土木工程概论知识点

土木工程概论知识点一、土木工程的定义与范围土木工程是指一切和水、土、文化有关的基础建设的计划、建造和维修。它涵盖的范围极为广泛，包括房屋建筑工程、道路与桥梁工程、隧道与地下工程、岩土工程、水利水电工程等。从房屋建筑来看，无论是住宅、商业建筑还是工业厂房，都属于土木工程的范畴。这些建筑需要考虑结构安全、功能布局、建筑美观等多方面因素。道路与桥梁工程则致力于建设各种等级的公路、城市道路以及跨越江河湖海的桥梁。道路要满足车辆行驶的顺畅性和安全性，桥梁要承受自身重量、车辆荷载以及各种自然因素的作用。隧道与地下工程涉及到地下铁道、地下商场、地下停车场以及穿山隧道等的建设。它需要解决地下空间的开挖、支护、防水等一系列技术难题。岩土工程主要研究岩土体的工程性质以及在工程活动中的表现，包括地基处理、边坡稳定、基坑工程等，确保工程的稳定性和安全性。水利水电工程包括水库、大坝、水电站、灌溉渠道等设施的建设，对于合理利用水资源、防洪、发电等起着关键作用。二、土木工程的发展历程1.古代土木工程古代土木工程有着悠久的历史。早在远古时期，人们为了躲避风雨和野兽，开始建造简单的住所，如洞穴、草棚等。随着时间的推移，逐渐发展出了较为复杂的建筑形式。埃及金字塔是古代土木工程的杰出代表之一。它采用巨大的石块建造而成，展现了当时高超的石材加工和砌筑技术。金字塔的建造需要精确的测量、组织和施工，反映了古埃及人在土木工程方面的卓越成就。中国古代的万里长城也是举世闻名的土木工程壮举。它绵延万里，跨越多个省份，工程规模宏大。长城的修建不仅起到了防御外敌的作用，还展示了中国古代在建筑材料、结构设计和施工组织方面的智慧。古代的桥梁建筑同样令人赞叹。例如，中国的赵州桥，它是世界上现存最早、保存最完善的古代敞肩石拱桥。赵州桥的设计巧妙，采用了独特的拱券结构，能够承受较大的荷载，并且在一千多年的历史中历经多次洪水和地震的考验，依然屹立不倒。2.近代土木工程随着工业革命的到来，土木工程进入了近代发展阶段。钢铁和水泥等新型建筑材料的出现，为土木工程带来了革命性的变化。1851年，英国伦敦建造了水晶宫。这座建筑采用了铸铁和玻璃作为主要材料，展现了工业化生产在建筑领域的应用。水晶宫的跨度巨大，内部空间开阔，其建造标志着近代建筑技术的重大突破。铁路工程在近代得到了迅猛发展。1825年，世界上第一条铁路在英国正式通车。铁路的出现极大地改变了人们的出行方式和物资运输方式，推动了经济的快速发展。同时，铁路桥梁、隧道等工程技术也不断进步。这一时期，高层建筑也开始逐渐兴起。1885年，美国芝加哥建成了第一座具有现代意义的高层建筑家庭保险大楼。它采用了框架结构，解决了高层建筑的结构承载问题，为现代高层建筑的发展奠定了基础。3.现代土木工程进入现代，土木工程技术得到了飞速发展。计算机技术、材料科学、力学理论等多学科的交叉融合，为土木工程带来了前所未有的机遇。超高层建筑不断涌现。例如，迪拜的哈利法塔，高度达到了828米，成为世界上最高的建筑。建造这样的超高层建筑需要解决一系列复杂的技术问题，如高强度结构材料的研发、风荷载和地震作用下的结构响应分析、高效的施工技术等。大跨度桥梁技术取得了巨大进步。悬索桥、斜拉桥等新型桥梁结构不断创新。如日本的明石海峡大桥，是世界上最大跨度的悬索桥，主跨达到了1991米。这些大跨度桥梁的建设需要精确的风洞试验、先进的施工设备和技术，以确保桥梁的稳定性和安全性。地下工程领域也有了新的突破。城市地铁网络不断扩展，盾构法、矿山法等地下工程施工技术日益成熟。同时，地下空间的综合利用也越来越受到重视，如建设地下商业街、地下停车场等。三、土木工程的材料1.结构材料钢材钢材具有强度高、韧性好、可焊性强等优点，是土木工程中广泛应用的结构材料。在建筑结构中，钢材常用于制作梁、柱、桁架等主要承重构件。例如，在高层钢结构建筑中，钢梁和钢柱承受着巨大的竖向和水平荷载，钢材的高强度能够有效减轻结构自重，提高建筑的空间利用率。同时，钢材的韧性使其在地震等自然灾害发生时能够吸收能量，减少结构破坏的风险。常见的钢材品种有碳素结构钢、低合金高强度结构钢等。根据工程需求，选择合适的钢材型号和规格，以确保结构的安全可靠。木材木材是一种天然的结构材料，具有质轻、强度较高、加工方便等特点。在建筑中，木材常用于制作门窗、屋架、木楼梯等。由于木材具有良好的保温隔热性能，在一些对室内环境要求较高的建筑中，如木屋别墅，木材被广泛应用。同时，木材的纹理美观，能够为建筑增添独特的艺术氛围。然而，木材的耐久性相对较差，容易受到腐朽、虫蛀等影响。因此，在使用木材时，需要进行防腐、防虫处理，以延长其使用寿命。混凝土混凝土是土木工程中最常用的材料之一。它由水泥、砂石、水和外加剂按一定比例配制而成。混凝土具有成本低、可塑性强、耐久性好等优点。在建筑结构中，混凝土可以浇筑成各种形状和尺寸的构件，如梁、板、柱、基础等。通过合理设计混凝土的配合比，可以满足不同工程的强度和耐久性要求。例如，在大体积混凝土基础施工中，需要控制混凝土的水化热，防止因温度变化产生裂缝。同时，高性能混凝土的研发和应用，进一步提高了混凝土的强度和耐久性，满足了一些特殊工程的需求。2.墙体材料砖砖是传统的墙体材料，种类繁多，常见的有粘土砖、页岩砖、煤矸石砖等。砖具有一定的强度和保温隔热性能，砌筑方便。在过去，粘土砖大量使用，但由于其对土地资源的消耗较大，现在逐渐被限制使用。页岩砖和煤矸石砖等新型砖材，利用工业废料或自然资源，具有环保、节能等优点，得到了广泛应用。砖墙体在建筑中起到分隔空间、围护结构的作用，同时还能起到一定的保温、隔热、隔音效果。砌块砌块是近年来发展较快的墙体材料，如混凝土砌块、加气混凝土砌块等。混凝土砌块强度较高，加气混凝土砌块则具有轻质、保温隔热性能好等特点。加气混凝土砌块常用于框架结构的填充墙，能够有效减轻建筑物的自重，提高建筑的节能效果。同时，砌块墙体施工速度快，能够提高工程效率。墙板墙板包括预制混凝土墙板、金属墙板、玻璃幕墙等。预制混凝土墙板具有工业化生产、质量稳定、安装速度快等优点，常用于装配式建筑。金属墙板具有自重轻、防水、防火、美观等特点，常用于工业建筑和一些现代风格的建筑外墙。玻璃幕墙则以其通透、美观的特点，广泛应用于高层建筑的外立面，不仅能提升建筑的外观形象，还能改善室内采光和通风条件。3.防水材料卷材防水材料卷材防水材料包括沥青防水卷材、高聚物改性沥青防水卷材和合成高分子防水卷材等。卷材防水材料具有良好的柔韧性和防水性能，能够适应不同形状和部位的防水要求。在屋面防水工程中，卷材防水材料被广泛应用。施工时，将卷材铺设在基层上，通过热熔或粘贴等方式使其与基层紧密结合，形成连续的防水层。例如，SBS改性沥青防水卷材具有良好的耐高温和低温性能，适用于各种气候条件下的屋面防水。涂料防水材料涂料防水材料是一种液态的防水材料，涂刷在基层表面后能够形成一层连续的防水膜。涂料防水材料具有施工方便、可形成各种形状的防水层等优点。常见的涂料防水材料有丙烯酸防水涂料、聚氨酯防水涂料等。在地下室防水、卫生间防水等工程中，涂料防水材料应用较为广泛。通过多遍涂刷，可以确保防水层的厚度和质量，有效防止渗漏。密封材料密封材料用于填充建筑物的缝隙、孔洞等部位，防止雨水、空气等渗漏。密封材料包括硅酮密封胶、聚氨酯密封胶等。在门窗安装、屋面接缝、卫生间洁具与地面接缝等部位，都需要使用密封材料。密封材料具有良好的粘结性、弹性和耐候性，能够长期保持密封效果，确保建筑物的防水性能。四、土木工程的结构形式1.混合结构混合结构是指由两种或两种以上不同材料组成的结构体系。常见的混合结构有砖混结构和钢混结构。砖混结构砖混结构是指用砖墙、钢筋混凝土楼板层、钢屋架或木屋架等组成的房屋结构。砖墙是主要的竖向承重构件，承受着屋顶、楼板传来的荷载，并将其传递到基础。砖混结构具有造价低、施工简单等优点，适用于层数较少的住宅、办公楼等建筑。但由于砖墙的强度相对较低，其抗震性能较差，一般适用于抗震设防烈度较低的地区。钢混结构钢混结构是指钢筋混凝土构件与钢结构构件相结合的结构形式。例如，在高层建筑中，下部采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，上部采用钢结构。钢混结构结合了钢筋混凝土结构的耐久性和钢结构的高强度、轻质等优点，能够有效减轻结构自重，提高建筑的抗震性能和空间利用率。适用于对结构性能要求较高的建筑，如大型商场、酒店等。2.框架结构框架结构由梁和柱通过节点连接而成，形成空间骨架体系。梁承受楼板传来的竖向荷载，并将其传递给柱；柱则将荷载传递到基础。框架结构具有建筑平面布置灵活、空间较大等优点，适用于教学楼、办公楼、商场等建筑。其缺点是侧向刚度较小，在水平荷载作用下，结构的侧向位移较大。为了提高框架结构的侧向刚度，可以设置柱间支撑、剪力墙等抗侧力构件，形成框架支撑结构或框架剪力墙结构。3.剪力墙结构剪力墙结构是利用建筑物的墙体作为承受竖向荷载和抵抗水平荷载的结构体系。剪力墙一般为钢筋混凝土墙体，厚度较大，具有较高的抗侧刚度。剪力墙结构的侧向刚度大，在水平荷载作用下，结构的侧向位移较小，抗震性能好。适用于高层建筑，尤其是住宅建筑。剪力墙结构的缺点是建筑平面布置相对不灵活，墙间距较小，影响室内空间的使用。4.框架剪力墙结构框架剪力墙结构是在框架结构的基础上，设置一定数量的剪力墙而成。框架主要承受竖向荷载，剪力墙主要承受水平荷载。这种结构形式结合了框架结构和剪力墙结构的优点，既具有建筑平面布置灵活的特点，又具有较好的抗震性能和较大的侧向刚度。适用于多功能的高层建筑，如商住楼、写字楼等。5.筒体结构筒体结构是指由一个或多个筒体作为主要抗侧力构件的结构体系。筒体可以分为实腹筒、框筒、桁架筒等。实腹筒一般由钢筋混凝土墙体构成，具有较高的抗侧刚度。框筒是在框架结构的基础上，通过在周边布置密集的柱和梁形成的筒体。桁架筒则是由空腹桁架组成的筒体。筒体结构适用于超高层建筑，能够有效承受巨大的竖向和水平荷载，为建筑提供强大的抗侧力。例如，美国的芝加哥西尔斯大厦就是典型的筒体结构建筑。五、土木工程的施工技术1.基础工程施工技术浅基础施工浅基础包括独立基础、条形基础、筏板基础等。独立基础施工时，首先进行基坑开挖，然后绑扎钢筋、支模板，最后浇筑混凝土。条形基础施工类似，在基槽内进行钢筋绑扎和模板支设，注意控制基础的宽度和高度。筏板基础则是大面积的混凝土基础，施工时要采用分层浇筑、振捣的方法，确保混凝土的密实性。浅基础施工过程中，要注意基坑的排水，防止积水影响基础质量。同时，要保证钢筋的数量、规格和间距符合设计要求，模板的支撑牢固，以确保基础的尺寸和形状准确。深基础施工深基础包括桩基础、沉井基础等。桩基础施工方法多样，常见的有打入桩、灌注桩等。打入桩是通过锤击、静压等方式将预制桩打入地下。灌注桩则是在现场钻孔，然后放入钢筋笼，浇筑混凝土形成桩体。沉井基础是先在地面制作钢筋混凝土井筒，然后通过挖土使其下沉到设计标高，最后封底并浇筑内部结构。深基础施工技术要求较高，施工过程中要严格控制桩的垂直度、桩长、沉井的下沉速度和方向等参数，确保基础的承载能力和稳定性。2.混凝土工程施工技术混凝土搅拌混凝土搅拌是将水泥、砂石、水和外加剂等按一定比例混合均匀的过程。搅拌设备有自落式搅拌机和强制式搅拌机等。自落式搅拌机适用于搅拌塑性混凝土，通过物料的自由下落和相互碰撞达到搅拌目的。强制式搅拌机则适用于搅拌干硬性混凝土和轻骨料混凝土，它通过叶片的强制搅拌作用，使物料更均匀地混合。在搅拌过程中，要严格控制原材料的计量精度，确保混凝土配合比准确。同时，要根据混凝土的坍落度要求，合理调整搅拌时间，以保证混凝土的和易性。混凝土运输混凝土运输要保证混凝土的均匀性和坍落度损失在允许范围内。常见的运输方式有混凝土搅拌车运输和混凝土输送泵运输。混凝土搅拌车在运输过程中要保持搅拌筒的慢速转动，防止混凝土离析。混凝土输送泵则通过管道将混凝土输送到浇筑地点，适用于长距离和高度较大的混凝土浇筑工程。在运输过程中，要注意防止混凝土受到日晒、雨淋，避免混凝土坍落度损失过大或出现离析现象。混凝土浇筑混凝土浇筑前要检查模板、钢筋、预埋件等是否符合要求，并做好浇筑准备工作。浇筑时要注意分层浇筑、振捣密实。对于梁、板等构件，要从一端向另一端推进浇筑，同时用振捣棒振捣，使混凝土充满模板，排除气泡。对于大体积混凝土浇筑，要采取分层浇筑、分层振捣、控制浇筑速度和温度等措施，防止混凝土出现裂缝。混凝土浇筑完成后，要及时进行养护，保持混凝土表面湿润，防止混凝土因水分蒸发过快而出现干裂。养护时间根据混凝土的类型和环境条件而定，一般不少于7天。3.钢结构工程施工技术钢结构制作钢结构制作包括钢材的矫正、切割、焊接、组装等工序。钢材矫正主要是消除钢材的变形，使其符合设计要求。切割方法有氧气切割、等离子切割等。焊接是钢结构制作的关键工序，要选择合适的焊接材料和焊接工艺，确保焊接质量。焊接完成后要进行焊缝探伤检测，检查焊缝是否存在缺陷。组装时要按照设计图纸将各个构件准确拼接在一起，控制好构件的尺寸和