓稳定、T:地基较好、港口工程与建筑工程的不同波浪力、动水、有水的冲刷、淘基础的问题、侧土压力、水下施工、稳定问题板桩式板桩式：为了减少地基应力，靠打入土中的板桩来挡土，为了抵抗土压，上部用拉杆拉住，拉杆力传给后面的锚碇结构。适用于墙高不大（10m以下）

拉力太大锚碇不够高桩式码头主要由上部结构和桩基两部分组成。上部结构－－把桩基连成整体，承受水平和垂直力，并把它们传给桩基，桩基将上部力传给地基。适用于前沿水深较大的（大型）软土地基码头，其结构竖向高度大。对重力式，不仅重量大而且土压力大，则要求断面很大，工程量很大，地基承载力不够。高桩（透空）式－－不挡土，而且对地基要求不高。混合式1高桩、板桩混合结构－－高桩码头上部设帽梁，前段护坡，后段用板桩加拉杆、锚碇。混合式2下部为悬臂式的挡土墙，上部为拉杆、锚碇的混合式。帮助抵抗水平土压力斜坡式防波堤直立式防波堤

防波堤的断面型式

直接护岸建筑波浪拍击护岸墙波浪在墙面回卷入海护岸墙断面图护坡和护岸墙的混合结构

间接护岸建筑潜堤促淤丁堤的结构形式五、如何激发学生的学习积极性、创新思维能力1、注意与前沿动态相联系土木工程的发展大跨度、高耸建筑物

大型、大跨度的桥梁

大河、大海上的大跨度、高水头的水工建筑

大型的地下工程

高科技的计算理论、研究分析、设计方法的出现促进材料的发展使结构的内力、变形计算更准确、内力分布更均匀、合理结构尺寸、外形更小、轻巧结构的自重减小，外形美观、更经济适用要求轻质高强度的材料聚合材料复合材料高科技的计算理论、分析方法材料的发展土木工程与力学的结合土木工程与材料学科的结合要求与结构受力相匹配的材料自密实、高强度混凝土等特大跨悬索桥世界最长的：日本的明石海峡大桥主跨1990m

越来越向大跨度轻质结构发展

桥梁属于具有不规则形状的钝体结构，不象飞机机翼那样有着良好的气劫特性断面；其次桥梁是近地建筑，所经受的是近地紊流风，有复杂的地形地貌效应以及攻角和偏角效应；再者钝体空气动力学(研究气体与钝体结构的相互作用)本身还是一个有待深入研究的领域。所以，桥梁的抗风设计是土木工程与流体力学的交叉新学科，是对应用空气动力学的一个挑战，有待于研究的领域。

新的大跨度结构体系带来新问题

-----桥梁的风振问题三峡大坝（岩基）大位于三峡西陵峡内的宜昌市夷陵区三斗坪，是世界最大的混凝土重力坝,坝顶总长3035米，坝顶高程185米

坝体挡止水岩裂隙---渗流裂隙岩基中渗流场与变形场的耦合作用及其对结构工作性态的影响

裂隙岩体的渗流场分布是与裂隙导水通道渗透系数有关的；渗流场的分布是与隙宽有关的；裂隙的宽度与岩体的变形场有关，而变形场又与渗透压力有关，这样反反复复的影响就构成了裂隙岩体渗流场与变形场的非线性耦合作用。耦合作用的效应十分显著，并可能导致坝体，水闸工作性态的恶化。该问题仍是岩体工程和水利工程界研究的难点和热点。

2、通过案例（特别是失败的工程）反面教学，诱发思维美国塔科马大桥倒塌视频大桥为主跨853米的悬索桥，享有世界单跨桥之王的称号。1940年11月7日上午10点，风速达到到每小时64公里，大桥发生颤振破坏，掉入海中。如：工程问题出在什么地方－－基本概念问题－－宏观分析问题能力－－知识的重要性。另一方面：科学有时在失败中前进。学习中要不怕失败－－在问题中寻找解决的方法－－反思--不断地改进－－发展比萨斜塔比萨斜塔之所以会倾斜，是由于比萨斜塔下由几层不同材质的土层，各种软质粉土的沉淀物和非常软的粘土相间形成，而在深约一米的地方则是地下水层。3、引入学生对所处的环境的点滴，结合专业知识的体察、观察事物，对其提为什么、思考。

观察生活的家庭、邻里，墙体为什么开裂？墙面为什么会剥落？其建筑为什么局部破坏？如家庭装修哪些墙能敲掉？混凝土中的沙子为什么要粗细搭配？饭堂中、门诊部为什么会经常人碰人？纽约世界贸易中心的倒塌（柱子的长细比、稳定问题）4、用问题引发学生的思考－－进行课内互动、讨论洪水退后，溃堤问题草袋堤岸洪水退后，溃堤问题

堤岸溃塌区

草袋重量变为不利载荷若干力学问题、定性分析基础F-洪水形成的合力F’F=F’,洪水决口堵住了九江大堤决口：如何应用专业知识解决实际工程问题a）利用网络资源，发挥学生的主观能动性b）课后看书：第XX章c）网上精品课程：有关内容和网络课程的有关章节d)完成：周边高架、道路规划之我见。学生宿舍的结构受力如何传递？就你所在的现代结构的桥梁或高层建筑、大跨度建筑进行结构及类型的分析。我国建造三峡大坝的意义何在？从科学发展观的视角，谈我国的防洪抢险工作的展开。水电、火电、核电的利弊分析与比较。水力发电在我国电力工业中的地位和发展前景。码头结构与建筑结构的不同？为什么说港口是一个国家对外经济发展的核心搜集资料，撰写“全球化中的中国港口业”小论文（字数：3000字）搜集资料，撰写“全球化中的超高层建筑”小论文（字数：3000字）５、通过课外的思考六、案例选择一个好的案例－－一定是要能派生出很多问题，联系很多知识点1、从正面入手－－把四年所学到的知识融合贯通例如：建筑工程中一幢框架结构的多层建筑从建筑方案设计开始讲（房屋建筑学）建筑结构选型（建筑与结构的交叉点、建筑功能与结构受力的合理性）上部结构设计基础结构设计多层厂房建筑图

设计与结构计算的目的有两个：一个是满足功能、使用要求，另一个是满足经济要求。

满足功能、使用要求功能要求---建筑设计使用要求---结构设计可分为两个方面考虑：安全可靠，结构构件不会破坏，整个结构不会倒塌－－承载能力极限状态满足适用性要求，如建筑物的梁变形过大，人的感觉问题；厂房吊车梁变形过大的吊车卡轨问题。－－正常使用极限状态建筑、结构设计的目标及基本理论与方法

一般可分为：建筑设计（根据功能要求进行平立面布置）建筑结构类型选取、结构模型的建立、结构荷载的计算、构件内力计算和砼结构配筋设计、钢结构截面设计施工图纸绘制建筑工程的设计步骤结构计算设计满足结构的安全、经济要求

混合结构指用不同的材料建造的房屋，通常墙体采用砖砌体，屋面和楼板采用钢筋混凝土结构，故亦称砖混结构。一般用于24米以下，高于此应该考虑用框架结构首先进行建筑结构选型认识建筑结构的基本体系常用的结构形式为混合结构、框架结构。多层结构建筑布置要结合结构受力骨架--建筑设计的同时应进行结构选型

框架结构框架结构指由梁和柱刚性连接而成骨架的结构。主要构件为柱、主梁、次梁、连梁特点：利用梁柱刚性连接减小弯曲变形，增加跨度空间分隔灵活，适用于大空间、较高的建筑总高等。局限性：框架结构因其受力体系由梁和柱组成，柔性结构抗侧移能力很差。因此仅在房屋高度不很大、层数不很多时采用。总平面布置、平面设计、立面设计、剖面设计、构造设计1、进行建筑设计房屋建筑学课程本案例总高度为21.5米，选框架结构体系由于空间（跨度）大、楼面荷载大图(13-5)Ⅰ－Ⅰ剖面图(13-4)II－II剖面展示房屋组成的基本构件2、上部结构设计（1）估算结构截面尺寸—结构在经济、合理的尺寸范围首先进行结构布置(房屋建筑学，材料力学，砼结构）单向板、双向板（a）定义：单向板---板上的荷载沿一个方向传递到支承构件。双向板---指板上的荷载沿两个方向传递到支承构件A、支撑条件：两边支承－－单向板三边或四边支承－见BB、长边与短边之比：>=2单向板

<2双向板（b）单向板和双向板的区分：(2)计算荷载：恒载、活载、偶然荷载---基本概念，详细计算见荷载及结构设计方法课程(3)每层楼板、梁的计算设计---（大学物理）材料力学（砼）楼板、梁布置图楼板计算简图次梁计算简图(4)框架的计算简图（实体建筑如何转化为力学计算模型，其中涉及很多知识基础课程和实际工程之间的衔接）平面还是空间作为受力骨架（认识实体结构受力自然规律）楼面荷载传给框架（导荷载，传力路线）构件之间连接关系的确定认识各类板梁的约束条件

往往是工科本科教学的薄弱环节

梁的常见支承方式可分为：

简支梁，悬臂梁，一端简支另一端固定梁，两端固定梁